Определение.
Пусть — вещественнозначная функция, определенная на векторах .
Функция называется полилинейной, если она линейная по каждому аргументу:
.
Функция называется кососимметрической, если при перестановке любых двух аргументов значение функции меняет знак:
.
Свойства полилинейных кососимметрических функций
Утверждение.
Если — кососимметрическая функция, то она обращается в ноль, если хотя бы два аргумента равны между собой .
Действительно, по определению
,
откуда следует .
Верно и обратное.
Пусть функция такова, что она обращается в ноль, если хотя бы два аргумента равны между собой .
Тогда
,
откуда следует .
Таким образом, условие можно взять в качестве определения кососимметричности.
Утверждение.
.
Действительно, по определению
,
откуда следует .
Утверждение.
Если линейно зависимы, то .
Действительно, если линейно зависимы, то найдется вектор , который линейно выражается через остальные, то есть .
Поэтому
.
В этой сумме каждое слагаемое , поскольку аргумент входит в него по два раза.
Определитель матрицы
Пусть — квадратная матрица размера .
Пусть — строки матрицы .
Определение через перестановки
Положим по определению
,
где — группа перестановок порядка , а — сигнатура или четность перестановки , которая может быть выражена , где — число транспозиций в разложении перестановки .
Определитель обозначают .
Докажем, что определитель есть полилинейная кососимметрическая функция на строках , причем , где — строки единичной матрицы .
Докажем полилинейность, то есть линейность по каждому аргументу.
Докажем кососимметричность.
Пусть — транспозиция. Если пробегает все , то также пробегает все . Также оставляет неподвижными все точки, отличные от , то есть , если .
Наконец докажем, что .
, где символ Кронекера .
.
Итак, доказано, что есть полилинейная кососимметрическая функция строк матрицы .
Аксиоматическое построение определителя
Докажем, что всякая полилинейная кососимметрическая функция представляется в виде
.
Так как , то .
С учетом полилинейности и кососимметричности, последнее выражение приводится к виду
С учетом вышесказанного, понятие определителя может быть введено на основе его свойств. А именно, определителем матрицы называется функция , обладающая следующими тремя свойствами:
- — кососимметрическая функция.
- — полилинейная функция.
- , где — строки единичной матрицы.
Свойства определителя
Определитель транспонированной матрицы
Утверждение.
.
Здесь — матрица транспонированная к матрице , то есть , где .
Доказательство.
Если пробегает все , то также пробегает все . Также .
Определитель треугольной матрицы
Утверждение
.
Доказательство
По определению .
В этой сумме отличны от нуля только те слагаемые, в которых первый сомножитель , то есть только те слагаемые, для которых , поэтому
,
где через обозначена группа перестановок, действующих на множестве .
Следствие 1.
.
Следствие 2.
.
Доказательство
.
Мы воспользовались тем, что .
Следствие 3.
.