行列式の基本性質
行列式の基本性質
体\(K\)上の\(n\)次正方行列\(A\)の行列式\(\det A\)について次が成り立つ。
すなわち、列の入れ替えに関しては\(n\)次元列ベクトル\(\left(\boldsymbol{a}_{i}\right)_{i\in\left\{ 1,2,\cdots,n\right\} }\in K^{n}\)があるとき、
\[ \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)=-\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \] となる。
また、列の入れ替えに関しては一般的に
\[ \det\left(\boldsymbol{a}_{\sigma\left(1\right)},\boldsymbol{a}_{\sigma\left(2\right)},\cdots,\boldsymbol{a}_{\sigma\left(n\right)}\right)=\sgn\left(\sigma\right)\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \] が成り立つ。
行に関しても同様に成り立つ。
すなわち、列に関しての線形性については\(n\)次元列ベクトル\(\left(\boldsymbol{a}_{i}\right)_{i\in\left\{ 1,2,\cdots,n\right\} },\boldsymbol{b}_{k}\in K^{n}\)があるとき、
\[ \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k}+\boldsymbol{b}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)=\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)+\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{b}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \] が成り立つ。
行についても同様である。
すなわち、列の定数倍については\(n\)次元列ベクトル\(\left(\boldsymbol{a}_{i}\right)_{i\in\left\{ 1,2,\cdots,n\right\} }\in K^{n}\)があるとき、
\[ \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,c\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)=c\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \] が成り立つ。
行についても同様である。
すなわち、\(n\)次元列ベクトル\(\left(\boldsymbol{a}_{i}\right)_{i\in\left\{ 1,2,\cdots,n\right\} }\in K^{n}\)があるとき、
\[ \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)=\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j}+c\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \] が成り立つ。
行についても同様である。
\begin{align*} \det\left(A\right) & =\det\left(\begin{array}{cccccccc} a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,j-1} & a_{1,j} & a_{1,j+1} & \cdots & a_{1,n}\\ a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,j-1} & a_{2,j} & a_{2,j+1} & \cdots & a_{2,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{i-1,1} & a_{i-1,2} & \cdots & a_{i-1,j-1} & a_{i-1,j} & a_{i-1,j+1} & \cdots & a_{i-1,n}\\ 0 & 0 & \cdots & 0 & a_{i,j} & 0 & \cdots & 0\\ a_{i+1,1} & a_{i+1,2} & \cdots & a_{i+1,j-1} & a_{i+1,j} & a_{i+1,j+1} & \cdots & a_{i+1,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{n,1} & a_{n,2} & \cdots & a_{n,j-1} & a_{n,j} & a_{n,j+1} & \cdots & a_{n,n} \end{array}\right)\\ & =\left(-1\right)^{i+j}\det\left(A_{i,j}\right) \end{align*} となる。
列についても同様である。
体\(K\)上の\(n\)次正方行列\(A\)の行列式\(\det A\)について次が成り立つ。
(1)列(行)の入れ替え
\(i\ne j\)として行列\(A\)の\(i\)列(行)目と\(j\)列(行)目を入れ替えると行列式の符号が変わる。すなわち、列の入れ替えに関しては\(n\)次元列ベクトル\(\left(\boldsymbol{a}_{i}\right)_{i\in\left\{ 1,2,\cdots,n\right\} }\in K^{n}\)があるとき、
\[ \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)=-\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \] となる。
また、列の入れ替えに関しては一般的に
\[ \det\left(\boldsymbol{a}_{\sigma\left(1\right)},\boldsymbol{a}_{\sigma\left(2\right)},\cdots,\boldsymbol{a}_{\sigma\left(n\right)}\right)=\sgn\left(\sigma\right)\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \] が成り立つ。
行に関しても同様に成り立つ。
(2)同じ列(行)があるとき
行列\(A\)の2つの列(行)が一致するとき行列式は0となる。(3)列(行)に関する線形性
行列式はある列に関して線形性がある。すなわち、列に関しての線形性については\(n\)次元列ベクトル\(\left(\boldsymbol{a}_{i}\right)_{i\in\left\{ 1,2,\cdots,n\right\} },\boldsymbol{b}_{k}\in K^{n}\)があるとき、
\[ \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k}+\boldsymbol{b}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)=\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)+\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{b}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \] が成り立つ。
行についても同様である。
(4)列(行)の定数倍
ある列を\(c\)倍すると行列式も\(c\)倍になる。すなわち、列の定数倍については\(n\)次元列ベクトル\(\left(\boldsymbol{a}_{i}\right)_{i\in\left\{ 1,2,\cdots,n\right\} }\in K^{n}\)があるとき、
\[ \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,c\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)=c\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \] が成り立つ。
行についても同様である。
(5)
行列式の1つの列(行)の定数倍を他の列(行)に加えても行列式の値は変わらない。すなわち、\(n\)次元列ベクトル\(\left(\boldsymbol{a}_{i}\right)_{i\in\left\{ 1,2,\cdots,n\right\} }\in K^{n}\)があるとき、
\[ \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)=\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j}+c\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \] が成り立つ。
行についても同様である。
(6)
行列\(A\)の第\(i\)行で\(\left(i,j\right)\)成分以外が全て0のとき、\(A\)の\(i\)行目と\(j\)行目を除いた行列を小行列\(A_{i,j}\)で表すと\begin{align*} \det\left(A\right) & =\det\left(\begin{array}{cccccccc} a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,j-1} & a_{1,j} & a_{1,j+1} & \cdots & a_{1,n}\\ a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,j-1} & a_{2,j} & a_{2,j+1} & \cdots & a_{2,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{i-1,1} & a_{i-1,2} & \cdots & a_{i-1,j-1} & a_{i-1,j} & a_{i-1,j+1} & \cdots & a_{i-1,n}\\ 0 & 0 & \cdots & 0 & a_{i,j} & 0 & \cdots & 0\\ a_{i+1,1} & a_{i+1,2} & \cdots & a_{i+1,j-1} & a_{i+1,j} & a_{i+1,j+1} & \cdots & a_{i+1,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{n,1} & a_{n,2} & \cdots & a_{n,j-1} & a_{n,j} & a_{n,j+1} & \cdots & a_{n,n} \end{array}\right)\\ & =\left(-1\right)^{i+j}\det\left(A_{i,j}\right) \end{align*} となる。
列についても同様である。
列に関して成り立てば\(\det\left(A\right)=\det\left(A^{T}\right)\)なので行に関しても成り立つ。
(1)
\(\boldsymbol{a}_{m}=\left(a_{1,m},a_{2,m},\cdots a_{n,m}\right)^{T}\)とする。\begin{align*} \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) & =\sum_{\sigma\in S_{n}}\sgn\left(\sigma\right)a_{\sigma\left(1\right),1}a_{\sigma\left(2\right),2}\cdots a_{\sigma\left(j\right),j}\cdots a_{\sigma\left(k\right),k}\cdots a_{\sigma\left(n\right),n}\\ & =\sum_{\sigma\in S_{n}}\sgn\left(\sigma\left(\sigma\left(j\right),\sigma\left(k\right)\right)\right)a_{\sigma\left(1\right),1}a_{\sigma\left(2\right),2}\cdots a_{\sigma\left(k\right),j}\cdots a_{\sigma\left(j\right),k}\cdots a_{\sigma\left(n\right),n}\\ & =-\sum_{\sigma\in S_{n}}\sgn\left(\sigma\right)a_{\sigma\left(1\right),1}a_{\sigma\left(2\right),2}\cdots a_{\sigma\left(k\right),j}\cdots a_{\sigma\left(j\right),k}\cdots a_{\sigma\left(n\right),n}\\ & =-\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \end{align*} となる。
また、
\begin{align*} \det\left(\boldsymbol{a}_{\sigma\left(1\right)},\boldsymbol{a}_{\sigma\left(2\right)},\cdots,\boldsymbol{a}_{\sigma\left(n\right)}\right) & =\sum_{\tau\in S_{n}}\sgn\left(\tau\right)a_{\tau\left(1\right),\sigma\left(1\right)},a_{\tau\left(2\right),\sigma\left(2\right)},\cdots,a_{\tau\left(n\right),\sigma\left(n\right)}\\ & =\sum_{\tau\in S_{n}}\sgn\left(\tau\right)a_{\left(\sigma^{\bullet}\tau\right)\left(1\right),1},a_{\left(\sigma^{\bullet}\tau\right)\left(2\right),2},\cdots,a_{\left(\sigma^{\bullet}\tau\right)\left(n\right),n}\\ & =\sgn\left(\sigma\right)\sum_{\tau\in S_{n}}\sgn\left(\sigma^{\bullet}\tau\right)a_{\left(\sigma^{\bullet}\tau\right)\left(1\right),1},a_{\left(\sigma^{\bullet}\tau\right)\left(2\right),2},\cdots,a_{\left(\sigma^{\bullet}\tau\right)\left(n\right),n}\\ & =\sgn\left(\sigma\right)\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。
(2)
(1)より、\(A\)の同じ列(行))同士を入れ替えると符号が変わるが行列\(A\)はそのままなので、\(\det\left(A\right)=-\det\left(A\right)\)となり\(\det\left(A\right)=0\)となる。従って題意は成り立つ。
(3)
\(\boldsymbol{a}_{m}=\left(a_{1,m},a_{2,m},\cdots a_{n,m}\right)^{T}\)とする。\begin{align*} \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k}+\boldsymbol{b}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) & =\sum_{\sigma\in S_{n}}\sgn\left(\sigma\right)a_{\sigma\left(1\right),1}a_{\sigma\left(2\right),2}\cdots\left(a_{\sigma\left(k\right),k}+b_{\sigma\left(k\right),k}\right)\cdots a_{\sigma\left(n\right),n}\\ & =\sum_{\sigma\in S_{n}}\sgn\left(\sigma\right)\left(a_{\sigma\left(1\right),1}a_{\sigma\left(2\right),2}\cdots a_{\sigma\left(k\right),k}\cdots a_{\sigma\left(n\right),n}+a_{\sigma\left(1\right),1}a_{\sigma\left(2\right),2}\cdots b_{\sigma\left(k\right),k}\cdots a_{\sigma\left(n\right),n}\right)\\ & =\sum_{\sigma\in S_{n}}\sgn\left(\sigma\right)a_{\sigma\left(1\right),1}a_{\sigma\left(2\right),2}\cdots a_{\sigma\left(k\right),k}\cdots a_{\sigma\left(n\right),n}+\sum_{\sigma\in S_{n}}\sgn\left(\sigma\right)a_{\sigma\left(1\right),1}a_{\sigma\left(2\right),2}\cdots b_{\sigma\left(k\right),k}\cdots a_{\sigma\left(n\right),n}\\ & =\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)+\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{b}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。
(4)
\(\boldsymbol{a}_{m}=\left(a_{1,m},a_{2,m},\cdots a_{n,m}\right)^{T}\)とする。\begin{align*} \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,c\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) & =\sum_{\sigma\in S_{n}}\sgn\left(\sigma\right)a_{\sigma\left(1\right),1}a_{\sigma\left(2\right),2}\cdots ca_{\sigma\left(k\right),k}\cdots a_{\sigma\left(n\right),n}\\ & =c\sum_{\sigma\in S_{n}}\sgn\left(\sigma\right)a_{\sigma\left(1\right),1}a_{\sigma\left(2\right),2}\cdots a_{\sigma\left(k\right),k}\cdots a_{\sigma\left(n\right),n}\\ & =c\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \end{align*}
(5)
\begin{align*} \det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) & =\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)+c\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)\\ & =\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)+\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,c\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right)\\ & =\det\left(\boldsymbol{a}_{1},\boldsymbol{a}_{2},\cdots,\boldsymbol{a}_{j}+c\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{k},\cdots,\boldsymbol{a}_{n}\right) \end{align*} となるので与式は成り立つ。(6)
行列\(A\)は\[ A=\left(\begin{array}{cccccc} a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,j} & \cdots & a_{1,n}\\ a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,j} & \cdots & a_{2,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{i,1} & a_{i,2} & \cdots & a_{i,j} & \cdots & a_{i,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{n,1} & a_{n,2} & \cdots & a_{n,j} & \cdots & a_{n,n} \end{array}\right) \] として、第\(i\)行目は\(\left(i,j\right)\)成分以外が全て0なので、\(a_{i,1}=a_{i,2}=\cdots=a_{i,j-1}=a_{i,j+1}=\cdots=a_{i,n}=0\)である。
まず、行列\(A\)の\(\left(i,j\right)\)成分を行と列を入れ替えて、\(\left(n,n\right)\)の位置に移動させる。
このとき、行または列を1回入れ替えるごとに\(-1\)倍されるので、
\begin{align*} \det A & =\det\left(\begin{array}{cccccc} a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,j} & \cdots & a_{1,n}\\ a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,j} & \cdots & a_{2,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{i,1} & a_{i,2} & \cdots & a_{i,j} & \cdots & a_{i,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{n,1} & a_{n,2} & \cdots & a_{n,j} & \cdots & a_{n,n} \end{array}\right)\\ & =\left(-1\right)^{n-i}\det\left(\begin{array}{cccccc} a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,j} & \cdots & a_{1,n}\\ a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,j} & \cdots & a_{2,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{i-1,1} & a_{i-1,2} & \cdots & a_{i-1,j} & \cdots & a_{i-1,n}\\ a_{i+1,1} & a_{i+1,2} & \cdots & a_{i+1,j} & \cdots & a_{i+1,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{n,1} & a_{n,2} & \cdots & a_{n,j} & \cdots & a_{n,n}\\ a_{i,1} & a_{i,2} & \cdots & a_{i,j} & \cdots & a_{i,n} \end{array}\right)\\ & =\left(-1\right)^{n-i}\left(-1\right)^{n-j}\det\left(\begin{array}{cccccccc} a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,j-1} & a_{1,j+1} & \cdots & a_{1,n} & a_{1,j}\\ a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,j-1} & a_{2,j+1} & \cdots & a_{2,n} & a_{2,j}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots\\ a_{i-1,1} & a_{i-1,2} & \cdots & a_{i-1,j-1} & a_{i-1,j+1} & \cdots & a_{i-1,n} & a_{i-1,j}\\ a_{i+1,1} & a_{i+1,2} & \cdots & a_{i+1,j-1} & a_{i+1,j+1} & \cdots & a_{i+1,n} & a_{i+1,j}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots\\ a_{n,1} & a_{n,2} & \cdots & a_{n,j-1} & a_{n,j+1} & \cdots & a_{n,n} & a_{n,j}\\ a_{i,1} & a_{i,2} & \cdots & a_{i,j-1} & a_{i,j+1} & \cdots & a_{i,n} & a_{i,j} \end{array}\right)\\ & =\left(-1\right)^{i+j}\det\left(\begin{array}{cccccccc} a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,j-1} & a_{1,j+1} & \cdots & a_{1,n} & a_{1,j}\\ a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,j-1} & a_{2,j+1} & \cdots & a_{2,n} & a_{2,j}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots\\ a_{i-1,1} & a_{i-1,2} & \cdots & a_{i-1,j-1} & a_{i-1,j+1} & \cdots & a_{i-1,n} & a_{i-1,j}\\ a_{i+1,1} & a_{i+1,2} & \cdots & a_{i+1,j-1} & a_{i+1,j+1} & \cdots & a_{i+1,n} & a_{i+1,j}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots\\ a_{n,1} & a_{n,2} & \cdots & a_{n,j-1} & a_{n,j+1} & \cdots & a_{n,n} & a_{n,j}\\ a_{i,1} & a_{i,2} & \cdots & a_{i,j-1} & a_{i,j+1} & \cdots & a_{i,n} & a_{i,j} \end{array}\right) \end{align*} となる。
ここで、
\begin{align*} B & =\left(\begin{array}{cccc} b_{1,1} & b_{1,2} & \cdots & b_{1,n}\\ b_{2,1} & b_{2,2} & \cdots & b_{2,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ b_{n,1} & b_{n,2} & \cdots & b_{n,n} \end{array}\right)\\ & =\left(\begin{array}{cccccccc} a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,j-1} & a_{1,j+1} & \cdots & a_{1,n} & a_{1,j}\\ a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,j-1} & a_{2,j+1} & \cdots & a_{2,n} & a_{2,j}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots\\ a_{i-1,1} & a_{i-1,2} & \cdots & a_{i-1,j-1} & a_{i-1,j+1} & \cdots & a_{i-1,n} & a_{i-1,j}\\ a_{i+1,1} & a_{i+1,2} & \cdots & a_{i+1,j-1} & a_{i+1,j+1} & \cdots & a_{i+1,n} & a_{i+1,j}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots\\ a_{n,1} & a_{n,2} & \cdots & a_{n,j-1} & a_{n,j+1} & \cdots & a_{n,n} & a_{n,j}\\ a_{i,1} & a_{i,2} & \cdots & a_{i,j-1} & a_{i,j+1} & \cdots & a_{i,n} & a_{i,j} \end{array}\right) \end{align*} とおく。
このとき、\(a_{i,1}=a_{i,2}=\cdots=a_{i,j-1}=a_{i,j+1}=\cdots=a_{i,n}=0\)なので\(b_{n,1}=b_{n,2}=\cdots=b_{n,n-1}=0\)となる。
そうすると、
\begin{align*} \det A & =\left(-1\right)^{i+j}\det\left(\begin{array}{cccccccc} a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,j-1} & a_{1,j+1} & \cdots & a_{1,n} & a_{1,j}\\ a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,j-1} & a_{2,j+1} & \cdots & a_{2,n} & a_{2,j}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots\\ a_{i-1,1} & a_{i-1,2} & \cdots & a_{i-1,j-1} & a_{i-1,j+1} & \cdots & a_{i-1,n} & a_{i-1,j}\\ a_{i+1,1} & a_{i+1,2} & \cdots & a_{i+1,j-1} & a_{i+1,j+1} & \cdots & a_{i+1,n} & a_{i+1,j}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots\\ a_{n,1} & a_{n,2} & \cdots & a_{n,j-1} & a_{n,j+1} & \cdots & a_{n,n} & a_{n,j}\\ a_{i,1} & a_{i,2} & \cdots & a_{i,j-1} & a_{i,j+1} & \cdots & a_{i,n} & a_{i,j} \end{array}\right)\\ & =\left(-1\right)^{i+j}\det\left(B\right)\\ & =\left(-1\right)^{i+j}\det\left(\begin{array}{cccc} b_{1,1} & b_{1,2} & \cdots & b_{1,n}\\ b_{2,1} & b_{2,2} & \cdots & b_{2,n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ b_{n,1} & b_{n,2} & \cdots & b_{n,n} \end{array}\right)\\ & =\left(-1\right)^{i+j}\sum_{\sigma\in S_{n}}\sgn\left(\sigma\right)b_{1,\sigma\left(1\right)}b_{2,\sigma\left(2\right)}\cdots b_{n,\sigma\left(n\right)}\\ & =\left(-1\right)^{i+j}b_{n,n}\sum_{\sigma\in S_{n},\sigma\left(n\right)=n}\sgn\left(\sigma\right)b_{1,\sigma\left(1\right)}b_{2,\sigma\left(2\right)}\cdots b_{n-1,\sigma\left(n-1\right)}\cmt{\because b_{n,1}=b_{n,2}=\cdots=b_{n,n-1}=0}\\ & =\left(-1\right)^{i+j}b_{n,n}\sum_{\sigma\in S_{n-1}}\sgn\left(\sigma\right)b_{1,\sigma\left(1\right)}b_{2,\sigma\left(2\right)}\cdots b_{n-1,\sigma\left(n-1\right)}\\ & =\left(-1\right)^{i+j}b_{n,n}\det\left(\begin{array}{cccc} b_{1,1} & b_{1,2} & \cdots & b_{1,n-1}\\ b_{2,1} & b_{2,2} & \cdots & b_{2,n-1}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ b_{n-1,1} & b_{n-1,2} & \cdots & b_{n-1,n-1} \end{array}\right)\\ & =\left(-1\right)^{i+j}b_{n,n}\det B_{n,n}\\ & =\left(-1\right)^{i+j}a_{i,j}\det A_{i,j} \end{align*} となり与式は成り立つ。
ページ情報
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クロネッカー積の性質
\[
\left(A\otimes B\right)\left(C\otimes D\right)=\left(AC\right)\otimes\left(BD\right)
\]
置換行列の性質
\[
P_{\tau}P_{\sigma}=P_{\tau\circ\sigma}
\]
行列の指数関数の定義
\[
\exp\left(A\right)=\sum_{k-0}^{\infty}\frac{A^{k}}{k!}
\]
行列の相似・同値と相似変換の定義
\[
B=P^{-1}AP
\]

