伴随矩阵
1. 定义
设 A 是一个 n×n 的方阵,其元素为 aij。
记 Cij 为元素 aij 的代数余子式,即
Cij=(−1)i+jMij
其中 Mij 是 aij 的余子式(即去掉第 i 行和第 j 列后得到的 n−1 阶行列式)。
伴随矩阵定义为代数余子式矩阵的转置:
A∗=adj(A)=C11C12⋮C1nC21C22⋮C2n⋯⋯⋱⋯Cn1Cn2⋮Cnn
即:
(adj(A))ij=Cji
注意:常见错误是将伴随矩阵直接当作代数余子式矩阵,实际上需要做转置。
- 只有方阵才有伴随矩阵
- A的伴随矩阵可以理解为A矩阵的代数余子式的转置
2. 核心性质
(1) 恒等式
对于任意方阵 A(不论是否可逆):
AA∗=A∗A=∣A∣E
方阵乘方阵的伴随等于方阵的行列式乘单位阵
(2) 行列式的性质
∣A∗∣=∣A∣n−1
方阵的伴随的行列式是原方阵行列式的阶数减一次
(不论是否可逆)
(3) 转置
(A⊤)∗=(A∗)⊤
方阵的转置的伴随等于方阵的伴随的转置
(4) 数乘
设 k 为任意标量,则:
(kA)∗=kn−1A∗
k倍的方阵的伴随等于k的阶数减一次倍的方阵的伴随
(5) 乘法
若 A,B 均为 n×n 方阵,则:
(AB)∗=B∗⋅A∗
(6) 与逆矩阵的关系
若 A 可逆(即 det(A)=0),则有:
A−1=∣A∣1A∗
(7) 逆的伴随
若 A 可逆,则:
(A−1)∗=(A∗)−1
3. 特殊矩阵的伴随
- 对角矩阵
若 A=diag(d1,d2,…,dn),则:
adj(A)=diag(∏j=1dj,∏j=2dj,…,∏j=ndj)
即每个对角元为除去该位置的其余对角元的乘积。
- 二阶方阵
若 A=(acbd),则adj(A)=(d−c−ba)主对角线元素互换、副对角线元素变成相反数。
且恒有:
A⋅A∗=(ad−bc00ad−bc)=∣A∣E
- 上三角 / 下三角矩阵
伴随矩阵也是上三角 / 下三角矩阵。
- 奇异矩阵(不可逆)
伴随矩阵秩最多为 1(当 rank(A)=n−1 时,rank(adj(A))=1)。
4. 计算步骤示例(以 3×3 矩阵为例)
设
A=a11a21a31a12a22a32a13a23a33
步骤:
- 对每个 i,j 计算代数余子式 Cij。
- 构造代数余子式矩阵:
cof(A)=C11C21C31C12C22C32C13C23C33
- 转置得到伴随矩阵:
adj(A)=(cof(A))⊤