行列式的線性性質(僅限于單一行的加法拆分)

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行列式的線性性質(加法拆分)

這個性質說的是:如果行列式的某一行(或某一列)的所有元素都可以表示為兩個數的和,那么這個行列式可以拆分成兩個行列式的和。


數學表述

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如何理解這個性質?

1. 從行列式的定義出發

行列式的定義是基于排列的求和:

det ? ( A ) = ∑ σ ∈ S n sgn ( σ ) ∏ k = 1 n a k , σ ( k ) \det(A) = \sum_{\sigma \in S_n} \text{sgn}(\sigma) \prod_{k=1}^n a_{k,\sigma(k)} det(A)=σSn??sgn(σ)k=1n?ak,σ(k)?

如果某一行(如第 i i i 行)的元素可以寫成 a i j = b i j + c i j a_{ij} = b_{ij} + c_{ij} aij?=bij?+cij?
那么在計算行列式時,每一項都會包含 b i j b_{ij} bij? c i j c_{ij} cij?,因此可以拆分成兩個行列式的和。


2. 幾何直觀

行列式表示的是矩陣列向量(或行向量)張成的“有向體積”。
如果某一行(列)可以拆分成兩個部分,那么整個體積可以看作是兩部分體積的疊加。

例子(2D 情況)

設行列式:

D = ∣ a b + b ′ c d + d ′ ∣ D = \begin{vmatrix} a & b + b' \\ c & d + d' \end{vmatrix} D= ?ac?b+bd+d? ?

它可以拆分為:

D = ∣ a b c d ∣ + ∣ a b ′ c d ′ ∣ D = \begin{vmatrix} a & b \\ c & d \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} a & b' \\ c & d' \end{vmatrix} D= ?ac?bd? ?+ ?ac?bd? ?

幾何上:

  • 第一個行列式計算的是向量 [ a c ] \begin{bmatrix} a \\ c \end{bmatrix} [ac?] [ b d ] \begin{bmatrix} b \\ d \end{bmatrix} [bd?] 張成的平行四邊形面積。
  • 第二個行列式計算的是向量 [ a c ] \begin{bmatrix} a \\ c \end{bmatrix} [ac?] [ b ′ d ′ ] \begin{bmatrix} b' \\ d' \end{bmatrix} [bd?] 張成的平行四邊形面積。
  • 總和就是兩個平行四邊形面積的疊加。

3. 線性性質的表現

行列式對單一行(列)是線性的,即:
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為什么不能拆多行或多列?

行列式的線性性質 僅適用于單一行(或列) 的拆分。

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總結

  • 性質:如果行列式的某一行(或某一列)的所有元素都可以表示為兩個數的和,則該行列式可以拆分成兩個行列式的和。

  • 原因

    • 從定義看,行列式對單一行(列)是線性的僅適用于單一行(或列) 的拆分。
    • 從幾何看,拆分行(列)相當于將體積拆分為兩部分的和。
  • 限制只能拆單一行或單一列,不能同時拆多行或多列。

這個性質在行列式的計算和證明中非常有用,可以簡化復雜行列式的求解。


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