四阶行列式的计算方法及例题
来源 :华课网校 2024-06-22 15:24:09
中四阶行列式是由4行4列数排成的一个矩阵,其中每个数都有一个固定的位置。计算四阶行列式的方法有多种,下面介绍两种常见的方法。
方法一:按照定义式计算
四阶行列式的定义式为:
$$
\begin
a_ & a_ & a_ & a_ \\
a_ & a_ & a_ & a_ \\
a_ & a_ & a_ & a_ \\
a_ & a_ & a_ & a_
\end
= \sum_ sgn(\sigma) a_a_a_a_
$$
其中,$S_4$表示4个元素的置换群,$sgn(\sigma)$表示$\sigma$的符号,当$\sigma$为偶置换时为1,为奇置换时为-1。
按照定义式计算四阶行列式的具体步骤是:
1. 对于置换$\sigma \in S_4$,计算$a_a_a_a_$的乘积。
2. 对于所有置换的结果求和,即$\sum_ sgn(\sigma) a_a_a_a_$。
方法二:按照行列式的性质计算
四阶行列式还有一些性质可以用来简化计算,比如:
1. 如果行列式中有两行(列)对应元素相同,则该行列式的值为0。
2. 行列式的值与其转置的值相等,即$det(A)=det(A^T)$。
3. 行列式中如果有一行(列)的所有元素都乘以一个数$k$,则行列式的值也乘以$k$,即$det(kA)=k^4 det(A)$。
4. 行列式中如果有两行(列)互换,则行列式的值变号,即$det(A)= -det(A')$,其中$A'$表示$A$中任意两行(列)互换后得到的行列式。
根据这些性质,可以通过简单的变换将四阶行列式化为易于计算的形式。例如,可以通过对第一行或第一列进行展开,将四阶行列式转化为三阶行列式的形式,然后再用其他的方法进行计算。
下面给出一个例题:
$$
\begin
1 & 2 & 3 & 4 \\
2 & 3 & 4 & 5 \\
3 & 4 & 5 & 6 \\
4 & 5 & 6 & 7
\end
$$
按照第一种方法,可以列出所有的置换和它们的符号,然后将它们的结果相加:
$$
\begin
&\begin
1 & 2 & 3 & 4 \\
2 & 3 & 4 & 5 \\
3 & 4 & 5 & 6 \\
4 & 5 & 6 & 7
\end \\
=& (1\times 3\times 5\times 7 + 1\times 4\times 6\times 2 + 1\times 5\times 2\times 4 \\
&- 2\times 4\times 5\times 7 - 2\times 3\times 6\times 4 - 2\times 5\times 1\times 3 \\
&- 3\times 4\times 2\times 7 - 3\times 5\times 1\times 6 - 3\times 6\times 4\times 2 \\
&+ 4\times 5\times 1\times 7 + 4\times 3\times 6\times 5 + 4\times 2\times 3\times 6 \\
&+ 5\times 6\times 1\times 4 + 5\times 4\times 2\times 7 + 5\times 3\times 7\times 6 \\
&- 6\times 4\times 1\times 5 - 6\times 2\times 7\times 3 - 6\times 5\times 3\times 1 \\
&- 7\times 4\times 2\times 3 - 7\times 3\times 5\times 1 - 7\times 6\times 1\times 4) \\
=& 0
\end
$$
按照第二种方法,可以先对第一行进行展开,得到:
$$
\begin
&\begin
1 & 2 & 3 & 4 \\
2 & 3 & 4 & 5 \\
3 & 4 & 5 & 6 \\
4 & 5 & 6 & 7
\end \\
=& 1\times
\begin
3 & 4 & 5 \\
4 & 5 & 6 \\
5 & 6 & 7
\end
- 2\times
\begin
2 & 4 & 5 \\
3 & 5 & 6 \\
4 & 6 & 7
\end
+ 3\times
\begin
2 & 3 & 5 \\
3 & 4 & 6 \\
4 & 5 & 7
\end
- 4\times
\begin
2 & 3 & 4 \\
3 & 4 & 5 \\
4 & 5 & 6
\end
\end
$$
然后对每个三阶行列式进行展开,得到:
$$
\begin
&\begin
3 & 4 & 5 \\
4 & 5 & 6 \\
5 & 6 & 7
\end = 3\times
\begin
5 & 6 \\
6 & 7
\end
- 4\times
\begin
4 & 6 \\
5 & 7
\end
+ 5\times
\begin
4 & 5 \\
5 & 6
\end
= 6 \\
&\begin
2 & 4 & 5 \\
3 & 5 & 6 \\
4 & 6 & 7
\end = 2\times
\begin
5 & 6 \\
6 & 7
\end
- 4\times
\begin
3 & 6 \\
4 & 7
\end
+ 5\times
\begin
3 & 5 \\
4 & 6
\end
= -6 \\
&\begin
2 & 3 & 5 \\
3 & 4 & 6 \\
4 & 5 & 7
\end = 2\times
\begin
4 & 6 \\
5 & 7
\end
- 3\times
\begin
3 & 6 \\
5 & 7
\end
+ 5\times
\begin
3 & 4 \\
5 & 6
\end
= 0 \\
&\begin
2 & 3 & 4 \\
3 & 4 & 5 \\
4 & 5 & 6
\end = 2\times
\begin
4 & 5 \\
5 & 6
\end
- 3\times
\begin
3 & 5 \\
4 & 6
\end
+ 4\times
\begin
3 & 4 \\
4 & 5
\end
= 0 \\
\end
$$
将这些结果代入到原式中,得到:
$$
\begin
&\begin
1 & 2 & 3 & 4 \\
2 & 3 & 4 & 5 \\
3 & 4 & 5 & 6 \\
4 & 5 & 6 & 7
\end \\
=& 1\times 6 - 2\times (-6) + 3\times 0 - 4\times 0 \\
=& 0
\end
$$
因此,该四阶行列式的值为0。
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