行列式―余因子展開

<定義>
 任意の行列\(A\)の行列式について
 \(\small{ \begin{eqnarray} &|A|=& \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix}\\ & =& a_{11}(-1)^{1+1}\begin{vmatrix}a_{22} & a_{23} \\ a_{32} & a_{33}\end{vmatrix} + a_{12}(-1)^{1+2}\begin{vmatrix}a_{21} & a_{23} \\ a_{31} & a_{33}\end{vmatrix} \\ & +& a_{13}(-1)^{1+3}\begin{vmatrix}a_{21} & a_{22} \\ a_{31} & a_{32}\end{vmatrix}  (第1行で展開)\\ & =& a_{12}(-1)^{1+2}\begin{vmatrix}a_{21} & a_{23} \\ a_{31} & a_{33}\end{vmatrix} + a_{22}(-1)^{2+2}\begin{vmatrix}a_{11} & a_{13} \\ a_{31} & a_{33}\end{vmatrix} \\ & +& a_{32}(-1)^{3+2}\begin{vmatrix}a_{11} & a_{13} \\ a_{21} & a_{23}\end{vmatrix}  (第2列で展開) \end{eqnarray} }\)

 というように,各行・列において展開することを,
 余因子展開といい,\(i\)行\(j\)列を取り除いた行列の
 行列式に\((-1)^{i+j}\)を掛け合わせたものを
 \((i,j)\)成分の余因子という.

 例えば,\(A\)の\((2,1)\)成分の余因子\(\Delta_{21}\)は
   \(\Delta_{21}=(-1)^{2+1}\begin{vmatrix} a_{12} & a_{13} \\ a_{32} & a_{33} \end{vmatrix}\) となる.
1/5

  \(\small{B= \begin{bmatrix} 3 & 2 & -1 \\ 2 & 3 & 1 \\ 4 & 1 & 3 \end{bmatrix}}\)の行列式は,多重線形性から

  以下のように書くことができる.

  \(\small{|B|=\begin{vmatrix} 3 & 0 & 0 \\ 2 & 3 & 1 \\ 4 & 1 & 3\end{vmatrix} +\begin{vmatrix} 0 & 2 & 0 \\ 2 & 3 & 1 \\ 4 & 1 & 3\end{vmatrix} +\begin{vmatrix} 0 & 0 & -1 \\ 2 & 3 & 1 \\ 4 & 1 & 3\end{vmatrix} }\)
2/5
  第一項について考える.
  \(\small{B_{11}=\begin{vmatrix} 3 & 0 & 0 \\ 2 & 3 & 1 \\ 4 & 1 & 3\end{vmatrix}}\) を図示すると第2,3列のベクトルは
  \(yz\)平面上にある.これを底面として考えると,体積は
  第1列のベクトル(赤ベクトル)における\(x\)座標にのみ
  依存する.
  したがって上図のようにを行っても,\(Z\)軸方向から
  見ると高さは変わっておらず,体積は変わっていない.
  よって \(\small{B_{11}= \begin{vmatrix} 3 & 0 & 0 \\ 2 & 3 & 1 \\ 4 & 1 & 3\end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 3 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 1 \\ 0 & 1 & 3\end{vmatrix}}\)となる.

3/5
  ここで\(B_{11}\)からなる平行六面体の体積(行列式)は
  \(\small{B_{11} = 底面積\begin{vmatrix} 3 & 1 \\ 1 & 3 \end{vmatrix}×高さ3}\)と考えられる.
  よって\(\small{B_{11}= \begin{vmatrix} 3 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 1 \\ 0 & 1 & 3\end{vmatrix} = 3\begin{vmatrix} 3 & 1 \\ 1 & 2 \end{vmatrix}}\)と式変形できる.

  つまり余因子展開は,元の行列\(B\)を分割し,
  それぞれを\(\small{\begin{vmatrix} 3 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 1 \\ 0 & 1 & 3\end{vmatrix}}\)のようなブロック対角行列の形に
  することで簡単に計算を行おうとする考え方だとわかる.
4/5
  第二項についても同様に考えると
\(\small{ B_{12} = }\) \(\small{=}\) \(\small{=}\)
\(\small{   =}\) \(\small{-2\begin{vmatrix} 2 & 1 \\ 4 & 3\end{vmatrix} }\)
  第二項ではブロック対角行列にするために
  途中で列の入れ替えを1度行っている.
  そのため,多重線形性により符号が変わる.

  したがって,\(i\)行\(j\)列の余因子に\(-1^{i+j}\)が
  掛け合わされているのは,行列の入れ替えを行う回数に
  よって,符号が変わるためである.

5/5
  したがって,第三項も同様にしてまとめると,
  \(\small{\begin{eqnarray} &|B|=& \begin{vmatrix} 3 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 1 \\ 0 & 1 & 3\end{vmatrix} +\begin{vmatrix} 0 & 2 & 0 \\ 2 & 0 & 1 \\ 4 & 0 & 3\end{vmatrix} +\begin{vmatrix} 0 & 0 & -1 \\ 2 & 3 & 0 \\ 4 & 1 & 0\end{vmatrix} \\ & =& \begin{vmatrix} 3 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 1 \\ 0 & 1 & 3\end{vmatrix} -\begin{vmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 4 & 3\end{vmatrix} +\begin{vmatrix} -1 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 3 \\ 0 & 4 & 1\end{vmatrix} \end{eqnarray}}\)
\(\small{   = }\) \(\small{ + }\) \(\small{ + }\)

  のように上図の3つの図形が足された式となり,
  余因子展開の形になる.