置換 による行列式 の定義
Defining the determinant by permutations 置換 ちかん
1導入 どうにゅう
この
の
1Introduction
The key idea is to define the
2用語 ようご と定義 ていぎ
2.1置換 ちかん permutation
たとえば のとき、
は
のすべての
2.2反転数 はんてんすう inversion number と符号 ふごう sign
で
2.3置換 ちかん permutation による行列式 ぎょうれつしき determinant の定義 ていぎ
を
で
この
2Terms and definitions
A
An
For an matrix , define
Each term chooses one entry from each row and one entry from each column.
3方針 ほうしん
この
単位行列 たんいぎょうれつ identity matrix では である。行列式 は行列式 ぎょうれつしき 各行 かくぎょう または各列 かくれつ について線型 せんけい linear である。- 2
本 ほん の行 ぎょう row または列 れつ column を交換 こうかん すると符号 ふごう sign が反転 はんてん する。 - 2
本 ほん の行 ぎょう row または列 れつ column が等 ひと しいと行列式 ぎょうれつしき determinant は 0 である。 - この 3
原理 げんり 、すなわち多重線型性 たじゅうせんけいせい multilinearity ・交代性 こうたいせい alternation ・ は、行列式 ぎょうれつしき determinant を一意 いちい に決定 けってい する。
3Plan
We first take the permutation formula as the definition. Then we prove the main properties: normalization, multilinearity, sign change under row or column swaps, vanishing when two rows or columns coincide, uniqueness from these principles, triangular formulas, and multiplicativity.
4直感的 ちょっかんてき な説明 せつめい
では、
4Intuitive explanation
Each determinant term chooses one entry from each row and each column. The permutation makes the no-repetition rule explicit. The sign records whether the chosen column order is an even or odd reordering of the standard order.
For a matrix there are only two choices. The identity choice gives , and the swapped choice gives with negative sign, producing .
5厳密 げんみつ な説明 せつめい
5.11. の公式 こうしき が戻 もど る
とする。 の
したがって
である。
5.22. 単位行列 たんいぎょうれつ identity matrix の行列式 ぎょうれつしき determinant
したがって
である。
5.33. 多重線型性 たじゅうせんけいせい multilinearity
となる。したがって
また
5.44. 行交換 ぎょうこうかん row swap で符号 ふごう sign が反転 はんてん する
を
の
である。 が
である。
5.55. 2 本 ほん の行 ぎょう row が等 ひと しいと 0 になる
2
したがって
である。
5.66. 特徴 とくちょう づけの定理 ていり
の
と
の
したがって
である。ここで、
である。これで
5.77. 三角行列 さんかくぎょうれつ triangular matrix の行列式 ぎょうれつしき determinant
が
が
である。すべての で
したがって
である。
5.88. 積 せき の公式 こうしき
である。
を
また の 2
である。
すなわち である。
この
となり、 が
5Precise explanation
The formula recovers the determinant because the two permutations of give and with opposite signs.
The identity matrix has determinant , since only the identity permutation contributes a nonzero term.
The determinant is multilinear in rows and columns because each term contains exactly one factor from each row and each column. Swapping two rows or columns changes the permutation sign, so the determinant changes sign. If two rows or columns are equal, the swap leaves the matrix unchanged but also changes the sign of the determinant, forcing the determinant to be zero over the real or complex numbers.
The permutation formula is also the unique function that is multilinear, alternating, and normalized by . Expanding each row in the standard basis leaves only terms indexed by permutations, and the alternating property supplies the sign.
For triangular matrices, only the identity permutation can contribute a nonzero term, so the determinant is the product of the diagonal entries. The multiplicative formula
follows by applying the uniqueness characterization to the function .
6具体例 ぐたいれい
を
である。ここへ
となる。
この
6Worked example
For
the six permutation terms give
The point is not to memorize six terms mechanically; each term corresponds to one permutation choice.
7別 べつ の見方 みかた
7.1代数的 だいすうてき な見方 みかた
7.2幾何的 きかてき な見方 みかた
7.3計算 けいさん としての見方 みかた
7Other viewpoints
Algebraically, the permutation formula gives a complete componentwise definition. Geometrically, the sign records oriented volume. Computationally, the formula is usually not efficient for large matrices because it has terms; row reduction and cofactor expansion are usually better for calculation.
data/lecture/math/linear-algebra/determinant-computation-rules.lecture.n.md data/lecture/math/linear-algebra/cofactor-expansion-and-invertibility.lecture.n.md8見分 みわ け方 かた
行列式 の行列式 ぎょうれつしき 性質 せいしつ を証明 しょうめい したいときは、多重線型性 たじゅうせんけいせい multilinearity ・交代性 こうたいせい alternation ・ の 3条件 じょうけん から攻 せ める。行列式 の行列式 ぎょうれつしき 公式 こうしき そのものの根拠 こんきょ を確認 かくにん したいときは、置換 ちかん permutation の定義 ていぎ へ戻 もど る。具体的 ぐたいてき な数値計算 すうちけいさん では、項 こう を直接 ちょくせつ 展開 てんかい するより、零 れい の多 おお い行 ぎょう row ・列 れつ column での余因子展開 よいんしてんかい cofactor expansion 、または行基本変形 ぎょうきほんへんけい elementary row operation を選 えら ぶ。
8How to recognize when to use this
Use the permutation definition when proving determinant properties or checking where the signs come from. For numerical computation, use cofactor expansion or row operations unless the matrix is very small.
9どこまで成立 せいりつ するか
この
また、この
9Scope
Here the entries are real or complex numbers and the matrix is square. Rectangular matrices do not have this determinant because the permutation choice requires the same number of rows and columns. More general number systems are not needed at this point in the linear algebra sequence.
10最終形 さいしゅうけい
10Final forms
11一言 ひとこと でいうと
置換 ちかん permutation は、行列式 ぎょうれつしき determinant の各項 かくこう で「各行 かくぎょう ・各列 かくれつ から 1個 こ ずつ選 えら ぶ」ことを記録 きろく する。符号 ふごう sign は、その選択 せんたく が向 む きorientation を保 たも つか反転 はんてん するかを記録 きろく する。- この
定義 ていぎ から、多重線型性 たじゅうせんけいせい multilinearity 、交代性 こうたいせい alternation 、計算規則 けいさんきそく 、積 せき の公式 こうしき が導 みちび かれる。
12演習 えんしゅう リンク
data/exercise/math/linear-algebra/determinants-and-invertibility.exercise.n.md
11In one sentence
- A permutation records one entry chosen from each row and column.
- Its sign records orientation.
- The determinant rules follow from this signed sum.