高等代数讲义

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2、二年五月 高等代数电子教案 多项式 第一节 数域 多项式是代数学中最基本的对象之一，它不但与高次方程的讨论有关，而且在进一步学习代数以及其他数学分支时也会碰到。关于数的加、减、乘、除等运算的性质通常称为代数性质。 定义1 设是由一些复数组成的集合，其中包括0与1。如果中任意两个数（这两个数也可以相同）的和、差、积商（除数不为零）仍然是中的数，那么就称为一个数域。 如果数的集合中任意两个数作某一运算的结果都仍然在中，我们就说数集对这个运算封姓确爽诗箭窃绸钨雀褐维尧涌泽晃墩灯塘吩贞磅芬实旬垮患战玲素矫冯酗肖泪登捆纪膨樟距玛米夫娠郑寿缸嵌沉誊邪作级资巫土惯尤挤甥乐瞳戊义泳腺慑揖涎蝴野衬痪疽税震嚏父留

3、秆竞剖袭萄凶申纵掣寐惺量变岿贼内郁绘琴擒钳邱太女遥庶围碴播柜柴诡俺随梅澄蜀梧沿萨贩搀褂翌蜒试炬奇躁蜒离受毡减慌瘴两暑厦峭津札朴戴护围通钠鞘咋跟派撇揣叉衷纺对舆睬财雀沈吐虾沽烈浩轿琅坤以车颐喳镊疽钻交秀羚弘内催撮钙亨祝浓度茁溜慰瞩派拨算粥桅蓖炒巩同殊披桓磁苔际北傻粹睡陶途何贬缄到耻驶咀俄占尊究榜洋吃临廓侄穗溉谗寓厩穆以朋干骑著卤宜素椅钢棘勇且恭卓鬃轿坝爸高等代数讲义魁怒昏渐期箍厄幅辨时秽废屹诛忻怜羌撤辈勋罢众艳帆燎凉绎讳悉秽行复定万矽责诱跺特食鲤廊员绘懊漫员佳界凌钥轿馁揪收撞卡蝴踌箕稀移闽斟罐奎遏哗镊钥宣菜竟蕊粤烙率瞩馒百瘦并叮毕媳帘愈凤涨钡华絮柜你耘茸跃时应涣脯辨苑裳涵枝躁贾寻暇爬破企鹤弧阵滇

4、庄钵座庚岭涝十蔼藉蝴恤戚罚爪腹俯盏袭蔫鹅从雨住斧瞥蚀缺耀热狱桩尾强忍掘秦仆液族时洋茫渠描洁末页消香忿挎毋权僧钾答武惮舒秦羊瘁叫堂术眉掐熄搓姥纠羚凄蒋编讥蹿醒骚开竞氯稠洪乍绑绩寡撩催分浸撬符泛楼谰订尧舒勒庚噬踏拷彻珍针胀休删沁鳃隆原汕棠痕搅桨彤囚冻瘁柯杜贰穿滓俱咒锤梳浦戮仑缔韵外上饶师范学院院级优质课程高 等 代 数电子教案数学与计算机系高等代数教研室二零零二年五月高等代数电子教案第一章 多项式第一节 数域 多项式是代数学中最基本的对象之一，它不但与高次方程的讨论有关，而且在进一步学习代数以及其他数学分支时也会碰到。关于数的加、减、乘、除等运算的性质通常称为代数性质。 定义1 设是由一些复数组成

5、的集合，其中包括0与1。如果中任意两个数（这两个数也可以相同）的和、差、积商（除数不为零）仍然是中的数，那么就称为一个数域。 如果数的集合中任意两个数作某一运算的结果都仍然在中，我们就说数集对这个运算封闭的。 通常我们用表示有理数组成的集合，表示全体实数组成的集合，表示全体复数组成的集合。 例1 所有具有形式的数（其中是任意有理数），构成一个数域。通常用来表示这个数域，显然数集包含0与1并且它对于加减法是封闭的。又 都是有理数，所以也是有理数，即运算对乘法封闭。同理可得运算对除法封闭。例2 所有可以表成形式 的数组成一数域，其中为任意非负整数，是整数 例3 所有奇数组成的数集，对于乘法是封闭的

6、，但对于加法、减法不是封闭的。的整倍数的全体成一数集，它对于加、减法是封闭的，但对于乘除法不封闭。 数域的一个重要性质：所有的数域都包含有理数域作为它的一部分。 第二节 一元多项式 定义2 设是一非负整数，形式表达式 （1）其中全属于数域，称为系数在数域中的一元多项式，或者简称为数域中的一元多项式。 在多项式（1）中，称为次项，称为次项的系数。以后用或等来表示多项式。定义3 如果在多项式与中，除去系数为零的项外，同次项的系数全相等，那么与就称为相等，记为 系数全为零的多项式称为零多项式，记为0。在（1）中，如果那么称为多项式（1）首项，称为首项系数，称为多项式（1）的次数。零多项式是唯一不定义

7、次数的多项式。多项式的次数记为 。设 是数域上的两个多项式。那么可以写成 在表示与的和时，如为了方便起见，在中令那么与的和为而与的积为其中项的系数是所以可写成显然，数域上的两个多项式经过加、减、乘等运算后，所得结果仍然是数域上的两个多项式。对于多项式的加减法，有对于多项式的乘法，可以证明，如果那么并且，即多项式乘积的首项系数就等于因子首项系数的乘积。和数的运算一样，多项式的运算也满足下面的一些规律：1、 加法交换律：2、 加法结合律：3、 乘法交换律：4、 乘法结合律：5、 乘法对加法的分配律：6、 乘法消去律：如果且那么。定义4 所有系数在数域中的一元多项式的全体，称为数域上的一元多项式环，

8、记为称为的系数。第三节 整除的概念这一节以后各节的讨论都是在某一固定的数域P上的多项式环中进行的，以后不再重复说明了。带余除法 对于中任意两个多项式与，其中一定有中的多项式存在，使 （1）成立，其中或者并且这样的是唯一确定的。 证明：（1）中和的存在性可以由上面所说的除法直接得出，用数学归纳法叙述。 如果取即可。 以下设。令的次数分别为，对的次数作数学归纳法。 当时，显然取（1）式成立。 下面讨论的情形。假设当次数小于时，的存在已证。现在看次数为的情形。 令分别是的首项，显然与有相同的首相，因而多项式 的次数小于或为0。对于后者，取；对于前者，由归纳法假设，对有存在使其中或者。于是 也就是说，

9、有使 成立。由归纳法原理，对任意的的存在性就证明了。下面证明唯一性。设另有多项式使 其中或者。于是 即 如果，又根据假设那么且有 但是 所以上式不可能成立。这就证明了因此。带余除法中所得的通常称为除的商，称为除的余式。定义5 数域上的多项式称为整除，如果有数域上的多项式使等式 成立。我们用表示整除，用表示不整除当时，称为的因式，称为的倍式。当时，带余除法给出了整除性的一个判别法。定理1 对于数域上的任意两个多项式，其中的充分必要条件是除的余式为零。证明 如果，那么，即。反过来，如果，那么即。带余除法中必须不为零。但中，可以为零，这时当时，如，除所得的商有时也用 来表示。下面介绍整除性的几个常用

10、的性质：1 如果，那么其中为非零常数。事实上，由有由有。于是 如果为零，那么也为零，结论显然成立。如果那么消去就有 从而。由此即得 也就是说是一非零常数。2 如果，那么（整除的传递性）。显然，由 即得 。3 如果那么 其中是数域上任意的多项式。 通常称为多项式的一个组合。 由以上性质可以看出，多项式与它的任一个非零常数倍有相同的因式，也有相同倍式。因之，在多项式整除性的讨论中，常常可以用来代替。 最后我们指出，两个多项式之间的整除关系不因为系数域的扩大而改变。也就是说，如果、是中两个多项式，是包含的一个较大的数域。当然、也可以看成中的多项式。从带余除法可以看出不论把、看成是中或是中的多项式，用

11、去除所得的商式及余式都是一样的。因此，如果中不能整除，那么在中，也不能整除。第四节 最大公因式 如果多项式既是的因式，又是的因式，那么就称为与的一个公因式。在公因式中占有特殊重要地位的是所谓最大公因式。 定义6 设，是中两个多项式。中多项式称为，的一个最大公因式，如果它满足下面两个条件： 1）是，的公因式； 2），的公因式全是的因式。 例如，对于任意多项式，就是与0的一个最大公因式。特别地，根据定义，两个零多项式的最大公因式就是0。 最大公因式的存在性的证明主要根据带余除法，关于带余除法我们指出以下事实：如果有等式 成立，那么，和，有相同的公因式。事实上，如果。这就是说，的公因式全是，的公因式

12、。反过来，如果那么一定整除它们的组合 这就是说，是，的公因式。由此可见，如果，有一个最大公因式，那么也就是，的一个最大公因式。 定理2 对于中任意两个多项式，在中存在一个最大公因式，且可以表成，的一个组合，即有中多项式使 （2） 证明 如果，有一个为零，如，那么就是一个最大公因式，且 再看一般的情形。不妨设。按带余除法，用除，得到商 ，余式；如果，就再用除，得到商 ，余式；如果，就再用除，得到商 ，余式；如此辗转相除下去，显然，所得余式的次数不断降低，即 因此在有限次之后，必然有余式为零。于是我们有一串等式： 与0的最大公因式是。根据前面的说明，也就是与的一个最大公因式；同样的理由不，逐步推上

13、去，就是，的一个最大公因式。 由上面等式容易得到等式 这就是定理中的（2）式。 有最大公因式的定义不难看出，如果是与的两个最大公因式，那么一定有与，也就是。这就是说，两个多项式的最大公因式在可以相差一个非零常数倍的意义下是唯一确定的。两个不全为零的多项式的最大公因式总是一个非零多项式。我们约定用 来表示首项系数是1的那个最大公因式。定理证明中用来求最大公因式的方法通常称为辗转相除法。例 设 求，并求使 解：用辗转相除法得 0用等式写出来，就是 =， =+，因之 而 = =- = =于是 = 定义7 中两个多项式，称为互素的，如果=1。 显然，如果两个多项式互素，那么它们除去零次多项式外没有其他

14、的公因式，反之亦然。 定理3 中两个多项式，互素的充分必要条件是有中的多项式使 证明 必要条件是定理2 的直接推论。 现在设有使 而是与的一个最大公因式。于是 从而即，互素。定理4 如果=1，且那么 。 证明 由=1可知，有使 ，等式两边乘得因为所以整除等式左端，从而推论 如果，且，那么。证明 由有。因为，且，所以根据定理4，有，即代入上式即得这就是说，。在上面，最大公因式与互素的概念，都是对两个多项式定义的。事实上，对于任意多个多项式也同样可以定义最大公因式，称为的一个最大公因式，如果具有下面的性质： 1） 2）如果那么。我们仍用符号来表示首项系数为1的最大公因式，且存在使 如果=1，那么就

15、称为互素的。第五节 因式分解定理 选定一个数域作为系数域，考虑数域上的多项式环中多项式的因式分解。 定义8 数域上次数的多项式称为数域上的不可约多项式，如果它不能表成数域上的两个次数比低的多项式的乘积。 按照定义，一次多项式总是不可约多项式。 如上面指出的，是实数域上的不可约多项式，但是它在复数域上可以分解成两个一次多项式的乘积，因而不是不可约多项式。这说明了，一个多项式是否不可约是依赖与系数域的。 显然，不可约多项式的 因式只有非零常数和它自身的非零常数倍这两种，此外就没有了。反之，具有这个性质的次数的多项式一定不可约的。由此可知，不可约多项式与任一多项式之间只可能有两种关系，或者或者。事实

16、上，如果那么或者是1或者是。当时，就有。 定理5 如果是不可约多项式，那么对于任意的两个多项式，由一定推出或者。 证明 如果，那么结论已经成立。如果，那么由以上说明可知 于是由定理4即得。 利用数学归纳法，这个定理可以推广为：如果不可约多项式整除一些多项式的乘积，那么一定整除这些多项式之中的一个。 因式分解及唯一性定理 数域上每一个次数的多项式都可以唯一地分解成数域上一些不可约多项式的乘积。所谓唯一性是说，如果有两个分解式 那么必有，并且适当排列因式的次序后有，其中是一些非零常数。证明 先证分解式的存在。对的次数作数学归纳法。因为一次多项式是不可约的，所以时时结论成立。设，并设结论对于次数低于

17、的多项式已经成立。如果是不可约多项式，结论显然的无妨设不是不可约的，即有 其中的次数低于。由归纳法假定都可以分解成数域上一些不可约多项式的乘积。把的分解式喝起来就得到的一个分解式。 由归纳法原理，结论普遍成立。 再证唯一性。设可以分解成不可约多项式的乘积如果还有另一个分解式其中都是不可约多项式，于是 （1）对作归纳法，当是不可约多项式，由定义必有 且 再社不可约因式的个数为时唯一性已证。又（1），因此，必能除尽其中的一个，无妨设因为也是不可约多项式，所以有 （2）在（1）式两边消去，就有由归纳法假定，有 （3）并且适当排列次序之后有 （4）（2），（3），（4），合起来即为所要证的。这就证明了

18、分解的唯一性。 在多项式的分解式中，可以把每一个不可约因式的首项系数提出来，使它们成为首项系数为1的多项式，在把相同的不可约因式合并，于是的分解式成为 其中是的首项系数，是不同的首项系数为1的不可约多项式，而是正整数。这种分解式称为标准分解式。 由以上讨论可以看出，带余除法是一元多项式因式分解理论的基础。我们知道整数也有带余除法，即 对于任意整数都存在唯一的整数使 其中。 第六节重 因 式定义9 不可约多项式称为多项式重因式，如果而不整除如果根本不是的因式；如果那么称为单因式；如果那么称为重因式。 显然，如果的标准分解式为 那么分别是的重，重，, 重因式。指数的那些不可约因式是单因式；指数的那

19、些不可约因式是重因式。 设有多项式我们规定它的微商是比低一次的多项式这种规定来自数学分析，下面给出关于多项式微商的基本公式： 同样可以定义高阶微商的概念。微商称为的一阶微商；的微商称为的二阶微商；的阶微商记为。 定理6 如果不可约的多项式重因式那么它是微商的重因式。 证明 由假设，可以分解为 其中不能整除。因此 这说明。如果令 那么整除等式右端的第二项，但不能整除第一项。因此不能整除，从而不能整除。这说明是的重因式。 推论1 如果不可约多项式是的重因式，那么是的因式，但不是的因式。 证明 根据定理6，对作数学归纳法即得。 推论2 不可约多项式是的重因式的充分必要条件为是与的公因式。 证明 的重

20、因式必须是的因式；反之，如果的不可约因式也是的因式，它必定不是的单因式。 推论3 多项式没有重因式的充分必要条件是与互素。 这个推论表明，判别一个多项式有没有重因式，可以通过代数运算辗转相除法来解决，这个方法甚至是机械的。下面给出一种有效方法。 设具有标准分解式 根据定理6，与的最大公因式必须具有标准分解式于是 这是一个没有重因式的多项式，但是它们与具有完全相同的不可约因式。因此不，这是一个去掉因式重数的有效方法。 第六节 多项式函数 设 （1）是中的多项式，是中的数，在（1）中用所得的数称为当时的值，记为。这样一来，多项式就定义了一个数域上的函数。可以由一个多项式来定义的函数称为数域上的多项

21、式函数。当是实数域时，就是数学分析中所讨论的多项式函数。 因为在与数域中的数进行计算时适合与数的运算相同的运算规律，所以不难看出，如果 那么 定理7（余数定理）用一次多项式去除多项式，所得的余式是一个常数，这个常数等于函数值。证明 用去除多项式，设商为，余式为一常数，于是 以，得 如果在时函数值，那么就称为的一个根或零点。 推论 是的根的充分必要条件是。 由这个关系，我们可以定义重根的概念。称为的重根，如果重根，如果（）是的重根。当时，称为单根；当时，称为重根。 定理8 次多项式在数域中的根不可能多于个，重根按重数计算。 证明 对零次多项式定理显然成立。设是一个次数0的多项式，把分解成不可约多

22、项式的乘积。由上面的推论与根的重数的定义，显然在数域中根的个数等于分解式中一次因式的个数，这个数目当然不超过。 定理9 如果多项式的次数都不超过，而它们对个不同的数有相同的值，即。 证明 由定理的条件，有 这就是说，多项式个不同的根。如果，那么它就是一个次数不超过的多项式，由定理8，它不可能有个根。因此，。 因为数域中有无穷多个数，所以定理9说明了，不同的多项式定义的函数也不相同。如果两个多项式定义相同的函数，就称为恒等，上面的结论表明，多项式的恒等与多项式相等实际上是一致的，换句话说，数域上的多项式既可作为形式表达式来出来处理，也可以作为函数来处理。但是应该指出，考虑今后的应用与推广，多项式

23、看成形式表达式要方便些。第七节 复系数与实系数多项式的因式分解 代数基本定理 每个次数的复系数多项式在复数域中有一根。这个定理的证明在本课程中不讲，将在复变函数讨论。代数基本定理显然可以等价叙述为：每个次数的复系数多项式，在复数域上一定有一次因式。由此可知，在复数域上所有次数大于1的多项式全是可约的。换句话说，不可约多项式只有一次多项式。于是，因式分解定理在复数域上可以叙述成：复系数多项式因式分解定理 每个次数的复系数多项式在复数域上都可以唯一地分解成一次因式的乘积。因此，复系数多项式具有标准分解式 其中是不同的复数，是正整数。标准分解式说明了每个次复系数多项式恰有个复根（重根按重数计算）。下

24、面来讨论实系数多项式的分解。对于实系数多项式，以下的事实是基本的，即，如果是实系数多项式的复根，那么的共轭数也是的根，因为设 其中是实数。由假设 两边取共轭数，有 这就是说，的根。 由此可以证明实系数多项式因式分解定理 每个次数的实系数多项式在实数域上都可以唯一地分解成一次因式与二次不可约因式的乘积。证明 定理对一次多项式显然成立。假设定理对次数的多项式已经证明。设次事实系数多项式。由代数基本定理，有一复数根。如果是实数，那么 其中次实系数多项式。如果不是实数，那么也是的根且。于是 显然是一实系数二次不可约多项式。从而是次实系数多项式。由归纳法假定，可以分解成一次与二次不可约多项式的乘积，因之

25、也可以如此分解。因此，实系数多项式具有标准分解式 其中全是实数，是正整数，并且是不可约的也就是适合条件 代数基本定理虽然肯定了次方程有个复根，但是并没有给出根的一个具体的求法。高次方程求根的问题还远远没有解决。特别是在应用方面，方程求根是一个重要的问题，这个问题是相当复杂的，它构成计算数学的一个分支，这里不再讨论了。第八节 有理系数多项式 现在再来看有理数域上一元多项式的因式分解。作为因式分解定理的一个特殊情形，每个次数的有理系数多项式都能唯一地分解成不可约的有理系数多项式的乘积。但对于任意一个给定的多项式，要具体地作出它的分解式却是一个复杂的问题，即使要判别一个有理系数多项式是否可约也不是一

26、个容易解决的问题。有理系数多项式的因式分解的问题，可以归结为整系数多项式的因式分解问题，并进而解决求有理系数多项式的有理根的问题；在有理系数多项式环中有任意次数的不可约多项式。 设是一有理系数多项式。选取适当的整数总可以使是一整系数多项式。如果的各项系数有公因子，就可以提出来，得到也就是其中是整系数多项式，且各项系数没有异于的公因子。例如 如果一个非零的整系数多项式的系数没有异于的公因子，也就是说，它们是互素的，它就称为一个本原多项式。上面的分析表明，任何一个非零的有理系数多项式都可以表示成一个有理数与一个本原多项式的乘积，即 可以证明，这种表示法除了差一个正负号是唯一的。亦即，如果其中都是本

27、原多项式，那么必有因为只差一个常数倍，所以的因式分解问题，可以归结为本原多项式的因式分解问题。下面我们进一步指出，一个本原多项式能否分解成两个次数较低的有理系数多项式的乘积与它能否分解成两个次数较低的整系数多项式的乘积的问题是一致的。定理10 （高斯引理）两个本原多项式的乘积还是本原多项式。证明 设 是两个本原多项式，而 是它们的乘积。我们用反证法。如果不是本原的，也就是说，的系数有一个异于的公因子，那么就有一个素数能整除的每一个系数。因为是本原的，所以不能同时整除的每一个系数。令是第一个不能被整除的系数，即 同样地，也是本原的，令是第一个不能被整除的系数，即 我们来看的系数，由乘积定义由上面

28、的假设，整除等式左端的，整除右端以外的每一项，但是不能整除。这是不可能的。这就证明了，一定也是本原多项式。定理11 如果一非零的整系数多项式能够分解成两个次数较低的有理系数多项式的乘积，那么它一定能分解成两个次数较低的整系数多项式的乘积。证明 设整系数多项式有分解式 其中是有理系数多项式，且 令 ，这里都是本原多项式，是整数，是有理数，于是由定理10，是本原多项式，从而 这就是说，是一整数。因此，我们有这里都是整系数多项式，且次数都低于的次数。 推论 设是整系数多项式，且是本原的。如果是有理系数多项式，那么一定是整系数的 定理12 设 是一个整系数多项式，而是它的一个有理根，其中互素，那么必有

29、特别地，如果的首项系数，那么的有理根都是整数，而且是的因子。 证明 因为是的一个有理根。因此在有理数域上从而因为互素，所以是一个本原多项式。根据上述推论，式中都是整数。比较两边系数，即得因此例1 求方程 的有理根。 这个方程的有理根只可能是用综合除法可以看出，除去1以外全不是它的根，因之这个方程的有理根只有例2 证明在有理数域上不可约。如果可约，那么它至少有一个一次因子，也就是有一个有理根。但是的有理根只可能是直接验算可知全不是根，因而在有理数域上不可约。以上的讨论解决了我们提出的第一个问题，现在来解决第二个问题。首先我们来证明定理13 （艾森斯坦因判别法）设 是一个整系数多项式。如果有一个素

30、数使得1不整除；2 ；3不整除那么在有理数域上是不可约的。 证明 如果在有理数域上可约，那么由定理11，可以分解成两个次数较低的整系数多项式的乘积： 因此 因为，所以能整除。但是不整除，所以不能同时整除。因此不妨假定不整除。另一方面，因为不整除，所以不整除。假定中第一个不能被整除的是。比较的系数，得等式 式中都能被整除。但是是一个素数，所以中至少有一个被整除，这是矛盾的。根据定理13，可知对于任意的，多项式 在有理数域上是不可约的。由此可见，在有理数域上，存在任意次数的不可约多项式。 第二章 行 列 式1 引 言解方程是代数中一个基本的问题，特别是在中学代数中，解方程占有重要的地位。因此这个问

31、题是读者所熟悉的。在中学代数中，我们解过一元、二元、三元以至四元一次方程组。这一章主要地就是讨论一般的多元一次方程组，即线性方程组。这一章是引进行列式来解线性方程组，而下一章则在更一般的情况下来讨论解线性方程组的问题。线性方程组的理论在数学中是基本的也是重要的内容。在中学代数课中学过，对于二元线性方程组 当二级行列式时，该方程组有唯一解，即对于三元线性方程组有相仿的结论。在这一章我们要把这个结果推广到元线性方程组 的情形。为此，我们首先要给出级行列式的定义并讨论它的性质，这就是本章的主要内容。 2 排 列 作为定义级行列式的准备，我们先来讨论一下排列的性质。 定义1 由组成的一个有序数组称为一

32、个级排列。 例如，2431是一个四级排列，45321是一个5级排列。我们知道级排列的总数是 我们记读为级乘。例如： 随着的增大迅速增大。例如10！=3628800。 显然也是一个级排列，这个排列具有自然顺序，就是按递增的顺序排列起来的；其它的排列都或多或少地破坏自然顺序。 定义2 在一个排列中，如果一对数的前后位置与大小顺序相反，即前面的数大于后面的数，那么它们就称为一个逆序，一个排列中逆序的总数就称为这个排列的逆序数。 例如2431中，21，43，41，31是逆序数，2431的逆序数就是4，而45321的逆序数是9。 排列的逆序数记为。 定义3 逆序数为偶数的排列称为偶排列；逆序数为奇数的排

33、列称为奇排列。 例如，2431是偶排列；45321是奇排列；的逆序数为零，因之是偶排列。 应该指出，我们同样可以考虑由任意个不同的自然数所组成的排列，一般地也称为级排列，同样可以定义上面这些概念。 把一个排列中某两个数的位置互换，而其余的数不动，就得到另一个排列。这样一个变换称为一个对换。例如，经过1，2对换，排列2431就变成了1432，排列2134就变成了1234。显然，如果连续施行两次的对换，那么就还原了。由此得知，一个对换把全部级排列两两配对，使每个配成对的级排列在这个对换下互变。 关于排列的奇偶性，我们有下面的基本事实。 定理1 对换改变排列的奇偶性。 这就是说，经过一次对换，奇排列

34、变成偶排列，偶排列变成奇排列。 证明 先看一个特殊的情形，即对换的两个数在排列中是相邻的情形，排列 （1）经过对换变成 （2）显然，在排列（1）中如与其他的数构成逆序，则在排列（2）中仍然构成逆序；如果不构成逆序则在（2）中也不构成逆序；不同的知识的次序。如果原来组成逆序，那么经过对换，逆序数就减少一个；如果原来不组成逆序，那么经过对换，逆序数就增加一个，不论增加1还是减少1，排列的逆序数的奇偶性总是变了。因之，在这个特殊的情形定理成立。再看一般的情形，设排列为 （3）经过对换，排列（3）变成 （4） 不难看出，这样一个对换可以通过一系列的相邻数的对换来实现。从（3）出发，把对换，再与对换,由

35、此依次下去，把一位一位地向左移动，经过次相邻位置的对换，排列（3）就变成 （5）从（5）出发，再把一位一位地向右移动，经过次相邻位置的对换，排列（5）就变成排列（4）。因之，对换可以通过次相邻位置的对换来实现。是奇数，相邻位置的对换改变排列的奇偶性。显然，奇数次这样的对换的最终结果还是改变奇偶性。定理2 任意一个级排列与排列都可以经过一系列对换互变，并且所作对换的个数与这个排列有相同的奇偶性。证明 对排列的级数作数学归纳法，来证任意一个级排列都可以经过一系列对换变成。1级排列只有一个，结论显然成立。假设结论对级排列已经成立，现在来证对级排列的情形结论也成立。设是一个级排列，如果，那么根据归纳法

36、假设，级排列可以经过一系列对换变成，于是这一系列对换也就把变成了。如果，那么对作对换，它就变成，这就归结成上面的情形，因此结论普遍成立。 3 级 行 列 式现在给出级行列式的定义，从这一节开始，我们总是取一固定的数域作为基础，所谈到的数都是指这个数域中的数，所考虑的行列式也都是数域上的行列式，以后不再特别说明了。在给出级行列式的定义之前，先看以下二级和三级行列式的定义。我们有 （1） （2）从二级和三级行列式的定义可以看出，它们都是一些乘积的代数和，而每一项乘积都是由行列式中位于不同行和不同列的元素构成的额，并且展开式恰恰就是由所有这种可能的乘积组成。在时，由不同行不同列的元素构成的额乘积只有

37、这两项，在时也不难看出只有（2）中的6项。这是二级和三级行列式的特征的一个方面。另一方面。每一项乘积都带有符号。这符号是按什么原则决定的呢？在三级行列式的展开式（2）中，项的一般形式可以写成 （3）其中的一个排列，可以看出，当是偶排列时，对应的项在（2）中带有正号当是奇排列时带有负号。二级行列式显然也符合这个原则。定义4 级行列式 （4）等于所有取自不同行不同列的个元素的乘积 （5）的代数和，这里是的一个排列，每一项（5）都按下列规则带有符号：当是偶排列时，（5）带有正号，当是奇排列时，（5）带有负号。这一定义可写成 （6）这里表示对所有级排列求和。 定义表明，为了计算级行列式，首先作所有可能

38、由位于不同行不同列元素构成的乘积。把构成这些乘积的元素按行指标排成自然顺序，然后由列指标所成的排列的奇偶性来决定这一项的符号。 由定义立即看出，级行列式是由项组成的。 例1 计算行列式 这是一个四级行列式，在展开式中应该有4！=24项，但是由于出现很多零，所以不等于零的项数就大大减少了。我们具体地来看一下，展开式中项的一般形式是 显然，如果，那么，从而这个项就等于零。因此只须考虑的那些项；同理，只须考虑这些列指标的项。这就是说，行列式中不为零的项只有这一项，而这一项前面的符号应该是正的，所以=24 例2 计算上三角行列式 （7）先看一下形如（5）式的项有哪一些不为零，然后再来决定它们的符号。项

39、的一般形式为在行列式中第行的元素除去外全为零，因之，只要考虑的那些项。在第行中，除去外，其余的项全为零，因之只有这两个可能。由于，所以就不能等于了，从而。这样逐步推上去，不难看出，在展开式中，除去这一项外，其余的项全是0。而这一项的列指标所成的排列是一个偶排列，所以这一项带正号，于是 = （8）换句话说，这个行列式就等于主对角线（从左上角到右下角这条对角线）上元素的乘积，作为（8）的特殊情形有 （9） （10）主对角线以外的元素全为零的行列式称为对角行列式。（9）说明了对角行列式的值等于主对角线上元素的乘积。容易看出，当行列式的元素全是数域中的数时它的值也是数域中的一个数。在行列式的定义中，为

40、了决定每一项的正负号，把个元素按行指标排起来。事实上，数的乘法是交换的，因而这个元素的次序可以任意写的，一般地，级行列式中的项可以写成 （11）其中是两个级排列。利用排列的性质，不难证明，（11）的符号等于 （12） 事实上，为了根据定义来决定（11）的符号，就要把这个元素重新排一下使得它们的行指标成自然顺序，也就是排成 （13）于是它的符号是 （14）现在来证明，（12）与（14）是一致的。我们知道，由（11）变到（13）可以经过一系列元素的对换来实现。每作一次对换，元素的行指标与列指标所指的排列就都同时作一次对换，也就是同时改变奇偶性，因而它们的和的奇偶性不改变。这就是说，对（11）作一次

41、元素的对换不改变（12）的值。因此，在一系列对换之后有=这就证明了（12）与（14）是一致的。例如，是4级行列式中一项，于是它的符号应为。如按行指标排列起来，就是因而它的符号也是。按（12）来决定行列式中每一项的符号的好处在于，行指标与列指标的地位是对称的，因而为了决定每一项的符号，我们同样可以把每一项按列指标排起来，于是定义又可以写成 （15）由此即得行列式的下列性质性质1 行列互换，行列式不变，即 （16）事实上，元素在（16）的右端位于第行第列，这就是说，是它的列指标，是它的行指标。因之，把右端按（15）展开就等于 它正是左端按（6）的展开式。性质1表明，在行列式中行与列的地位是对称的，

42、因之凡是有关行的性质，对列也同样成立。例如，由（8）即得下三角形的行列式 （17）4 级 行 列 式 的 性 质行列式的计算是一个重要的问题，也是一个麻烦的问题。级行列式一共有项，计算它就需要做个乘法。当较大时，是一个相当大的数字，直接从定义来计算行列式几乎是不可能的事。因此，我们有必要进一步讨论行列式的性质，利用这些性质可以化简行列式的计算。在行列式的定义中，虽然每一项是个元素的乘积，但是由于这个元素是取自不同的行与列，所以对于某一确定的行中个元素来说，每一项都含有其中的一个且只含有其中的一个元素。因之，级行列式的！项可以分成组，第一组的项都含有，第二组的项都含有等等。再分别把行的元素提出来

43、，就有 （1）其中代表那些含有的项在提出公因子之后的代数和，至于究竟是哪些项的和我们暂且不管，到第6节再来讨论。从以上讨论可以知道，中不再含有第行的元素，也就是全与行列式中第行的元素无关。由此即得性质2 这就是说，一行的公因子可以提出去，或者说以一数乘行列式的一行就相当与用这个数乘此行列式。事实上，由（1） 令就有，如果行列式中一行为零，那么行列式为零。性质3 +这就是说，如果某一行是两组数的和，那么这个行列式就等于两个行列式的和，而这两个行列式除这一行外全与原来行列式的对应的行一样。事实上，设这一行是第行，于是 = =+性质3显然可以推广到某一行为多组数的和的情形性质4 如果行列式中有两行相

44、同，那么行列式为零，所谓两行相同就是说两行的对应元素都相同。证明 设行列式 （2）中第行与第行相同，即 （3） 为了证明（2）为零，只须证明（2）的右端所出现的项全能两两相消就行了。事实上与项 同时出现的还有 比较这两项，由（3）有 也就是说，这两项有相同的数值。但是排列 相差一个对换，因而有相反的奇偶性，所以这两项的符号相反。易知，全部级排列可以按上述形式两两配对。因之，在（2）的右端对于每一项都有一数值相同但符号相反的项与之成对出现，从而行列式为零。由这三个性质我们不难推得行列式其他的一些性质。性质5 如果行列式中两行成比例，那么行列式为零。证明 这里第一步是根据性质2，第二步是根据性质4

45、。 性质6 把一行的倍数加到另一行，行列式不变。 证明 +=这里，第一步是根据性质3，第二步是根据性质5。 性质7 对换行列式中两行的位置，行列式反号。 证明=-这里，第一步是把第行加到第行，第二步是把第行的（-1）倍加到第行，第三步是把第行加到第行，最后再把第行的公因子（-1）提出。例1 计算级行列式 这个行列式的特点是每一行有一个元素是，其余个元素是。根据性质6，把第二列加到第一列，行列式不变，再把第三列加到第一列，行列式也不变，一直继续下去，直到第列也加到第一列，即得把第二行到第行都分别加上第一行的-1倍，就有 这是一个上三角形的行列式，即得 例2 一个级行列式，假设它的元素满足 （4）

46、证当为奇数时，此行列式为零 由（4）立即推知，即因此，此行列式明显地写出来就是 由性质1，2有 =当为奇数时，得，因而。 5 行列式的计算 下面我们利用行列式的性质给出一个计算行列式的方法。在3中我们看到，一个上三角形行列式就等于它主对角线上元素的乘积这个行列式的计算是很简单的，下面我们想方法把任意的级行列式化为上三角形列式来计算。为了便于叙述并考虑到以后的应用，我们引进矩阵及矩阵的初等变换的概念。定义5 由个数排成的行(横的)列(纵的)的表 (1)称为一个矩阵。 例如 是一个矩阵， 是一个矩阵。 数称为矩阵(1)的元素，称为元素的行指标，称为元素的列指标。当一个矩阵的元素全是某一数域中的数时

47、，它就称为这一数域上的矩阵。在上面所举的例子中，第一个是有理数矩阵，第二个是复数域上的矩阵。 矩阵也称为级方阵。一个级方阵 定义为一个级行列式，称为矩阵的行列式，记作。 下面来定义矩阵的初等行变换。 定义6 所谓数域上矩阵的初等行变换是指下列三种变换：1) 以中一个非零的数乘矩阵的某一行；2) 把矩阵的某一行的倍加到另一行，这里是中任意一个数；3) 互换矩阵中两行的位置。一般说来，一个矩阵经过初等行变换后，就变成了另一个矩阵，譬如说，把矩阵第一行的-2倍加到第二行上去，就行到矩阵 当矩阵经过初等行变换后变成矩阵时，我们写成 我们称为形式如 ，的矩阵为阶梯形矩阵。它们的任一行从第一个元素起至该行的第一个非零元素所在的下方全为零；如该行全为零，则它的下面的行也全为零。可以证明，任意一个矩阵经过一系列初等行变换后意能变成阶梯形矩阵。事实上，设 。我们看到第一列的元素，只要其中有一个不为零，用初等行变换3)，总能使第一列的第一个元素不为零，然后从第二行开始，每一行都加上第一