如何计算n阶行列式(全排列,逆序数及行列式的定义)

二阶行列式可以通过对角线法则来记忆:

三阶行列式也可以通过对角线法则来记忆:

而四阶行列式就复杂很多,展开是这样的

它并不能按照对角线法则来记忆,遵循的运算法则是行列式的定义。

1 定义


对于,其行列式定义为:

其中是数字表示对“”的所有”求和。

在定义中,最重要的就是下面这个式子。其中,左边(绿色)部分是行列式的几种表示方法,右边(蓝色)部分是行列式的计算法则

在计算法则

是行列式中的元素,是由所决定的实数。

这样,就表示,顺序在每一行中取一个元素,然后将它们乘起来。而表示,这一项的系数可能是,也可能是。将连加式展开可得

为了计算这个连加式,我们要解决如下三个问题

  • 每一项的元素如何取
  • 每一项到底是正的还是负的
  • 总共有多少项

2 每一项的元素如何取

我们先来看第一个问题每一项的元素如何取。

中,下标第一个位置是顺序排列的。而是数字的全排列。

将数字不遗漏,不重复的排列在一起,称为数字的一个全排列

为例,下面中几组排列,都是的全排列。

每一个全排列就对应一组,如对应的就是

对应的项就是:

3 每一项是正还是负

下面我们来看,系数是还是

很明显,系数是还是由幂指数决定,而是被称为全排列的逆序数。

以相邻对换的方式,将全排列变为顺序排列,所用的交换次数,就称为逆序数

以全排列为例,它的逆序数为3。具体计算过程是:

3.1 第一轮比较

先以前两个位置为一组进行比较,可以看到,前面的数字比后面的数字大,因此需要进行对换,此时对换次数为1

接着比较第二和第三个位置,因为前面的数字比后面的数字小,因此,不需要对换

然后比较第三和第四个位置,同样因为前面的数字比后面的数字小,因此,不需要对换

最后比较第四和第五个位置,因为前面的数字比后面的数字大,所以需要进行对换,此时对换次数为2

这样,第一轮比较就结束了。

3.2 第二轮比较

第一轮比较后,还没能将排列变为顺序排列,因此需要第二轮比较。第二轮按照相同的规则进行。当比较到第三和第四个位置时,发现需要进行对换,此时对换次数为3

经过这次对换后,排列变成了顺序排列。因此全排列的逆序数为,所以

这样,这一项的系数就为

4 总共有多少项

最后,我们来看,总共有多少项

这里的项数其实就是全排列的个数。由排列组合的知识,我们知道,的全排列总共有个,因此阶行列式的展开式就有项。

以三阶行列式为例,的全排列总共有

因此三阶行列式可以展开为:

和前面对角线法则得到的结果对比一下,可以看到六项是一样的

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