一、二階矩陣的逆矩陣
$A^{-1}$的公式:$\left[\begin{array}{ll}{a} & {b} \\ {c} & {d}\end{array}\right]^{-1}=\frac{1}{a d-b c}\left[\begin{array}{rr}{d} & {-b} \\ {-c} & {a}\end{array}\right]$
在上面的例子中,我們知道$\frac{1}{a d-b c}$其實就是$\frac{1}{det A}$,而$\left[\begin{array}{rr}{d} & {-b} \\ {-c} & {a}\end{array}\right]$正好是每個元素的代數余子式組成的矩陣,然后進行了轉置,事實上對於$n*n$矩陣:
$A^{-1}=\frac{1}{\operatorname{det} A} C^{T}$
其中$C$是代數余子式矩陣(注意到轉置符號),$A$第一行的代數余子式,對應$A^{-1}$中的第一列
通過上面的公式計算逆矩陣,$A$的行列式需要將$n$項和對應的$n-1$矩陣對應的代數余子式相乘,相比這種方法,使用高斯-約爾當消元法求的逆矩陣更為簡單。
二、證明上面的逆矩陣計算公式
我們只需要驗證$AC^T=(det A)I$即可
$A C^{T}=\left[\begin{array}{ccc}{a_{11}} & {\cdots} & {a_{1 n}} \\ {\vdots} & {\ddots} & {\vdots} \\ {a_{n 1}} & {\cdots} & {a_{n n}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}{C_{11}} & {\cdots} & {C_{n 1}} \\ {\vdots} & {\ddots} & {\vdots} \\ {C_{1 n}} & {\cdots} & {C_{n n}}\end{array}\right]$
通過乘法得到的矩陣的第一行第一列的元素是:
$\sum_{j=1}^{n} a_{1 j} C_{j 1}=\operatorname{det} A$
$AC^T$對角線上的每個元素都是上面計算得到的結果。現在我們需要驗證$AC^T$對角線以外的元素都是0
在二乘二的矩陣中,$A$的第一行乘$C^T$的第二列:$a(-b) + b(-a) = 0$,在高維矩陣中,$A$的第一行與$C^T$第二列的乘積可以看作是第一行第二行相同的矩陣(奇異矩陣)的行列式,故乘積為零。(比較繞口:根據行列式計算方法-某行元素分別與各自代數余子式相乘,然后加和。那么我們想象一下:$A$的第一行與$C^T$第二列的乘積可以看作是哪個矩陣的行列式呢?這個矩陣就是第一行和第二行相同的矩陣,其行列式為零)對於$AC^T$對角線以外的其他元素,道理相似,均為0,所以上面的計算逆矩陣公式得以驗證
通過上面的逆矩陣計算式子,可以了解當矩陣變化時,逆矩陣會如何變化
三、克拉默法則(關於$x=A^{-1}b$)
如果$A$是非奇異矩陣時,如果$Ax=b$,則$x=A^{-1}b$,結合$A^{-1}=\frac{1}{\operatorname{det} A} C^{T}$,則
$x=\frac{1}{\operatorname{det} A} C^{T}b$
克拉默(Crammer's rule)法則提供了一種分解上述等式的方式。為了得到克拉默法則,將$x$的每個部分進行單獨分析,因為$C^Tb$的第$i$部分是一組代數余子式和數字乘積之和,也可以看作是矩陣$B_j$的行列式,則有:
$x_{j}=\frac{\operatorname{det} B_{j}}{\operatorname{det} A}$
$B_j$是矩陣$A$中的第$j$列替換為$b$得到的:
但是需要記住的是,使用克拉默法則計算並沒有使用消元法效率高。
四、行列式求體積
1)$|det A|$=盒子的體積
$|det A|$是由$A$的列向量組成的平行六面體盒子的體積。(也可以用行向量組成不同的盒子,但是體積是相同的。
如果$A=I$,則盒子是單位立方體,其體積為$1$,與行列式性質一相同
如果$A=Q$,且是正交矩陣,則盒子是一個不同方向的單位立方體,體積為 $1=|det Q|$,因為正交,所以$Q^TQ=I$,根據行列式性質9和10,$\operatorname{det} Q=\pm 1$
交換$A$的兩列,並不會改變盒子的體積(因為$det A = det A^T$,交換兩列后行列式只是符號變化,絕對值不變)
2)知道盒子邊角坐標,求面積
如由$\left[\begin{array}{l}{a} \\ {b}\end{array}\right]$和$\left[\begin{array}{l}{c} \\ {d}\end{array}\right]$組成的平行四邊行面積為:$ad-bc$
由$\left[\begin{array}{l}{a} \\ {b}\end{array}\right]$和$\left[\begin{array}{l}{c} \\ {d}\end{array}\right]$組成的三角形的面積為平行四邊形的一半:$\frac{1}{2}(ad-bc)$
另外,由$(x_1, y_1), (x_2, y_2),(x_13 y_3)$構成的三角形的面積是:
$\frac{1}{2}\left|\begin{array}{lll}{x_{1}} & {y_{1}} & {1} \\ {x_{2}} & {y_{2}} & {1} \\ {x_{3}} & {y_{3}} & {1}\end{array}\right|$