高代 | 行列式 | 升阶法 | 拆分法与递推法

(天津大学,2021; 兰州大学,2021;南昌大学,2021; 南方科技大学,2021; 华南师范大学,2021; 东北大学,2021; 上海财经大学,2021; 西南财经大学,2020; 安徽大学,2020; 西北大学,2020; 华中科技大学,2020)计算行列式
{ D_{n}=\left|\begin{array}{ccccc} a_{1}+x_{1} & a_{2} & a_{3} & \cdots & a_{n} \\ a_{1} & a_{2}+x_{2} & a_{3} & \cdots & a_{n} \\ a_{1} & a_{2} & a_{3}+x_{3} & \cdots & a_{n} \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{1} & a_{2} & a_{3} & \cdots & a_{n}+x_{n} \end{array}\right| . }

solution
利用升阶法,有
{ D_{n}=\left|\begin{array}{cccccc} 1 & a_{1} & a_{2} & a_{3} & \cdots & a_{n} \\ 0 & a_{1}+x_{1} & a_{2} & a_{3} & \cdots & a_{n} \\ 0 & a_{1} & a_{2}+x_{2} & a_{3} & \cdots & a_{n} \\ 0 & a_{1} & a_{2} & a_{3}+x_{3} & \cdots & a_{n} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\ 0 & a_{1} & a_{2} & a_{3} & \cdots & a_{n}+x_{n} \end{array}\right|=\left|\begin{array}{cccccc} 1 & a_{1} & a_{2} & a_{3} & \cdots & a_{n} \\ -1 & x_{1} & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ -1 & 0 & x_{2} & 0 & \cdots & 0 \\ -1 & 0 & 0 & x_{3} & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\ -1 & 0 & 0 & 0 & \cdots & x_{n} \end{array}\right| . }
{x_{1} x_{2} \cdots x_{n} \neq 0} 时,依次将上述行列式的第 {i(i=2,3,\cdots,n+1)} 列的 {\dfrac{1}{x_{i}}} 倍加到第一列,就有
{ D_{n}=\left|\begin{array}{cccccc} 1+\sum\limits_{i=1}^{n} \dfrac{a_{i}}{x_{i}} & a_{1} & a_{2} & a_{3} & \cdots & a_{n} \\ 0 & x_{1} & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & 0 & x_{2} & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & 0 & 0 & x_{3} & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \cdots & x_{n} \end{array}\right|=\left(1+\sum_{i=1}^{n} \frac{a_{i}}{x_{i}}\right) \prod_{j=1}^{n} x_{j}=\prod_{j=1}^{n} x_{j}+\sum_{i=1}^{n}\left(a_{i} \prod_{j \neq i} x_{j}\right) . }
另外,根据行列式的运算规则可知 {D_{n}} 是关于 {x_{1},x_{2},\cdots,x_{n}} 的多项式,而上式右端也为 {x_{1},x_{2},\cdots,x_{n}} 的多项式,它 们在 {x_{1} x_{2} \cdots x_{n} \neq 0} 的时候相等,自然在 {x_{1} x_{2} \cdots x_{n}=0} 的时候也相等.即对任意的 {x_{1},x_{2},\cdots,x_{n}},均有
{ D_{n}=\prod_{j=1}^{n} x_{j}+\sum_{i=1}^{n}\left(a_{i} \prod_{j \neq i} x_{j}\right) .}

(华东理工大学,2021)求行列式
D_{n}=\left|\begin{array}{ccccc} 1 & 2 & \cdots & n-1 & n+x \\ 1 & 2 & \cdots & n-1+x & n \\ \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\ 1 & 2+x & \cdots & n-1 & n \\ 1+x & 2 & \cdots & n-1 & n \end{array}\right| .

solution
{x=0} 时,显然 {D_{1}=1},且 {D_{n}=0(n \geqslant 2)}.当 {x \neq 0} 时,利用升阶法,有
D_{n}=\left|\begin{array}{cccccc} 1 & 1 & 2 & \cdots & n-1 & n \\ 0 & 1 & 2 & \cdots & n-1 & n+x \\ 0 & 1 & 2 & \cdots & n-1+x & n \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\ 0 & 1 & 2+x & \cdots & n-1 & n \\ 0 & 1+x & 2 & \cdots & n-1 & n \end{array}\right|=\left|\begin{array}{cccccc} 1 & 1 & 2 & \cdots & n-1 & n \\ -1 & 0 & 0 & \cdots & 0 & x \\ -1 & 0 & 0 & \cdots & x & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\ -1 & 0 & x & \cdots & 0 & 0 \\ -1 & x & 0 & \cdots & 0 & 0 \end{array}\right| .

将上述行列式的第 {i(i=2,3,\cdots,n+1)} 列的 {\frac{1}{x}} 倍加到第一列,就有
D_{n}=\left|\begin{array}{cccccc} 1+\dfrac{n(n+1)}{2 x} & 1 & 2 & \cdots & n-1 & n \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & 0 & x \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & x & 0 \\ \vdots& \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & x & \cdots & 0 & 0 \\ 0 & x & 0 & \cdots & 0 & 0 \end{array}\right|=(-1)^{\frac{n(n-1)}{2}}\left[x+\frac{n(n+1)}{2}\right] x^{n-1}

明显上式右端的结果对 {x=0} 也成立.

拆分法与递推法

(北京工业大学,2021; 山东师范大学,2021)计算 n 阶行列式
D_{n}=\left|\begin{array}{cccccc} x & a & a & \cdots & a & a \\ -a & x & a & \cdots & a & a \\ -a & -a & x & \cdots & a & a \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\ -a & -a & -a & \cdots & x & a \\ -a & -a & -a & \cdots & -a & x \end{array}\right|

solution
a=0 时,显然有 D_{n}=x^{n}.当 a \neq 0 时,将 D_{n} 按照第一列拆为两个行列式,有
\begin{aligned} D_{n} & =\left|\begin{array}{cccccc} x+a & a & a & \cdots & a & a \\ 0 & x & a & \cdots & a & a \\ 0 & -a & x & \cdots & a & a \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\ 0 & -a & -a & \cdots & x & a \\ 0 & -a & -a & \cdots & -a & x \end{array}\right|+\left|\begin{array}{cccccc} -a & a & a & \cdots & a & a \\ -a & x & a & \cdots & a & a \\ -a & -a & x & \cdots & a & a \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\ -a & -a & -a & \cdots & x & a \\ -a & -a & -a & \cdots & -a & x \end{array}\right| \\ & =(x+a) D_{n-1}+\left|\begin{array}{ccccccc} -a & 0 & 0 & \cdots & 0 & 0 & \\ -a & x-a & 0 & \cdots & 0 & 0 \\ -a & -2 a & x-a & \cdots & 0 & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\ -a & -2 a & -2 a & \cdots & x-a & 0 \\ -a & -2 a & -2 a & \cdots & -2 a & x-a \end{array}\right| \\ & =(x+a) D_{n-1}-a(x-a)^{n-1} . \end{aligned}
那么根据对称性,还有 D_{n}=(x-a) D_{n-1}+a(x+a)^{n-1},进而
\left\{\begin{array}{l} (x-a) D_{n}=(x-a)(x+a) D_{n-1}-a(x-a)^{n} \\ (x+a) D_{n}=(x-a)(x+a) D_{n-1}+a(x+a)^{n} \end{array}\right.

上述两式相减可得
D_{n}=\frac{(x+a)^{n}+(x-a)^{n}}{2} .
显然上式对 a=0 也成立.

(华南师范大学,2020)计算 n 阶行列式
D_{n}=\left|\begin{array}{ccccc} \sqrt{5} & 1 & & & \\ 1 & \sqrt{5} & 1 & & \\ & 1 & \ddots & \ddots & \\ & & \ddots & \sqrt{5} & 1 \\ & & & 1 & \sqrt{5} \end{array}\right| .

solution
D_{n} 按照第一列展开,可知
D_{n}=\sqrt{5} D_{n-1}-D_{n-2} .\quad (1)
设方程 x^{2}-\sqrt{5} x+1=0 的两个根为
\alpha=\frac{\sqrt{5}-1}{2},\beta=\frac{\sqrt{5}+1}{2} .
则由韦达定理可知 \alpha+\beta=\sqrt{5},\alpha \beta=1,所以(1)式等价于
D_{n}=(\alpha+\beta) D_{n-1}-\alpha \beta D_{n-2} .
变形就有
D _ { n } - \alpha D _ { n - 1 } = \beta ( D _ { n - 1 } - \alpha D _ { n - 2 } ) ;\quad (2)
D _ { n } - \beta D _ { n - 1 } = \alpha ( D _ { n - 1 } - \beta D _ { n - 2 } ) .\quad (3)
注意到
D_{1}=\sqrt{5}=\alpha+\beta

\begin{aligned}D_{2}&=\left|\begin{array}{cc}\sqrt{5} & 1 \\ 1 & \sqrt{5}\end{array}\right|\\&=5-1\\&=(\alpha+\beta)^{2}-\alpha \beta\\&=\alpha^{2}+\alpha \beta+\beta^{2}\end{aligned}
于是
D_{2}-\alpha D_{1}=\beta^{2},D_{2}-\beta D_{1}=\alpha^{2} .
从而结合(2)(3)式可知
D_{n}-\alpha D_{n-1}=\beta\left(D_{n-1}-\alpha D_{n-2}\right)=\cdots=\beta^{n-2}\left(D_{2}-\alpha D_{1}\right)=\beta^{n} \quad (4)
D_{n}-\beta D_{n-1}=\alpha\left(D_{n-1}-\beta D_{n-2}\right)=\cdots=\alpha^{n-2}\left(D_{2}-\beta D_{1}\right)=\alpha^{n} \quad (5)
那么(4)式乘以 \beta 与(5)式乘以 \alpha 相减可得
D_{n}=\frac{\beta^{n+1}-\alpha^{n+1}}{\beta-\alpha}=\left(\frac{\sqrt{5}+1}{2}\right)^{n+1}-\left(\frac{\sqrt{5}-1}{2}\right)^{n+1} .

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
平台声明:文章内容(如有图片或视频亦包括在内)由作者上传并发布,文章内容仅代表作者本人观点,简书系信息发布平台,仅提供信息存储服务。

推荐阅读更多精彩内容

  • 行列式是关于方阵的函数,方阵可以对应于算子,所以,行列式就是关于算子的函数。行列式为零代表算子不可逆,奇异,退化。...
    Obj_Arr阅读 1,667评论 1 10
  • 本章主要介绍n阶行列式的定义、性质及其计算方法。此外还要介绍用n阶行列式求解n元线性方程组的克拉默(Cramer)...
    勇于自信阅读 6,345评论 0 2
  • 矩阵是可逆的,当且仅当它的行列式非零。 考虑。的第二行和第三行都乘以,然后再分别减去第一行适当的倍数,则行等价于下...
    mHubery阅读 2,253评论 1 1
  • 1、概念: 只有方阵才有 ,是方阵的一个属性,记作: 或写成 ,描述的是一个向量组的 ,矩阵的行列式计算结果是一...
    Norahd阅读 2,418评论 0 2
  • 行列式及其性质 前面的章节已经学习了大量关于矩阵的知识,现在我们来集中探讨一下方阵的性质,其中行列式和特征值是重中...
    AlbertLiDesign阅读 2,280评论 0 1