Bourbaki

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§ 8。决定因素

1. AN 自同态的决定因素

设 MM 为 AA 模,其有限基为 nn 元素,uu 自同态为 MM。 AA-模块⋀n(M)\bigwedge^n(M)是单源自由模,即与AA同构的(no. 8,推论1到定理1); ⋀n(u)\bigwedge^n(u) 是模的自同态,因此是唯一确定的比率λ∈A\lambda \in A 的位似 z↦λzz \mapsto \lambda z(II, § 2, no. 3,命题 5)。

定义 1 0642

有限维的nn的自由AA模块MM的自同态uu的行列式*(II, § 7, no. 2,命题3和注1的推论),*表示为* det⁡u\det u,*是标量λ\lambda,使得*⋀n(u)\bigwedge^n(u)*是比率*λ\lambda的位似。

引用了 4

引用了 II § 7. 。 向量空间, 推论, II § 7, 注, II § 7, III § 7. 。外观代数

通过 § 7, no. 2 的公式 (4),det⁡u\det u 是唯一标量,使得

(1)

u(x1)∧u(x2)∧⋯∧u(xn)=(det⁡u)⋅x1∧x2∧⋯∧xn u(x_1) \wedge u(x_2) \wedge \cdots \wedge u(x_n) = (\det u) \cdot x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_n
每序列 (xi)1≤i≤n(x_i)_{1 \leq i \leq n} nn 元素 MM。如果 det⁡(u)=1\det(u) = 1,uu 被称为*单模*。

命题 1 0643

(i) *如果uu和vv是有限维自由AA模MM的两个自同态,则

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 III § 7. 。外观代数, 命题 7, III § 7

被以下引用 命题 5

(2)

det⁡(u∘v)=(det⁡u)(det⁡v). \det(u \circ v) = (\det u)(\det v).

(ii) det⁡(1M)=1\det(1_M) = 1; 对于 MM、det⁡u\det u 中的每个自同构 uu 可逆于 AA 和

(3)

det⁡(u−1)=(det⁡u)−1. \det(u^{-1}) = (\det u)^{-1}.

如果 nn 是 MM 的维数,则紧随关系 ⋀n(u∘v)=(⋀n(u))∘(⋀n(v))\bigwedge^n(u \circ v) = (\bigwedge^n(u)) \circ (\bigwedge^n(v)) § 7, no. 2、公式 (3))。

设 MM 为自由 AA 模,具有有限基 (ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n};给定 nn 元素的序列 (xi)1≤i≤n(x_i)_{1 \leq i \leq n} MM,这个序列 相对于给定的基 (ei)(e_i) 的行列式,当不会引起混淆时用 det⁡(x1,x2,…,xn)\det(x_1, x_2, \ldots, x_n) 表示基,是自同态 uu 或 MM 的行列式,使得 u(ei)=xiu(e_i) = x_i 对应 1≤i≤n1 \leq i \leq n。然后公式 (1)

x1∧x2∧⋯∧xn=det⁡(x1,x2,…,xn) e1∧e2∧⋯∧en x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_n = \det(x_1, x_2, \ldots, x_n) \ e_1 \wedge e_2 \wedge \cdots \wedge e_n

这个关系将MnM^n的映射(xi)↦det⁡(x1,x2,…,xn)(x_i) \mapsto \det(x_1, x_2, \ldots, x_n)表征为AA。它表明这个映射是一个 交错的 n 线性形式。由于,凭借§ 7, no. 4,命题 7,交错的nn线性形式的AA模与⋀n(M)\bigwedge^n(M)的对偶同构,而⋀n(M)\bigwedge^n(M)与AA同构的,可见*每交错的 MnM^n 上的 n 线性形式可以写成*

(x1,…,xn)↦αdet⁡(x1,x2,…,xn)(x_1, \ldots, x_n) \mapsto \alpha \det(x_1, x_2, \ldots, x_n)

对于一些α∈A\alpha \in A。

命题 2 0644

设 MM 为自由 AA 模块,其有限基 (ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n} 和 vv 自同态为 MM。对于 nn 元素 MM 中的每个序列 (xi)1≤i≤n(x_i)_{1 \leq i \leq n},

det⁡(v(x1),…,v(xn))=(det⁡v)det⁡(x1,…,xn). \det(v(x_1), \ldots, v(x_n)) = (\det v) \det(x_1, \ldots, x_n).

如果 uu 是 MM 的自同态,使得 u(ei)=xiu(e_i) = x_i 对于所有 ii,则

v(xi)=(v∘u)(ei) v(x_i) = (v \circ u)(e_i)

因此,(5) 由(2) 得出。

2. 有限维自由模的刻画自同构

定理 1 0645

令MM为有限维自由AA模,且uu自同态为MM。以下条件是等效的:* (a) uu 是双射; (b) uu 是右可逆的(II, § 1, no. 9,推论 1 到命题 15); (c) uu 是可逆的(II, § 1, no. 9,推论 2 到命题 15); (d) uu 是满射; (e) det⁡u\det u 在 AA 中是可逆的。

引用了 5 · 被以下引用 5

引用了 推论 1, II § 1, 命题 15, 推论 2, II § 1, 命题 3, III § 7, 定理 2, III § 7

被以下引用 § 8. 。决定因素, 注, 命题 11, 命题 3, 命题 3, III § 9

设(ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n}为MM中的基。如果 xi=u(ei)x_i = u(e_i) 对应 1≤i≤n1 \leq i \leq n,则

x1∧x2∧⋯∧xn=(det⁡u)e1∧e2∧⋯∧en. x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_n = (\det u) e_1 \wedge e_2 \wedge \cdots \wedge e_n.

由§ 7, no. 9,定理 2 MM的xix_i到形式基的充要条件是,det⁡u\det u是AA的可逆元;这就证明了(a)和(e)的等价。观察到 (a) 显然隐含了条件 (b)、(c) 和 (d) 中的每一个;还需要证明条件 (b)、(c) 和 (d) 中的每一个都蕴涵 (e)。现在,如果存在MM的自同态vv使得v∘u=1Mv \circ u = 1_M或u∘v=1Mu \circ v = 1_M,则(det⁡v)(det⁡u)=1(\det v)(\det u) = 1以及det⁡u\det u在AA中是可逆的。如果 uu 是满射,⋀n(u)\bigwedge^n(u) (§ 7, no. 2, 命题 3) 也是满射,在 AA 中 det uu 的其他字位似是满射,这立即意味着 det uu 是可逆的。

命题 3 0646

令MM为有限维自由AA模。对于 MM 的每个自同态 uu,以下条件是等效的:* (f) uu 是单射的; (g) det uu 不是 AA 中的零的除子。

引用了 2 · 被以下引用 5

引用了 命题 12, III § 7, 定理 1

被以下引用 注, 命题 13, 命题 6, 注 4, IV § 6, 定义 1, VII § 5

与定理 1 的证明相同的记号,对于uu是单射的,xix_i线性无关是充分必要的。通过§ 7, no. 9,命题 12,关系λx1∧x2∧⋯∧xn=0\lambda x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_n = 0(与λ∈A\lambda \in A)暗示λ=0\lambda = 0是必要且充分的。但这等价于λ(det⁡u)=0\lambda (\det u) = 0,因为e1∧⋯∧ene_1 \wedge \cdots \wedge e_n是Λn(M)\Lambda^n(M)的基; 从而命题。

注 0647

当AA为域时,定理2的条件(e)相当于命题3的条件(g),因为它们都意味着det⁡u≠0\det u \neq 0。因而,在这种情况下,定理 1 和命题 3 中的所有条件都是等价的(cf. II, § 7, no. 4,命题 9 的推论)。

引用了 4

引用了 II § 7. 。 向量空间, 推论, II § 7, 命题 3, 定理 1

3. 平方矩阵的行列式

定义 2 0648

令II为型(I,I)(I, I)在环AA上的有限集合、AA交换环和XX平方矩阵 (II, § 10, no. 7)。 AA模AIA^I的自同态uu的行列式,其矩阵相对于AIA^I的典范基为XX,称为XX的行列式,表示为det⁡X\det X.

引用了 1

引用了 II § 10. 。 矩阵

如果X=(ξij)(i,j)∈I×IX = (\xi_{ij})_{(i,j) \in I \times I}和(ei)i∈I(e_i)_{i \in I}是AIA^I的典范基,则自同态uu由下式给出

u(ei)=∑j∈Jξjiej. u(e_i) = \sum_{j \in J} \xi_{ji} e_j.

当I={1,n}⊂NI = \{1, n\} \subset \mathbf{N}时,如果我们将i∈Ii \in I写成xi=u(ei)x_i = u(e_i),那么XX的行列式就定义在关系中

x1∧x2∧⋯∧xn=(det⁡X)e1∧e2∧⋯∧en x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_n = (\det X) e_1 \wedge e_2 \wedge \cdots \wedge e_n
在其他字中,det⁡X\det X等于AnA^n相对于典范基的行列式det⁡(x1,x2,…,xn)\det(x_1, x_2, \ldots, x_n)。因而:

命题 4 0649

对于 AnA^n 的 nn 向量 x1,…,xnx_1, \ldots, x_n,令 X(x1,…,xn)X(x_1, \ldots, x_n) 表示阶 nn 的平方矩阵,其第 ii-第列为xix_i 换1≤i≤n1 \leq i \leq n。然后映射*

(x1,…,xn)↦det⁡(X(x1,…,xn)) (x_1, \ldots, x_n) \mapsto \det(X(x_1, \ldots, x_n))
*(An)n(A^n)^n到AA的交错的和nn是线性的。

特别地,其中两个列相等的矩阵的行列式是零。如果对矩阵的列执行置换,则新矩阵的行列式等于旧矩阵的行列式乘以εσ\varepsilon_{\sigma}。如果向矩阵中的一个列添加一个不同指标的列的标量倍数,则新矩阵的行列式等于旧的行列式。

更一般地,令MM为有限维nn的自由AA模,并令(ei)i∈I(e_i)_{i \in I}为MM的基;对于MM的每个自同构uu,如果相对于基(ei)(e_i),XX是uu的矩阵,那么

det⁡(u)=det⁡(X) \det(u) = \det(X)

从定义开始如下。

当I={1,n}I = \{1, n\}时,XX的行列式也表示为

det⁡(ξij)1≤i≤n,1≤j≤n \det(\xi_{ij})_{1 \leq i \leq n, 1 \leq j \leq n}

或者简单地 det⁡(ξij)\det(\xi_{ij}) 如果这不会引起混乱,或者也

∣ξ11ξ12…ξ1nξ21ξ22…ξ2n…………ξn1ξn2…ξnn∣ \begin{vmatrix} \xi_{11} & \xi_{12} & \ldots & \xi_{1n} \\ \xi_{21} & \xi_{22} & \ldots & \xi_{2n} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ \xi_{n1} & \xi_{n2} & \ldots & \xi_{nn} \end{vmatrix}

当X=1X = 1时,矩阵XX称为幺模。

例 064A

(1)空矩阵的行列式等于1; 阶 1 的平方矩阵的行列式等于这个矩阵的唯一元素。对于阶 2 中的矩阵

(ξ11ξ12ξ21ξ22) \begin{pmatrix} \xi_{11} & \xi_{12} \\ \xi_{21} & \xi_{22} \end{pmatrix}

那么,在上面的记号中,

x1∧x2=(ξ11e1+ξ21e2)∧(ξ12e1+ξ22e2)=ξ11ξ22e1′∧e2+ξ21ξ12e2∧e1 x_1 \wedge x_2 = (\xi_{11} e_1 + \xi_{21} e_2) \wedge (\xi_{12} e_1 + \xi_{22} e_2) = \xi_{11} \xi_{22} e_1' \wedge e_2 + \xi_{21} \xi_{12} e_2 \wedge e_1

whence

∣ξ11ξ12ξ21ξ22∣=ξ11ξ22−ξ12ξ21. \begin{vmatrix} \xi_{11} & \xi_{12} \\ \xi_{21} & \xi_{22} \end{vmatrix} = \xi_{11} \xi_{22} - \xi_{12} \xi_{21}.

我们将 nos 的一些结果翻译成矩阵的语言。 1 和 2:

命题 5 064B

如果XX和YY是交换环AA上的两个方阵且具有相同的有限索引集合,则

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 1

被以下引用 § 8. 。决定因素

det⁡(XY)=(det⁡X)(det⁡Y). \det(XY) = (\det X)(\det Y).

为了使 X 可逆,det X 是 A 的可逆元是充分必要的,然后

(9)

det⁡(X−1)=(det⁡X)−1. \det(X^{-1}) = (\det X)^{-1}.

这紧接着no. 1、命题 1 和no. 2、定理 1。

推论 064C

两个相似的方阵具有相同的行列式。

如果 P 是可逆的平方矩阵,则 det⁡(PXP−1)=det⁡X\det(PXP^{-1}) = \det X 由 (8) 和 (9) 得到。

命题 6 064D

For the columns of a square matrix X of finite order to be linearly independent, it is necessary and sufficient that det X be not a divisor of zero in A.

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 3

被以下引用 推论 2

这是从no. 2、命题 3 得出的。

4. 行列式的计算

引理 1 064E

设 A 为交换环,M 自由A-模以及基 (ej)j∈J(e_j)_{j \in J},其中索引集合 J 是全序的。对于每个整数 p≤Card(J)p \leq \mathrm{Card}(J)、每个交错的 p 线性函数 f:Mp→Nf : M^p \to N(其中 N 为 A-模)以及 M (1≤i≤p)(1 \leq i \leq p) 的 p 元素 xi=∑j∈Jξjiejx_i = \sum_{j \in J} \xi_{ji} e_j 的每个族,

f(x1,x2,…,xp)=∑j1<j2<⋯<jp(∑σ∈Spεσ⋅ξjσ(1),1ξjσ(2),2⋯ξjσ(p),p)f(ej1,…,ejp) f(x_1, x_2, \ldots, x_p) = \sum_{j_1 < j_2 < \cdots < j_p} \left( \sum_{\sigma \in S_p} \varepsilon_\sigma \cdot \xi_{j_{\sigma(1)}, 1} \xi_{j_{\sigma(2)}, 2} \cdots \xi_{j_{\sigma(p)}, p} \right) f(e_{j_1}, \ldots, e_{j_p})

其中* (jk)1≤k≤p(j_k)_{1 \leq k \leq p} *穿过 J 的 p 元素的严格递增的序列的集合。

引用了 1

引用了 推论 1, III § 7

现在

f(x1,…,xp)=∑(jk)ξj1,1ξj2,2⋯ξjp,pf(ej1,ej2,…,ejp) f(x_1, \ldots, x_p) = \sum_{(j_k)} \xi_{j_1, 1} \xi_{j_2, 2} \cdots \xi_{j_p, p} f(e_{j_1}, e_{j_2}, \ldots, e_{j_p})

其中 (jk)1≤k≤p(j_k)_{1 \leq k \leq p} 贯穿 J 的 p 元素的*所有* 序列;那么只需将 § 7, no. 4 的推论 1 到命题 7 应用到 f​​ 即可。

特别地,如果 J 是有限的并且有 n 元素和 xi=∑j∈Jξjiejx_i = \sum_{j \in J} \xi_{ji} e_j (1≤i≤n)(1 \leq i \leq n) 是 M 的 n 元素,则

(11)

x1∧x2∧⋯∧xn=(∑σ∈Snεσξjσ(1),1ξjσ(2),2⋯ξjσ(n),n)ej1∧ej2∧⋯∧ejn x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_n = \left( \sum_{\sigma \in S_n} \varepsilon_\sigma \xi_{j_{\sigma(1)}, 1} \xi_{j_{\sigma(2)}, 2} \cdots \xi_{j_{\sigma(n)}, n} \right) e_{j_1} \wedge e_{j_2} \wedge \cdots \wedge e_{j_n}

其中(jk)1≤k≤n(j_k)_{1 \leq k \leq n}是J的n个元素中唯一的序列排列在递增阶,从而

(12)

det⁡(x1,x2,…,xn)=∑σ∈Sεσ⋅ξjσ(1),1ξjσ(2),2⋯ξjσ(n),n. \det(x_1, x_2, \ldots, x_n) = \sum_{\sigma \in S} \varepsilon_\sigma \cdot \xi_{j_{\sigma(1)}, 1} \xi_{j_{\sigma(2)}, 2} \cdots \xi_{j_{\sigma(n)}, n}.

当记号为引理 1 时,比较公式 (10) 和 (12) 得出

x1∧x2∧⋯∧xp=∑H∈Fp(J)det⁡(xH,1,xH,2,…,xH,p)eH x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_p = \sum_{H \in \mathscr{F}_p(J)} \det(x_{H,1}, x_{H,2}, \ldots, x_{H,p}) e_H

其中Fp(J)\mathscr{F}_p(J)是JJ的子集的集合,pp元素,对于每个子集H∈Fp(J)H \in \mathscr{F}_p(J),我们写出xH,i=∑j∈Hξjiejx_{H,i} = \sum_{j \in H} \xi_{ji} e_j和eH=ej1∧ej2∧⋯∧ejpe_H = e_{j_1} \wedge e_{j_2} \wedge \cdots \wedge e_{j_p},(jk)1≤k≤p(j_k)_{1 \leq k \leq p}是序列 HH的元素排列在递增阶中,应当理解,det⁡(xH,1,…,xH,p)\det(x_{H,1}, \ldots, x_{H,p})是相对于基(ejk)1≤k≤p(e_{jk})_{1 \leq k \leq p}取的。

命题 7 064F

令II为交换环AA上型(I,I)的有限集合和X=(ξji)(j,i)∈I×IX = (\xi_{ji})_{(j, i) \in I \times I}平方矩阵。然后

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 I § 5. 。 群运行于集合

被以下引用 VIII § 17. 。 简化范数与迹

det⁡X=∑σ∈SIεσ(∏i∈Iξσ(i),i) \det X = \sum_{\sigma \in S_I} \varepsilon_\sigma \left( \prod_{i \in I} \xi_{\sigma(i), i} \right)

其中σ\sigma贯穿II的置换的群SIS_I,εσ\varepsilon_\sigma是σ\sigma(I, § 5, no. 7)的签名。

注意可能仅限于I={1,n}⊂NI = \{1, n\} \subset \mathbf{N}的情况,然后就足以应用公式(12),其中(ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n}是AnA^n的典范基,xix_i是XX的列(cf.no. 3, 公式 (6))。

特别是,对于阶 3 的矩阵行列式

X=(ξ11ξ12ξ13ξ21ξ22ξ23ξ31ξ32ξ33) X = \begin{pmatrix} \xi_{11} & \xi_{12} & \xi_{13} \\ \xi_{21} & \xi_{22} & \xi_{23} \\ \xi_{31} & \xi_{32} & \xi_{33} \end{pmatrix}

我们有

det⁡(X)=ξ11ξ22ξ33+ξ12ξ23ξ31+ξ21ξ32ξ13−ξ13ξ22ξ31−ξ12ξ21ξ33−ξ11ξ23ξ32. \det(X) = \xi_{11} \xi_{22} \xi_{33} + \xi_{12} \xi_{23} \xi_{31} + \xi_{21} \xi_{32} \xi_{13} - \xi_{13} \xi_{22} \xi_{31} - \xi_{12} \xi_{21} \xi_{33} - \xi_{11} \xi_{23} \xi_{32}.

命题 8 064G

对于交换环上的每个平方矩阵 XX,转置矩阵 tX{}^t X的行列式等于XX的行列式。

被以下引用 4

被以下引用 命题 13, III § 11, 命题 12, 推论 2, 推论 3

假设XX等于型(I,I)。对于置换 σ,τ\sigma, \tau SIS_I 中的每个有序对,(因为乘法是可交换的)

∏i∈Iξσ(i),i=∏j∈Iξσ(τ(j)),τ(j). \prod_{i \in I} \xi_{\sigma(i), i} = \prod_{j \in I} \xi_{\sigma(\tau(j)), \tau(j)}.

特别是取τ=σ−1\tau = \sigma^{-1};利用 εσ−1=εσ\varepsilon_{\sigma^{-1}} = \varepsilon_\sigma 的事实,可以看出

det⁡X=∑σ∈SIεσ(∏i∈I,iξi,σ(i)), \det X = \sum_{\sigma \in S_I} \varepsilon_\sigma \left( \prod_{i \in I, i} \xi_{i, \sigma(i)} \right),

这就证明了命题。

推论 1 064H

对于 An\mathbf{A}^n 的 n 向量 x1,…,xnx_1, \ldots, x_n,让 Y(x1,…,xn)Y(x_1, \ldots, x_n) 表示阶 n 的平方矩阵,其第 i 行是 xix_i,对于 1≤i≤n1 \leq i \leq n。然后映射

(x1,…,xn)↦det⁡(Y(x1,…,xn)) (x_1, \ldots, x_n) \mapsto \det(Y(x_1, \ldots, x_n))
从 (An)n(\mathbf{A}^n)^n 到 A\mathbf{A} 是交错的并且是 n 线性的。

被以下引用 2

被以下引用 § 8. 。决定因素, 命题 11

推论 2 064I

对于平方矩阵 XX 的有限阶超过交换环 A\mathbf{A},以下条件是等效的: (i) XX 的行是线性无关的; (ii) XX 的列是线性无关的; (iii) det⁡X\det X 不是A\mathbf{A} 中零的除子。

引用了 2

引用了 命题 6, 命题 8

这紧接着上面的no. 3、命题 6 和命题 8。

推论 3 064J

设 uu 为有限维自由 A\mathbf{A}-模 MM 的自同态和对偶 M∗M^* (II, § 2, no. 5, 定义 5) 的 tu^t u 转置自同态;那么

det⁡(tu)=det⁡(u). \det(^t u) = \det(u).
如果XX相对于MM的基是uu的矩阵,则tX^t X相对于对偶基是tu^t u的矩阵(II, § 10, no. 4, 命题3);如det⁡(u)=det⁡(X)\det(u) = \det(X)和det⁡(tu)=det⁡(tX)\det(^t u) = \det(^t X),由命题8得出结论。

引用了 3 · 被以下引用 1

引用了 定义 5, II § 2, 命题 3, II § 10, 命题 8

被以下引用 推论 3, VIII § 17

5. 矩阵的未成年人

令XX为型(I,J)的矩形矩阵(ξij)(i,j)∈I×J(\xi_{ij})_{(i,j) \in I \times J},其索引集合I和J是全序的。如果H⊂IH \subset I和K⊂JK \subset J是有限子集,数pp与元素相同,则存在唯一的递增双射ϕ:H→K\phi : H \to K(集合理论,III, § 5, no. 3, 命题6);我们用型 (H, H) 中的XH,KX_{H,K} 平方矩阵表示等于(ξi,ϕ(j))(i,j)∈H×H(\xi_{i,\phi(j)})_{(i,j) \in H \times H}。若XX属于的元素到交换环A\mathbf{A},则行列式det⁡(XH,K)\det(X_{H,K})称为指标H、K的矩阵XX的小数;这些行列式(对于I和J的子集的所有有序对(H,K)分别与pp元素)也称为阶pp的XX的次要因素。有了这个记号:

命题 9 064K

令 MM 为具有基 (ei)i∈J(e_i)_{i \in J}(有限或其他)的 A\mathbf{A} 模,其索引集合 JJ 是全序的。对于每个整数 p>0p > 0,令 (eH)H∈Sp(J)(e_H)_{H \in \mathfrak{S}_p(J)} 为 ∧p(M)\wedge^p(M) (§ 7, no. 8) 的相应的基。设(xi)1≤i≤p(x_i)_{1 \leq i \leq p}为pp序列MM元素;让

xi=∑j∈Jξjiejfor i∈I={1,p} x_i = \sum_{j \in J} \xi_{ji} e_j \quad \text{for } i \in I = \{1, p\}

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 III § 7. 。外观代数

被以下引用 命题 10, 命题 4, VII § 4

并令 XX 表示型 (J,I)(J, I) 中的矩阵 (ξji)(\xi_{ji})。然后

x1∧x2∧⋯∧xp=∑H∈Fp(J)(det⁡XH,I)eH. x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_p = \sum_{H \in \mathfrak{F}_p(J)} (\det X_{H,I}) e_H.

其中HH穿过JJ的子集的集合Fp(J)\mathfrak{F}_p(J)以及pp元素。

这紧接着是no. 4的公式(12)和no. 3的公式(6)。

命题 10 064L

令MM和NN分别为uu的维数、mm和nn、u:M→Nu : M \to N、线性映射和XX矩阵的两个自由AA模块,其中尊重MM的基(ei)1≤i≤m(e_i)_{1 \leq i \leq m}和NN的基(fj)1≤j≤n(f_j)_{1 \leq j \leq n}。然后,对于每个整数p≤inf⁡(m,n)p \leq \inf(m, n),∧p(u)\wedge^p(u)的矩阵相对于∧p(M)\wedge^p(M)的基(eK)K∈Fp(I)(e_K)_{K \in \mathfrak{F}_p(I)}和∧p(N)\wedge^p(N)的基(fH)H∈Fp(J)(f_H)_{H \in \mathfrak{F}_p(J)}(我们已经写成I={1,m}I = \{1, m\}和J={1,n}J = \{1, n\})是型(Fp(J),Fp(I))(\mathfrak{F}_p(J), \mathfrak{F}_p(I))的矩阵(det⁡(XH,K))(\det(X_{H,K}))(因此有(np)\binom{n}{p}行和(mp)\binom{m}{p}列)。

引用了 2 · 被以下引用 3

引用了 III § 7. 。外观代数, 命题 9

被以下引用 § 8. 。决定因素, 命题 11, VIII § 17. 。 简化范数与迹

对于子集K⊂JK \subset J和pp元素,设(jk)1≤k≤p(j_k)_{1 \leq k \leq p}为递增阶排列KK元素序列; ∧p(u)\wedge^p(u) 定义、§ 7, no. 2、公式 (4)

∧p(u)(eK)=u(ej1)∧u(ej2)∧⋯∧u(ejp). \wedge^p(u)(e_K) = u(e_{j_1}) \wedge u(e_{j_2}) \wedge \cdots \wedge u(e_{j_p}).

因此,位于指标HH行的∧p(u)\wedge^p(u)的矩阵的元素和指标KK的列是元素的指标HH的分量u(ej1)∧⋯∧u(ejp)u(e_{j_1}) \wedge \cdots \wedge u(e_{j_p});因此它等于det⁡(XH,K)\det(X_{H,K})乘命题9。

矩阵(det⁡(XH,K))(\det(X_{H,K}))称为矩阵XX的第pp外部幂,记为∧p(X)\wedge^p(X)。当p=m=np = m = n时,∧n(X)\wedge^n(X)为矩阵,单个元素det⁡(X)\det(X)。

命题 11 064M

令MM为有限维nn的自由AA模块;对于MM中的每个自同态uu和AA中元素ξ,η\xi, \eta中的每个有序对,

det⁡(ξ1M+ηu)=∑k≥0Tr⁡(∧k(u))ξn−kηk. \det(\xi 1_M + \eta u) = \sum_{k \geq 0} \operatorname{Tr}(\wedge^k(u)) \xi^{n-k} \eta^k.
引用了 3 · 被以下引用 2

引用了 推论 1, 定理 1, 命题 10

被以下引用 § 8. 。决定因素, 推论

令(ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n}为MM的基,并令I={1,n}I = \{1, n\};到计算 (18) 的左侧,我们必须形式乘积

(ξe1+ηu(e1))∧(ξe2+ηu(e2))∧⋯∧(ξen+ηu(en)) (\xi e_1 + \eta u(e_1)) \wedge (\xi e_2 + \eta u(e_2)) \wedge \cdots \wedge (\xi e_n + \eta u(e_n))

等于项 ξn−pηpzK\xi^{n-p} \eta^p z_K 中的和,其中

zK=x1∧x2∧⋯∧xn z_K = x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_n

其中xi=u(ei)x_i = u(e_i)代表i∈Ki \in K,xi=eix_i = e_i代表i∈H=I−Ki \in H = I - K,其中整数pp穿过区间[0,n][0, n],并且对于每个pp,KK穿过集合子集 / I 与 pp 元素。如果i1<i2<⋯<in−pi_1 < i_2 < \cdots < i_{n-p}(或j1<j2<⋯<jpj_1 < j_2 < \cdots < j_p)是排列在递增阶中的H(或K)的元素,我们可以写(§7§ 7,no. 8,推论1至定理1) 公式 (19))

zK=ρH,Kei1∧ei2∧⋯∧ein−p∧u(ej1)∧⋯∧u(ejp). z_K = \rho_{H, K} e_{i_1} \wedge e_{i_2} \wedge \cdots \wedge e_{i_{n-p}} \wedge u(e_{j_1}) \wedge \cdots \wedge u(e_{j_p}).

但如果XX相对于基(ei)(e_i)是uu的矩阵,那么命题10

u(ej1)∧⋯∧u(ejp)=∑L∈Fp(I)(det⁡XL,K)eL u(e_{j_1}) \wedge \cdots \wedge u(e_{j_p}) = \sum_{L \in \mathfrak{F}_p(I)} (\det X_{L, K}) e_L

因此

zK=ρH,K∑L∈Fp(I)(det⁡XL,K)eH∧eL. z_K = \rho_{H, K} \sum_{L \in \mathfrak{F}_p(I)} (\det X_{L, K}) e_H \wedge e_L.

现在H∩L≠∅H \cap L \neq \varnothing除了L=KL = K;因此,从 §7§ 7、no. 8、公式 (20) 得出,zK=(det⁡XK,K)e1∧e2∧⋯∧enz_K = (\det X_{K, K}) e_1 \wedge e_2 \wedge \cdots \wedge e_n 和公式 (18) 然后从矩阵 (II) 迹线的命题 10 和定义得出, §10§ 10、no. 11、公式(49)和(50))。

推论 064N

在与命题 11相同的假设下,对于自同态⋀(u)\bigwedge(u) of A-模⋀(M)\bigwedge(M)

引用了 1

引用了 命题 11

(19)(19)
Tr⁡(⋀(u))=det⁡(1M+u). \operatorname{Tr}(\bigwedge(u)) = \det(1_M + u).

在(18)中,替换ξ\xi和η\eta乘以1就足够了,并且观察到⋀(u)\bigwedge(u)的矩阵相对于eHe_H(H∈F(I)H \in \mathfrak{F}(I))的基是矩阵的对角矩阵 ⋀k(u)\bigwedge^k(u) 对应 ≥k\geq k 0(II、§10§ 10、no. 7、*例* IV)。

6. 行列式的展开

令I为全序有限索引集合。对于I的每个子集 H,令H'表示补集I - H。令X=(ξij)X = (\xi_{ij})为型(I,I)的平方矩阵,可以将其视为矩阵 M=AIM = A^I的自同态uu相对于M的典范基(ei)i∈I(e_i)_{i \in I}。令n=Card⁡(I)n = \operatorname{Card}(I)并令H为I的子集,其中q≤nq \leq n元素和K子集 I 与 n−qn - q 元素;那么我们可以写(no. 5,命题10)

(⋀q(u))(eH)=∑Rdet⁡(XR,H)eR (\bigwedge^q(u))(e_H) = \sum_R \det(X_{R, H}) e_R
(⋀n−q(u))(eK)=∑Sdet⁡(XS,K)eS (\bigwedge^{n-q}(u))(e_K) = \sum_S \det(X_{S, K}) e_S

其中 R(或 S)穿过 I 的子集和集合,以及 qq(或 n−qn - q)元素。由 §7§ 7, no. 8, 公式 (19) 和 (20) 得出

eR∧eS=0 e_R \wedge e_S = 0

S=R′S = R'、从而公式时除外

(20)(∧q(u)(eH))∧(∧n−q(u)(eK))=∑RρR,R′det⁡(XR,H)det⁡(XR′,K)eI (20) \quad (\wedge^q(u)(e_H)) \wedge (\wedge^{n-q}(u)(e_K)) = \sum_R \rho_{R, R'} \det(X_{R, H}) \det(X_{R', K}) e_I

其中RR穿过II的子集和qq元素的集合Fq(I)\mathscr{F}_q(I)。

如果我们取K=H′K = H',则从∧n(u)\wedge^n(u)(§ 7, no. 2,公式(4))和§ 7, no. 3的定义得出,推论1到命题5,(20)的右侧是ρH,H′∧n(u)(eI)\rho_{H, H'} \wedge^n(u)(e_I)。因此 (no. 1, 公式 (1) 和 § 7, no. 2, 公式 (4))

(21)det⁡(X)=ρH,H′∑R∈Fq;R′≠RρR,R′det⁡(XR,H)det⁡(XR′,H′). (21) \quad \det(X) = \rho_{H, H'} \sum_{R \in \mathscr{F}_q; R' \neq R} \rho_{R, R'} \det(X_{R, H}) \det(X_{R', H'}).

另一方面,如果K≠H′K \neq H',则H∩K≠∅H \cap K \neq \varnothing;因为(20)的左边是±∧n(u)(eH∧eK)\pm \wedge^n(u)(e_H \wedge e_K),所以它是零,从而

(22)∑RρR,R′det⁡(XR,H)det⁡(XR′,K)=0for K≠H′. (22) \quad \sum_R \rho_{R, R'} \det(X_{R, H}) \det(X_{R', K}) = 0 \quad \text{for } K \neq H'.

(21) 的右侧被称为矩阵 XX 行列式的 拉普拉斯展开 由 q 列(其指标属于到 H)和 n - q 列(其指标) 属于到 H 的补码 H'。次要的 det⁡(XR,H)\det(X_{R, H}) 和 det⁡(XR′,H′)\det(X_{R', H'}) 是有时称为*互补*。

拉普拉斯展开的一个重要简单情况是I={1,n}I = \{1, n\}和q=1q = 1,因此H={i}H = \{i\};对于II的每一个子集R={j}R = \{j\},其中一个元素然后det⁡XR,H=ξji\det X_{R, H} = \xi_{ji}。 det⁡XR′,H′\det X_{R', H'}的小数是平方矩阵的行列式,从矩阵规范导出(no. 5),通过在XX中抑制指标jj和列的行获得指标ii。我们用XjiX^{ji}表示这个平方矩阵。显然ρH,H′=(−1)i−1\rho_{H, H'} = (-1)^{i-1}和ρR,R′=(−1)j−1\rho_{R, R'} = (-1)^{j-1};因此(21)在这种情况下变成

(23)det⁡X=∑j=1n(−1)i+jξjidet⁡(Xji) (23) \quad \det X = \sum_{j=1}^n (-1)^{i+j} \xi_{ji} \det(X^{ji})

我们从 (22) 中得到类似的结果

(24)∑j=1n(−1)jiξjidet⁡(Xjk)=0for k≠i. (24) \quad \sum_{j=1}^n (-1)^{ji} \xi_{ji} \det(X^{jk}) = 0 \quad \text{for } k \neq i.

公式 (23) 被称为 X 与指标 i* 的列的行列式 展开。标量(−1)i+jdet⁡(Xji)(-1)^{i+j} \det(X^{ji})被称为指标、jj和ii的辅因子*(或者,滥用语言,ξji\xi^{ji}的辅因子)在XX中。

XX的辅因子**矩阵是矩阵

(25)Y=((−1)i+jdet⁡(Xji)) (25) \quad Y = ((-1)^{i+j} \det(X^{ji}))

其中第jj行的元素和第ii第列是指标jj和ii的辅因子。 公式 (23) 和 (24) 等价于公式

(26)(26)
tY.X=(det⁡X)In. {}^tY . X = (\det X) I_n.

所以:

命题 12 064O

对于型 (n,n)(n, n) 的每个可逆平方矩阵 XX,XX 的逆由公式给出

引用了 2

引用了 命题 8, 推出, III § 11

(27)(27)
X−1=(det⁡X)−1tY X^{-1} = (\det X)^{-1} {}^t Y

其中YY是XX的辅因子矩阵。

通过考虑XX的*转置*并使用no. 5的命题 8,可以相对于两个互补的集合行,特别是det⁡X\det X的展开,获得拉普拉斯展开,因此有公式等价于

(28)(28)
X.tY=(det⁡X)In, X . {}^t Y = (\det X) I_n,

在上面的记号中。

容易验证,如果XX是维数nn的自由A\mathbf{A}-模块MM的自同态uu相对于基(ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n}的矩阵,则tY{}^t Y是矩阵 / 自同态 u~\tilde{u} / MM 由以下条件定义:对于nn 元素 x,y2,…,ynx, y_2, \ldots, y_n / MM的每个集合,

u~(x)∧y2∧⋯∧yn=x∧u(y2)∧⋯∧u(yn). \tilde{u}(x) \wedge y_2 \wedge \cdots \wedge y_n = x \wedge u(y_2) \wedge \cdots \wedge u(y_n).

u~\tilde{u} 称为uu 的*共转置*(cf. § 11, no. 11,命题 13 的推论)。

例 064P

(1) Vandermonde 行列式。 给定 A\mathbf{A} 的 nn 元素的序列 (ζi)1≤i≤n(\zeta_i)_{1 \leq i \leq n},则该序列的 Vandermonde 行列式 是行列式

V(ζ1,ζ2,…,ζn)=∣11…1ζ1ζ2…ζnζ12ζ22…ζn2⋮⋮⋱⋮ζ1n−1ζ2n−1…ζnn−1∣ V(\zeta_1, \zeta_2, \ldots, \zeta_n) = \begin{vmatrix} 1 & 1 & \ldots & 1 \\ \zeta_1 & \zeta_2 & \ldots & \zeta_n \\ \zeta_1^2 & \zeta_2^2 & \ldots & \zeta_n^2 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \zeta_1^{n-1} & \zeta_2^{n-1} & \ldots & \zeta_n^{n-1} \end{vmatrix}

我们将证明

(29)(29)
V(ζ1,ζ2,…,ζn)=∏i<j(ζj−ζi). V(\zeta_1, \zeta_2, \ldots, \zeta_n) = \prod_{i < j} (\zeta_j - \zeta_i).

由于命题对于n=1n = 1来说是直接的,因此我们通过归纳对nn进行论证。

对于每个指标k≥2k \geq 2,我们从指标kk的行中减去指标k−1k - 1的行乘以ζ1\zeta_1;行列式的值不变,因此

V(ζ1,ζ2,…,ζn)=∣11⋯10ζ2−ζ1⋯ζn−ζ10ζ2(ζ2−ζ1)⋯ζn(ζn−ζ1)⋯⋯⋯⋯0ζ2n−2(ζ2−ζ1)⋯ζnn−2(ζn−ζ1)∣ V(\zeta_1, \zeta_2, \ldots, \zeta_n) = \begin{vmatrix} 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 0 & \zeta_2 - \zeta_1 & \cdots & \zeta_n - \zeta_1 \\ 0 & \zeta_2(\zeta_2 - \zeta_1) & \cdots & \zeta_n(\zeta_n - \zeta_1) \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ 0 & \zeta_2^{n-2}(\zeta_2 - \zeta_1) & \cdots & \zeta_n^{n-2}(\zeta_n - \zeta_1) \end{vmatrix}

从而,通过第一个列展开,然后从指标k−1k - 1的列中取出因子ζk−ζ1\zeta_k - \zeta_1,这样得到的次要(2≤k≤n2 \leq k \leq n)

V(ζ1,…,ζn)=(ζ2−ζ1)(ζ3−ζ1)⋯(ζn−ζ1)V(ζ2,…,ζn) V(\zeta_1, \ldots, \zeta_n) = (\zeta_2 - \zeta_1)(\zeta_3 - \zeta_1) \cdots (\zeta_n - \zeta_1) V(\zeta_2, \ldots, \zeta_n)

由归纳成立 (29)。

(2) 考虑阶nn的平方矩阵,它在“矩阵的上三角形矩阵”的形式中呈现(II, § 10, no. 7,例IV)

X=(YT0Z) X = \begin{pmatrix} Y & T \\ 0 & Z \end{pmatrix}

我们表明

det⁡X=(det⁡Y)(det⁡Z). \det X = (\det Y)(\det Z).

令nn为矩阵XX的阶,YY的hh,An\mathbf{A}^n的(ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n}典范基和xix_i(1≤i≤n1 \leq i \leq n)列 XX; 假设意味着 An\mathbf{A}^n 的列 x1,…,xhx_1, \ldots, x_h 属于到子模与基 e1,…,ehe_1, \ldots, e_h,然后定义 (no. 3, 公式 (6))

x1∧x2∧⋯∧xn=(det⁡Y)e1∧e2∧⋯∧eh. x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_n = (\det Y)e_1 \wedge e_2 \wedge \cdots \wedge e_h.

另一方面,对于每个指标i>hi > h,我们可以写成xi=yi+zix_i = y_i + z_i,其中yiy_i是e1,e2,…,ehe_1, e_2, \ldots, e_h的线性组合,ziz_i是eh+1,…,ene_{h+1}, \ldots, e_n的线性组合。通过 (30),x1∧x2∧⋯∧xn∧yi=0x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_n \wedge y_i = 0 对于所有 i>hi > h,因此

x1∧x2∧⋯∧xn=(det⁡Y)e1∧e2∧⋯∧eh∧zh+1∧⋯∧zn. x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_n = (\det Y)e_1 \wedge e_2 \wedge \cdots \wedge e_h \wedge z_{h+1} \wedge \cdots \wedge z_n.

但到定义

zh+1∧zh+2∧⋯∧zn=(det⁡Z)eh+1∧eh+2∧⋯∧en z_{h+1} \wedge z_{h+2} \wedge \cdots \wedge z_n = (\det Z)e_{h+1} \wedge e_{h+2} \wedge \cdots \wedge e_n

从而公式 (30)。

根据pp上的归纳,如果XX是矩阵的上三角形矩阵的形式:

X=(X11X12⋯X1p0X22⋯X2p⋯⋯⋯⋯00⋯Xpp) X = \begin{pmatrix} X_{11} & X_{12} & \cdots & X_{1p} \\ 0 & X_{22} & \cdots & X_{2p} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ 0 & 0 & \cdots & X_{pp} \end{pmatrix}

(31)

det⁡X=(det⁡X11)(det⁡X22)…(det⁡Xpp). \det X = (\det X_{11})(\det X_{22}) \ldots (\det X_{pp}).

这尤其适用于三角形矩阵(其中所有 XiiX_{ii} 均为阶 1),更具体地适用于对角矩阵:

(32)

det⁡(diag⁡(α1,α2,…,αn))=α1α2…αn. \det(\operatorname{diag}(\alpha_1, \alpha_2, \ldots, \alpha_n)) = \alpha_1 \alpha_2 \ldots \alpha_n.

(3) 令M,M′M, M'分别为维数n,n′n, n'、MM的uu自同态和M′M'的u′u'自同态的两个自由AA模块。然后

(33)

det⁡(u⊗u′)=(det⁡u)n′(det⁡u′)n. \det(u \otimes u') = (\det u)^{n'} (\det u')^n.

因为我们可以写 u⊗u′=(u⊗1M′)∘(1M⊗u′)u \otimes u' = (u \otimes 1_{M'}) \circ (1_M \otimes u') ,然后导致两个自同态 u,u′u, u' 之一是恒等式的情况。对于例,如果u′=1M′u' = 1_{M'}和XX相对于MM的基(ei)(e_i)是uu的矩阵,则u⊗1M′u \otimes 1_{M'}的矩阵相对于张量积 M′M'的(ei)(e_i)和基可以写成矩阵(有n′n'行和n′n'列)矩阵有nn行和nn列

(X0…00X…0…………00…X) \begin{pmatrix} X & 0 & \ldots & 0 \\ 0 & X & \ldots & 0 \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ 0 & 0 & \ldots & X \end{pmatrix}

从而,凭借*例2*,

det⁡(u⊗1M′)=(det⁡X)n′=(det⁡u)n′ \det(u \otimes 1_{M'}) = (\det X)^{n'} = (\det u)^{n'}

这立即给出公式 (33)。

引用了 1

引用了 II § 10. 。 矩阵

7. 在线性方程中的应用

考虑在 (可交换) 环 AA (II, § 2, no. 8) 上的 nn 未知数中的系统或 nn 标量线性方程:

(34)

∑j=1nλijxj=ηi(1≤i≤n). \sum_{j=1}^n \lambda_{ij} x_j = \eta_i \quad (1 \leq i \leq n).

令LL为平方矩阵(λij)(\lambda_{ij})/阶nn;像往常一样将矩阵与ξi\xi_i(分别是ηi\eta_i)中的一个列由……组成与An\mathbf{A}^n中的元素x=(ξi)x = (\xi_i)(分别是An\mathbf{A}^n中的元素y=(ηi)y = (\eta_i))进行识别, 系统 (34) 也可以写成 (II, § 10, no. 3, 命题 2)

(35)

L.x=y. L.x = y.

令uu为An\mathbf{A}^n的自同态x↦L.xx \mapsto L.x,LL相对于典范基为矩阵;说方程(35)对于所有y∈Any \in \mathbf{A}^n(至少)有一个解意味着uu是满射的; 定理 1 of no. 2 那么意味着以下命题:

命题 13 064Q

对于交换环上nn未知数中的系统或nn线性方程,无论其右侧如何,至少承认一个解,矩阵或系统的行列式是可逆的必要且充分;在这种情况下,系统承认单个解。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 命题 3

被以下引用 命题 16

若A\mathbf{A}中det⁡L\det L不是零的除子,则式(34)等价于

(det⁡L)L.x=(det⁡L)y. (\det L)L.x = (\det L)y.
如果MM是LL的辅因子矩阵,我们可以从no. 6关系的(34)和公式(26)导出 (36)
(det⁡L)x=tM.y (\det L)x = {}^tM.y
也可以写成 (37)
(det⁡L)ξi=∑j=1n(−1)i+j(det⁡Lij)ηj=det⁡Li(1≤i≤n) (\det L)\xi_i = \sum_{j=1}^n (-1)^{i+j}(\det L^{ij})\eta_j = \det L_i \quad (1 \leq i \leq n)
其中,LiL_i表示矩阵由替换列、指标ii的LL通过yy获得。 公式 (37) 被称为 Cramer 的公式 对于系统 (34); (34) 的每个解也是 (37) 的解。相反,我们从 (36) 推导,考虑到 no. 6 的公式 (28), (38)
(det⁡L)(L.x−y)=0 (\det L)(L.x - y) = 0
因此,如果det⁡L\det L不是A\mathbf{A}中零的除子,系统 (34) 和 (37) 等价;如果 det⁡L\det L 可逆,则 (34) 的唯一解由下式给出 (39)
ξi=(det⁡L)−1(det⁡Li)(1≤i≤n). \xi_i = (\det L)^{-1}(\det L_i) \quad (1 \leq i \leq n).
系统 (34) 使得 det⁡L\det L 可逆,也称为 Cramer 系统。

特别是令 y=0y = 0;然后从命题 3 of no. 2 得出:

命题 14 064R

对于交换环上nn未知数中nn的齐次线性系统要承认非零解,其矩阵的行列式是零的除子是必要且充分的。

8. 交换域案例

当环A\mathbf{A}为交换域时,以上均适用;但有一些简化和额外的结果。

因此,在这种情况下,§ 7, no. 9的命题12可以表述如下:

命题 15 064S

令E\mathbf{E}大于向量空间超过交换域;为了使 pp 向量 xi∈Ex_i \in \mathbf{E} (1≤i≤p1 \leq i \leq p) 线性无关,x1∧x2∧⋯∧xp≠0x_1 \wedge x_2 \wedge \cdots \wedge x_p \neq 0 是充分必要的。

被以下引用 3

被以下引用 推论, 命题 16, 定理 1

推论 064T

令XX为型(m,n)(m, n)除以交换域的矩阵。 XX的秩等于最大的整数pp,使得阶pp的XX中至少存在一个小数,即≠0\neq 0。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 定义 7, II § 10, 命题 15

被以下引用 命题 16

XX的秩是XX的线性无关列的最大值数(II, § 10, no. 12,定义7)。然后从命题 15 和公式 (17) of no. 5 得出推论。

现在考虑交换域 K\mathbf{K} 上 nn 未知数中 mm 线性方程的系统的情况:

∑j=1nλijξj=ηi(1≤i≤m). \sum_{j=1}^n \lambda_{ij} \xi_j = \eta_i \quad (1 \leq i \leq m).

(41)

命题 16 064U

令 L=(λij)L = (\lambda_{ij}) 为系统 (41) 中的矩阵(型 (m,n)(m, n))。令MM为型(m,n+1)(m, n+1)中的矩阵,在LL上加上第(n+1)(n+1)个列(ηi)(\eta_i)(II, § 10, no. 1)。令 pp 为 LL 的秩(由应用命题 15 的推论计算)。假设LL的次要Δ\Delta(通过抑制LL中指标≥p+1\geq p + 1的行和列的行列式矩阵)是≠0\neq 0(这总是可以通过在行上的合适的置换来实现) LL 以及LL 的列上合适的置换)。那么,要使系统 (41) 至少有一个解,MM 的阶 p+1p + 1 的所有次数是阶 p+1p + 1 MM 的子矩阵的行列式,其列有指标1,2,…,p1, 2, \ldots, p和n+1n+1,为零。如果是这样,系统(41)中的解就是前pp方程中的系统由……组成;如果它们被写成

∑j=1pλijξj=ηi−∑k=p+1nλikξk(1≤i≤p) \sum_{j=1}^p \lambda_{ij} \xi_j = \eta_i - \sum_{k=p+1}^n \lambda_{ik} \xi_k \quad (1 \leq i \leq p)
引用了 5

引用了 II § 10. 。 矩阵, 推论, 命题 12, II § 10, 命题 13, 命题 15

这个系统的所有解都是通过取指标k>pk > p任意值和应用Cramer的公式(no. 7,公式(37))的ξk\xi_k得到计算 ξj\xi_j 指标 j≤pj \leq p。

我们知道(II, § 10, no. 12,命题 12),系统(41)至少有一个解,矩阵LL和MM有相同的秩是充分必要的。将 LL 的行和列排列为叙述的满足条件,令 aia_i (1≤i≤p1 \leq i \leq p) 表示 LL 的第一个 pp 列, y=(ηi)y = (\eta_i) MM 的第 (n+1)(n+1)-第列;由于 LL 的所有列均由 aia_i 的假设线性组合组成,所以说 MM 与 LL 具有相同的秩 pp 意味着 yy 是aia_i 的线性组合,或者 a1∧⋯∧ap∧y=0a_1 \wedge \cdots \wedge a_p \wedge y = 0 的 (命题 15)。 叙述中的可能性条件是后者关系的翻译,考虑到no. 5的公式(17)。此外,由于MM的前pp行是线性无关的,指标>p> p的行是其中的线性组合,因此(42)的每个解也是(41)的解。 最后一个断言那么直接的推论命题 13 no. 7。

9. 幺模群SL(n,A)\mathbf{SL}(n, A)

让Mn(A)\mathbf{M}_n(A)表示AA上的阶nn的方阵的环。考虑映射det⁡:Mn(A)→A\det : \mathbf{M}_n(A) \to A。 Mn(A)\mathbf{M}_n(A)的可逆元群GL(n,A)\mathbf{GL}(n, A)(与AA-模块AnA^n的自同构群同构(II, § 10, no. 7))在这个映射下就是逆像 AA可逆元乘法群A∗A^*(no. 3、命题5)。 注另一方面,映射 det⁡:GL(n,A)→A∗\det : \mathbf{GL}(n, A) \to A^* 是群同态(no. 3,命题 5)。

此外,映射det⁡:Mn(A)→A\det : \mathbf{M}_n(A) \to A是*满射*(因此同态det⁡:GL(n,A)→A∗\det : \mathbf{GL}(n, A) \to A^*也是);因为,对于所有 λ∈A\lambda \in A,

det⁡(diag⁡(λ,1,…,1))=λ \det(\operatorname{diag}(\lambda, 1, \ldots, 1)) = \lambda

凭借no. 6的公式(32)。

满同态 det⁡:GL(n,A)→A∗\det : \mathbf{GL}(n, A) \to A^*的*核*是GL(n,A)\mathbf{GL}(n, A)的正规子群,由*单模* 矩阵组成;它用SLn(A)\mathbf{SL}_n(A)或SL(n,A)\mathbf{SL}(n, A)表示,通常称为幺模群*或方阵的*群*或阶nn在AA上的特殊线性群*。

在这个没有。我们将检查 AA 是 域 的情况。回想一下,对于1≤i≤n,1≤j≤n1 \leq i \leq n, 1 \leq j \leq n,EijE_{ij}表示阶nn中的平方矩阵,除了指标ii行中的那个之外,所有元素都是零并且列指标 jj,等于 1;其中 InI_n 表示阶 nn 的单位矩阵,我们为 不同 指标 i,ji, j 的每个有序对以及所有 λ∈A\lambda \in A 写 Bij(λ)=In+λEijB_{ij}(\lambda) = I_n + \lambda E_{ij} (II, § 10, no. 13)。

命题 17 064V

令KK为交换域。 幺模群 SL(n,K)\mathbf{SL}(n, K) 由矩阵 Bij(λ)B_{ij}(\lambda) 与 i≠ji \neq j 和 λ∈K\lambda \in K 生成。

引用了 1 · 被以下引用 4

引用了 命题 14, II § 10

被以下引用 推论, 注 2, LIE VII § 3, 定理 2, LIE VIII § 1, 命题 3, LIE VIII § 11

由II, § 10, no. 13、命题 14,我们知道GL(n,K)\mathbf{GL}(n, K)中的每一个矩阵都是形式Bij(λ)B_{ij}(\lambda)的矩阵乘积和形式的矩阵 diag⁡(1,1,…,1,α)\operatorname{diag}(1, 1, \ldots, 1, \alpha) 与 α∈K∗\alpha \in K^*。现在det⁡(Bij(λ))=1\det(B_{ij}(\lambda)) = 1和det⁡(diag⁡(1,…,1,α))=α\det(\operatorname{diag}(1, \ldots, 1, \alpha)) = \alpha是直接的(no. 6,*例2*); 从而命题。

推论 064W

群*SL(n,K)\mathbf{SL}(n, K)*是*GL(n,K)\mathbf{GL}(n, K)的换位子群,*除了*n=2n = 2*和其中*KK*与2个元素*是域*的情况。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 I § 6. 。 扩张,可溶解群,惰性群, 命题 17

被以下引用 习题 22, § 8

因为SL(n,K)\mathbf{SL}(n, K)是GL(n,K)\mathbf{GL}(n, K)的同态的核到群K∗K^*、SL(n,K)\mathbf{SL}(n, K)包含换位子群Γ\GammaGL(n,K)\mathbf{GL}(n, K) (I, § 6, no. 2)。 为了证明 SL(n,K)=Γ\mathbf{SL}(n, K) = \Gamma,只需在命题 17 处证​​明,对于所有 λ∈K∗\lambda \in K^*、Bij(λ)B_{ij}(\lambda) 属于到 Γ\Gamma。 现在,自Bij(λ)=Q.Bij(1).Q−1B_{ij}(\lambda) = Q . B_{ij}(1) . Q^{-1}起,Bij(λ)B_{ij}(\lambda)是GL(n,K)\mathbf{GL}(n, K)中的Bij(1)B_{ij}(1)共轭,其中QQ相对于KnK^n的自同构vv典范基(ei)(e_i)表示矩阵这样v(ei)=λei,v(ek)=ekv(e_i) = \lambda e_i, v(e_k) = e_k 对应 k≠ik \neq i。 另一方面,令uiju_{ij}(对于i≠ji \neq j)是KnK^n的自同构,使得uij(ei)=−ej, uij(ej)=ei, uij(ek)=eku_{ij}(e_i) = -e_j, \ u_{ij}(e_j) = e_i, \ u_{ij}(e_k) = e_k对于k∉{i,j}k \notin \{i, j\},其中属于到SL(n,K)\mathbf{SL}(n, K);那么Bji(λ)=UijBij(−λ)Uij−1B_{ji}(\lambda) = U_{ij} B_{ij}(-\lambda) U_{ij}^{-1},其中UijU_{ij}是uiju_{ij}相对于典范基的矩阵。 类似地,如果1<i<j1 < i < j,则B1j(λ)=U1iBij(λ)U1i−1B_{1j}(\lambda) = U_{1i} B_{ij}(\lambda) U_{1i}^{-1},最后,对于2<j2 < j,B12(λ)=U2jB1j(λ)U2j−1B_{12}(\lambda) = U_{2j} B_{1j}(\lambda) U_{2j}^{-1}。 这证明了GL(n,K)/Γ\mathbf{GL}(n, K)/\Gamma中所有Bij(λ)B_{ij}(\lambda)具有相同的像ss,并且还需要证明ss是单位元素。

首先假设KK包含元素λ\lambda不同于0和1;那么1=λ+(1−λ)1 = \lambda + (1 - \lambda),右边的两个项就是≠0\neq 0; 关系 B12(1)=B12(λ)B12(1−λ)B_{12}(1) = B_{12}(\lambda) B_{12}(1 - \lambda) 显示s2=ss^2 = s,因此ss 为单位元素。

现在假设n≥3n \geq 3。 乘积 B21(1)B31(1)B_{21}(1) B_{31}(1) 是自同构 uu KnK^n 的矩阵,使得u(e1)=e1+e2+e3,u(ei)=eiu(e_1) = e_1 + e_2 + e_3, u(e_i) = e_i i≠1i \neq 1。如果SS是自同构u′u'或KnK^n的矩阵,使得u′(e2)=e2+e3,u′(ei)=eiu'(e_2) = e_2 + e_3, u'(e_i) = e_i对应i≠2i \neq 2,则S.B21(1)B31(1).S−1=B21(1)S . B_{21}(1) B_{31}(1) . S^{-1} = B_{21}(1);我们还推导出s2=ss^2 = s,从而完成证明。

注 064X

(1) GL(2,F2)=SL(2,F2)\mathbf{GL}(2, \mathbf{F}_2) = \mathbf{SL}(2, \mathbf{F}_2);这是阶 6 的可解群,其换位子群为指标 2 (II, § 10, 习题 14)。

(2) 同上记号,可如I, § 5, no. 7,命题 9 证明,对于i<j,j−i>1i < j, j - i > 1,uij=uj−1,jui,j−1uj−1,j−1u_{ij} = u_{j-1, j} u_i, _{j-1} u_{j-1, j}^{-1};因此*群*SL(n,K)\mathbf{SL}(n, K)*由矩阵*B12(λ)B_{12}(\lambda)*和*Ui,i+1U_{i, i+1}*为*1≤i≤n−11 \leq i \leq n - 1生成。

引用了 2

引用了 习题 14, § 10, 命题 9, I § 5

10. 与 A\mathbf{A}-模块自同态关联的 A[X]\mathbf{A}[X]-模块

令MM为A\mathbf{A}模,uu自同态为MM。考虑多项式环 A[X]\mathbf{A}[X] 在 A\mathbf{A} 上的一个不定XX 中。对于每个多项式 p∈A[X]p \in \mathbf{A}[X] 和所有 x∈Mx \in M,我们写

p.x=p(u)(x). p . x = p(u)(x).

作为A[X]\mathbf{A}[X]的两个多项式p,qp, q的(pq)(u)=p(y)∘q(u)(pq)(u) = p(y) \circ q(u),A[X]\mathbf{A}[X]-模结构因此定义在MM上; 集合MM,有了这个结构,就用MuM_u表示; MM给出的A\mathbf{A}模块结构是通过将MuM_u的运算符的环限制为A\mathbf{A}而获得的。 注 MuM_u 的子模只是 MM 的子模,在 uu 下*稳定*。

由于A[X]×MA[X] \times M到MM的映射(p,x)↦p.x(p, x) \mapsto p.x是AA双线性,因此定义典型地是AA线性映射ϕ:A[X]⊗AM→M\phi : A[X] \otimes_A M \to M,使得

ϕ(p⊗x)=p.x=p(u)(x). \phi(p \otimes x) = p.x = p(u)(x).
另一方面,A[X]⊗AMA[X] \otimes_A M 具有规范的 A[X]A[X] 模块结构 (II, § 5, no. 1);我们用M[X]M[X]来表示这个A[X]A[X]模块; 映射 ϕ:M[X]→Mu\phi : M[X] \to M_u 是 A[X]A[X] 线性,因为对于 A[X]A[X] 和 x∈Mx \in M 中的 p,qp, q,
ϕ(q(p⊗x))=ϕ((qp)⊗x)=(qp).x=q(u)(p(u)(x))=q.ϕ(p⊗x). \phi(q(p \otimes x)) = \phi((qp) \otimes x) = (qp).x = q(u)(p(u)(x)) = q.\phi(p \otimes x).
此外,uu是MuM_u的A[X]A[X]自同态,对于
u(p.x)=u(p(u)(x))=(up(x))(x)=p.u(x). u(p.x) = u(p(u)(x)) = (up(x))(x) = p.u(x).
最后,M[X]M[X]的A[X]A[X]自同态uˉ\bar{u}通过写作(II, § 5, no. 1)来定义
uˉ(p⊗x)=p⊗u(x). \bar{u}(p \otimes x) = p \otimes u(x).
此外,从公式 (44) 和 (45) 可以得出,A[X]A[X]-线性映射 u,uˉu, \bar{u} 和 ϕ\phi 通过关系相关
ϕ∘uˉ=u∘ϕ. \phi \circ \bar{u} = u \circ \phi.
让ψ\psi表示M[X]M[X]的A[X]A[X]自同态X−uˉX - \bar{u},因此ψ(p⊗x)=(Xp)⊗x−p⊗u(x)\psi(p \otimes x) = (Xp) \otimes x - p \otimes u(x)。我们有以下命题:

命题 18 064Y

序列 / A[X]A[X]-同态*

M[X]→ψM[X]→ϕMu⟶0 M[X] \xrightarrow{\psi} M[X] \xrightarrow{\phi} M_u \longrightarrow 0
是准确的。

被以下引用 2

被以下引用 命题 20(“凯利-汉密尔顿定理”), VII § 5. 。 自同态 / 向量空间

由于 ϕ(1⊗x)=x\phi(1 \otimes x) = x 对于所有 x∈Mx \in M,显然 ϕ\phi 是满射的;另一方面,

ϕ(X(p⊗x))=X.ϕ(p⊗x)=u(ϕ(p⊗x)), \phi(X(p \otimes x)) = X.\phi(p \otimes x) = u(\phi(p \otimes x)),
其他字,ϕ∘X=u∘ϕ=ϕ∘uˉ\phi \circ X = u \circ \phi = \phi \circ \bar{u}由(46);这证明了ϕ∘ψ=0\phi \circ \psi = 0。仍有待验证Ker⁡ϕ⊂Im⁡ψ\operatorname{Ker} \phi \subset \operatorname{Im} \psi。对于这个注,由于AA模A[X]A[X]的单项式XkX^k (k≥0k \geq 0)形式基,每个元素z∈M[X]z \in M[X]都可以唯一地写成形式 z=∑kXk⊗xkz = \sum_k X^k \otimes x_k,其中(xk)(x_k)是元素、MM、有限支撑的家庭。如果z∈Ker⁡ϕz \in \operatorname{Ker} \phi,那么ϕ(z)=∑kuk(xk)=0\phi(z) = \sum_k u^k(x_k) = 0,我们可以写
z=∑k(Xk⊗xk−1⊗uk(xk))=∑k(Xk−uˉk)(1⊗xk). z = \sum_k (X^k \otimes x_k - 1 \otimes u^k(x_k)) = \sum_k (X^k - \bar{u}^k)(1 \otimes x_k).
但由于M[X]M[X]的A[X]A[X]自同态XX和uˉ\bar{u}是可置换的,那么

Xk−uˉk=(X−uˉ)∘(∑j=0k−1Xjuˉk−j−1) X^k - \bar{u}^k = (X - \bar{u}) \circ \left( \sum_{j=0}^{k-1} X^j \bar{u}^{k-j-1} \right)

这证明存在一个y∈M[X]y \in M[X]使得z=ψ(y)z = \psi(y)。

现在让M′M'为另一个AA模,u′u'自同态为M′M';设Mu′′M'_{u'}、ϕ′\phi'、uˉ′\bar{u}'、ψ′\psi'为从M′M'和u′u'获得的模和映射,即获得MuM_u、ϕ\phi、uˉ\bar{u}、ψ\psi从 MM 到 uu。然后:

命题 19 064Z

对于 M 到 M' 的映射 g 是 M_u 到 M'_u 的 A[X]-同态,g 是 M 到 M' 的 A-同态使得 g∘u=u′∘gg \circ u = u' \circ g 是必要且充分的。在这种情况下,如果 gˉ\bar{g} 是 M[X] 到 M'[X] 的 A[X] 同态,等于 1A[x]⊗g1_{A[x]} \otimes g (II, § 5, no. 1),则图表

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 II § 5. 。标量的环的扩张

被以下引用 习题 26, § 8, VII § 5. 。 自同态 / 向量空间

M[X]→ψM[X]→ϕMu⟶0↓gˉ↓gˉ↓gM′[X]→ψ′M′[X]→ϕ′Mu′′⟶0 \begin{array}{cccccc} M[X] & \xrightarrow{\psi} & M[X] & \xrightarrow{\phi} & M_u & \longrightarrow 0 \\ \downarrow \bar{g} & & \downarrow \bar{g} & & \downarrow g & \\ M'[X] & \xrightarrow{\psi'} & M'[X] & \xrightarrow{\phi'} & M'_{u'} & \longrightarrow 0 \end{array}

是*可交换的*。

条件 g∘u=u′∘gg \circ u = u' \circ g 显然是 (43) 所必需的,因为 gg 是 A[X]-同态;这就足够了,因为归纳意味着对于每个整数n>0n > 0都有g∘un=u′n∘gg \circ u^n = {u'}^n \circ g。另一方面,对于所有x∈Mx \in M和所有p∈A[X]p \in A[X],

ϕ′(gˉ(p⊗x))=ϕ′(p⊗g(x))=p(u′)(g(x))=g(p(u)(x))=g(ϕ(p⊗x)) \phi'(\bar{g}(p \otimes x)) = \phi'(p \otimes g(x)) = p(u')(g(x)) = g(p(u)(x)) = g(\phi(p \otimes x))
和
uˉ′(g(p⊗x))=uˉ′(p⊗g(x))=p⊗u′(g(x))=p⊗g(u(x))=gˉ(uˉ(p⊗x)) \bar{u}'(g(p \otimes x)) = \bar{u}'(p \otimes g(x)) = p \otimes u'(g(x)) = p \otimes g(u(x)) = \bar{g}(\bar{u}(p \otimes x))
这就证明了图表 (48) 的交换律。

11. AN 自同态的特征多项式

令MM为维数nn和uu自同态的自由AA模块MM。考虑两个不定式A[X,Y]A[X, Y]和A[X,Y]A[X, Y]模M[X,Y]=A[X,Y]⊗AMM[X, Y] = A[X, Y] \otimes_A M中的多项式环;令 uˉ\bar{u} 为 A[X,Y]A[X, Y] 模块 M[X,Y]M[X, Y] 的自同态,该模块规范地源自 uu (II, § 5, no. 1)。由 no. 5, 命题 11 得出

det⁡(X−Yuˉ)=∑j=0n(−1)jTr(∧j(u))Xn−jYj \det(X - Y \bar{u}) = \sum_{j=0}^n (-1)^j \mathrm{Tr}(\wedge^j(u)) X^{n-j} Y^j

因为如果相对于MM的基(ei)1≤i≤n(e_i)_{1 \leq i \leq n},UU是uu的矩阵,相对于M[X,Y]M[X, Y]的基(1⊗ei)1≤i≤n(1 \otimes e_i)_{1 \leq i \leq n},UU是uˉ\bar{u}的矩阵,因此

Tr(∧j(uˉ))=Tr(∧j(u)). \mathrm{Tr}(\wedge^j(\bar{u})) = \mathrm{Tr}(\wedge^j(u)).

定义 3 0650

令 MM 为有限维自由 AA 模,且为 MM 的 uu 自同态。自由A[X]A[X]模M[X]M[X]的自同态X−uˉX - \bar{u}的行列式称为uu的特征多项式,记为χu(X)\chi_u(X)。

被以下引用 1

被以下引用 VIII § 17. 。 简化范数与迹

如果 MM 是秩 nn,则由 (49) 得出

χu(X)=∑j=0n(−1)jTr⁡(∧j(u))Xn−j \chi_u(X) = \sum_{j=0}^n (-1)^j \operatorname{Tr}(\wedge^j(u)) X^{n-j}

对于 det⁡(X−Yuˉ)=det⁡(X.In+YU)\det(X - Y \bar{u}) = \det(X . I_n + Y U) 和 det⁡(X−uˉ)=det⁡(X.In−U)\det(X - \bar{u}) = \det(X . I_n - U)。由此可见,χu(X)\chi_u(X)是次数nn的一元多项式,其中Xn−1X^{n-1}的系数为−Tr⁡(u)-\operatorname{Tr}(u),常数项为(−1)ndet⁡(u)(-1)^n \det(u)。

命题 20(“凯利-汉密尔顿定理”) 0651

对于有限维自由 AA 模块的每个自同态 uu,χu(u)=0\chi_u(u) = 0。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 命题 18

被以下引用 命题 4, III § 9, 推论 2, VIII § 17

在命题 18 的记号(§3§ 3、no. 10)中,对于所有x∈Mx \in M,χu(u)(x)\chi_u(u)(x) 是χu(X)⊗x\chi_u(X) \otimes x 的ϕ\phi 下的像。但如果 vv 是 M[X]M[X] 的自同态,X−uˉX - \bar{u} (no. 6) 的转置,那么

χu(X)⊗x=χu(X)(1⊗x)=(X−uˉ)(v(1⊗x)) \chi_u(X) \otimes x = \chi_u(X)(1 \otimes x) = (X - \bar{u})(v(1 \otimes x))

结论由命题18 of no. 10得出。

习题

参见习题为 § 8。

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