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我們知道二階行列式的計算公式為
,
那麼 階分塊矩陣的行列式 是否也有相同的公式?在一般情況下,對應的分塊矩陣的行列式公式並不存在,但如果 和 滿足某些特定條件,則有簡明的計算公式。
我們先回顧行列式的標準公式──排列公式 (或稱萊布尼茲公式,見“行列式的運算公式與性質”):若 為一個 階矩陣,
,
其中 表示自然排序 的排列 (permutation), 若 經過偶數次換位 (transposition,即交換兩元位置) 可得自然排序, 若 經過奇數次換位可得自然排序。例如,若 ,換位過程如下:
從 經過三次換位得到自然排序 ,可知 。本文介紹一些常見的分塊矩陣的行列式公式,並使用排列公式、行列式基本性質,以及分塊矩陣乘法運算推導證明。
公式一:若 和 是方陣 (但大小可以相異),則
。
公式一表明分塊上三角矩陣的行列式等於主對角分塊行列式之積。因為轉置不改變行列式,分塊下三角矩陣的行列式也等於主對角分塊行列式之積。底下公式二至五其實都是公式一的必然結果。我們先考慮一個特殊的分塊型態 ,其中 是 階矩陣。根據排列公式,
。
因為 是分塊對角矩陣且包含 ,
令 且 。所以,
即 。同樣道理,。對於一般的分塊對角矩陣,
,
利用上面結果和行列式可乘公式 (見“矩陣乘積行列式公式的代數證法”),得知分塊對角矩陣的行列式等於主對角分塊行列式之積:
。
接著我介紹一個採用 QR 分解的證明方法。寫出 QR 分解, 和 ,其中 和 是正交矩陣 (,), 和 是上三角矩陣 (見“線代膠囊──QR 分解”)。據此, 的 QR 分解為
。
上三角矩陣的行列式等於主對角元之積,故可推得
公式二:設 和 是方陣。若 是可逆的,則
;
若 是可逆的,則
。
我們仍然使用分塊矩陣乘法來推導。若 是可逆的,則
。
使用公式一,
運用相同方法亦可證明第二個公式。
公式三:設 是 階矩陣。若 其中之一是零矩陣,則
。
若 或 ,則 ,使用公式一即得證。若 ,執行 次列交換,
。
若 ,運用相同方法即可證明所求。
公式四:設 是 階矩陣。若 ,則
;
若 ,則
;
若 ,則
;
若 ,則
。
注意,縱使前提滿足, 未必等於 ,同樣地, 也未必等於 。下面解說第一個公式的證明,運用同樣方法也可以證明其他公式。分開兩部分討論。若 是可逆的,使用公式二,
若 是不可逆的,我們利用連續論證法來證明。根據矩陣的特徵值性質,存在一正數 使得對於 , 是可逆矩陣 (見“連續論證法”)。因為 ,套用前面結果,
。
令 ,即證得所求。
下列行列式算式是公式四的立即推論:
公式五:若 和 是 階矩陣,則
。
考慮分塊矩陣乘法
。
等號兩邊取行列式,利用公式一即得證。
我觉得在公式一中考虑的那个特殊分块形态,因为右下角是单位矩阵,所以可以从最底下一行按行展开,只有Mnn是1,其他元素都是零,这样展开成低一阶的行列式,最底下一行还是只有最右边一个元素是1,其他都是0,继续展开,展到只剩Ar为止,这样很简明的看出|M|=|Ar|。
使用餘因子公式 (或稱 Laplace 公式) 推理確實比排列公式更直覺。
老師您好:
我對於公式一的證明有些疑惑。在最後一步,老師使用了QR分解來幫助證明原式,但是QR分解成立的前提不是要A和D皆為行滿秩(對方陣而言就是可逆)?如此一來,究竟是公式一該加入A和D須可逆的條件,還是在證明過程中須另外討論A或D不可逆的情形呢?盼老師或其他高人指點,謝謝。
A,D如果不满秩话,和左下角的O组合可以使得行列式为0,所以也是对的。希望没有说错。
是这样的,没错