1. 伴随矩阵的基础:定义(代数余子式的转置)、基本恒等式 与 ★★ 必会
伴随矩阵 是线性代数中绕不开的基本工具,而它的定义中有一步最容易出错,就是转置。下面先给出定义与三条基本公式,后面一切有关伴随矩阵的问题都由它们导出。
① 定义:先算代数余子式,再转置. 设 为 阶方阵, 是元素 的代数余子式( 为对应的余子式)。把全体代数余子式排成矩阵 后再取转置,才得到伴随矩阵:
必须注意: 的 元是 (下标要反过来写),而不是 ,也就是说它的第 行由第 *列*元素的代数余子式构成。这一步转置是本章最容易失分的地方。
② 二阶的速算法:主对角对换、副对角变号. 对 ,按定义可直接写出
即主对角元 互换位置,副对角元 就地添上负号。二阶的伴随矩阵按此可以直接写出,应当熟记(读者可自行验证 )。
③ 基本恒等式(其余公式都由它导出). 对任意 阶方阵(不必可逆)恒成立
④ 两条直接推论. 其一,当 时,把 两边除以 ,即得求逆公式
这就是用伴随矩阵求逆的根据。其二,对 两边取行列式,得 ;当 时约去一个 便得 (此式在 时也成立,但须单独证明,见本页其他条目)。
① 定义:先算代数余子式,再转置. 设 为 阶方阵, 是元素 的代数余子式( 为对应的余子式)。把全体代数余子式排成矩阵 后再取转置,才得到伴随矩阵:
必须注意: 的 元是 (下标要反过来写),而不是 ,也就是说它的第 行由第 *列*元素的代数余子式构成。这一步转置是本章最容易失分的地方。
② 二阶的速算法:主对角对换、副对角变号. 对 ,按定义可直接写出
即主对角元 互换位置,副对角元 就地添上负号。二阶的伴随矩阵按此可以直接写出,应当熟记(读者可自行验证 )。
③ 基本恒等式(其余公式都由它导出). 对任意 阶方阵(不必可逆)恒成立
④ 两条直接推论. 其一,当 时,把 两边除以 ,即得求逆公式
这就是用伴随矩阵求逆的根据。其二,对 两边取行列式,得 ;当 时约去一个 便得 (此式在 时也成立,但须单独证明,见本页其他条目)。
证明 / 推导
基本恒等式 的根据,是行列式的按行展开公式与某行元素同另一行元素的代数余子式乘积之和为零这两条事实。两者可以合写成一个求和式:这个求和式何以成立. 当 时, 恰是行列式按第 行的展开;当 时, 是第 行的元素配上第 行的代数余子式,它等于把 的第 行替换成第 行的副本后所得矩阵的行列式,而这个矩阵有两行完全相同(都是第 行),因此行列式为 。
由此推出 . 因为 的 元是 (这里又用到转置),按矩阵乘法, 的 元为
这恰是 的 元,所以 。
同理可得 . 改用按列展开的形式 ,即得 。合并两式,便有 。
举例说明
例(2013 年数一·填空题). 设 是 阶非零矩阵, 为 的代数余子式。若 ,求 。解. 条件即 ,就是说每个代数余子式都等于对应元素的相反数。利用定义中 的 元是 这一点,把它写成矩阵等式:
两边取行列式(阶数 ):左边用推论 ,右边用 ,得
于是 ,即 ,所以 或 。
排除 . 因为 是非零矩阵,必有某一行不全为零,设它是第 行。把 按第 行展开,并代入 ,得
因此 。综上所述,。
注. 本题主要用到定义中的转置 ,这一步必须用准,再配合推论 与按行展开。这三点都是本节反复强调的基本内容。