问题

这种类型行列式的问题,该如何构造进行求解呢?

回答
这是一种很常见的考察行列式性质的题目。这类问题通常不是让你直接去计算,而是利用行列式的各种性质来简化计算或直接得出结果。构造求解的关键在于 “看到”行列式中蕴含的“联系”和“规律”。

下面我将详细拆解这类问题的构造思路和求解方法,尽量让你体会到其中的“匠心”。

核心思想:变幻成我们熟悉的、易于处理的行列式形式

我们已知的、好处理的行列式形式有哪些?

1. 对角矩阵/上三角矩阵/下三角矩阵: 它们的行列式就是对角线上元素的乘积。
2. 零行/零列: 行列式的值为零。
3. 有两行/两列成比例: 行列式的值为零。
4. 行列式的可加性/齐次性: 某些行(或列)可以进行线性组合,而不改变行列式的值(但有其特定的运算规则)。
5. 特定结构的行列式: 比如循环行列式、范德蒙德行列式等,它们有固定的展开公式或性质。

我们的目标就是通过一系列初等行变换(或初等列变换),将给定的复杂行列式“雕刻”成上述易于处理的形式。

初等行(列)变换与行列式值的影响:

在进行构造时,务必清楚每一步变换对行列式值的影响:

两行(列)互换: 行列式的值 乘以 1。
某一行(列)乘以一个非零常数 k: 行列式的值 乘以 k。
某一行(列)的倍数加到另一行(列)上: 行列式的值不变。

这是我们进行“构造”时最主要的“工具”和“规则”。



第一步:仔细审题,观察行列式的结构

面对一道行列式题目,不要急于下笔计算,先花几分钟“望闻问切”:

1. 看元素的特点:
有没有大量的 0?
有没有大量的 1?
有没有重复出现的数字或表达式?
元素之间是否存在某种递进关系(比如等差、等比)?
有没有对称性?(比如关于主对角线对称)

2. 看行的特点:
某一行是否全部是相同的数字或表达式?
某一行是否与另一行看起来很“相似”,只是差了一个常数或者一个简单的变化?
行与行之间是否有某种“线性关系”?(比如 r3 = r1 + r2)

3. 看列的特点:
同行的分析方法,针对列进行观察。

4. 考虑问题给出的“提示”或“已知条件”:
题目可能直接告诉你“设某个行列式的值为 A”,这本身就是一个线索。
题目可能暗示某些变量的关系。



第二步:根据观察,制定“构造”策略

基于第一步的观察,我们可以考虑以下几种常见的构造思路:

思路一:凑出零元素/零行/零列

常见做法: 利用“某一行(列)的倍数加到另一行(列)上”这个性质(不改变行列式值),来抵消掉一些不想要的元素,尤其是在行列式的某一行或某一列上制造出多个零。
目标: 将行列式转化为上三角、下三角或对角矩阵,然后直接计算对角线乘积。

举例说明:

假设有一个行列式,我们观察到第二行比第一行“复杂”一些,但它们的差却相对简单。

```
| a b c |
| a+x b+y c+z |
| d e f |
```

直接计算会很麻烦。但如果我们用 R2 R1 (第二行减去第一行),会得到:

```
| a b c |
| x y z | (行列式值不变)
| d e f |
```

这样,第二行就变得“简洁”了,可能更容易后续操作。

更进阶的: 如果我们想让某一列变成全零(例如,为了证明行列式为零),我们会尝试让某个列的倍数加上另一个列,目标是让某一列的元素都变成零。

思路二:凑出成比例的行/列

常见做法: 同样利用“某一行(列)的倍数加到另一行(列)上”,目标是让某两行或两列的元素变成比例关系。一旦发现两行(或两列)成比例,行列式的值就为零。
目标: 证明行列式等于零。

举例说明:

```
| 1 2 3 |
| 4 5 6 |
| 2 4 6 |
```

我们很容易发现第三行是第一行的 2 倍。如果直接观察不到,我们可以试试:

C2 2C1 (第二列减去第一列的两倍):

```
| 1 0 3 |
| 4 3 6 |
| 2 0 6 |
```
(注意:这里我只是为了举例说明,实际中我们会更有针对性地去构造)

或者,更直接的:

R3 2R1 (第三行减去第一行的两倍):

```
| 1 2 3 |
| 4 5 6 |
| 0 0 0 |
```
(注意:这里我又犯了上面说过的错误,R3 2R1 应该是 (221), (422), (623),结果是 (0,0,0))

正确的理解应该是:

```
| 1 2 3 |
| 4 5 6 |
| 2 4 6 |
```
直接观察,R3 = 2 R1。所以行列式值为 0。

如果我们没直接看到,可以尝试:R3 2R1
```
| 1 2 3 |
| 4 5 6 |
| 2 21 4 22 6 23 |
```
得到:
```
| 1 2 3 |
| 4 5 6 |
| 0 0 0 |
```
由于出现了一行全零,行列式值为 0。

思路三:凑出相同的行/列(用于提取公因子)

常见做法: 有时我们会发现某两行(或两列)中的元素非常相似,可以尝试通过行(列)变换使它们完全相同。一旦有两行(或两列)完全相同,行列式的值就是零。
目标: 制造相同行/列,最终化为零。

举例说明:

```
| a b c |
| a+x b+y c+z |
| a+2x b+2y c+2z |
```

观察发现,R2 R1 = (x, y, z), R3 R2 = (x, y, z)。
所以,我们可以做:

R2' = R2 R1
R3' = R3 R2

得到:

```
| a b c |
| x y z |
| x y z |
```
(注意:这里我们连续做了两次行变换,所以行列式值不变)

现在 R2 和 R3 相同,所以行列式值为 0。

思路四:构造特殊结构(如循环行列式)

常见做法: 有些行列式具有特定的结构,例如循环行列式。对于这类行列式,有专门的公式或者构造方法。
目标: 将原行列式转化为已知的特殊行列式形式。

举例说明: 经典的循环行列式:

```
| a b c |
| c a b |
| b c a |
```
它的行列式值为 $a^3 + b^3 + c^3 3abc$。

如果我们遇到一个类似的行列式,但元素不是直接循环,可以尝试通过行(列)变换来“制造”这种循环结构。

思路五:利用“各行(列)之和”

常见做法: 很多行列式问题,会有一个“妙招”,就是将所有行(或列)加到某一行(或某一列)上。如果加完之后,某一行(或某一列)的所有元素都相同,那么就可以将这个相同的元素提出来,大大简化问题。
目标: 提取公因子,转化为易处理形式。

举例说明:

```
| a+b a b |
| a a+b b |
| b a a+b |
```
如果我们观察所有行加到第一行:
R1' = R1 + R2 + R3

```
| (a+b)+a+b a+(a+b)+a b+b+(a+b) |
| a a+b b |
| b a a+b |
```
化简第一行:
```
| 2a+2b 2a+2b 2a+2b |
| a a+b b |
| b a a+b |
```
现在第一行元素相同,可以提取公因子 $2a+2b$:
```
(2a+2b) | 1 1 1 |
| a a+b b |
| b a a+b |
```
接下来,我们就可以通过 C2 C1 和 C3 C1 来消去第一行的 1:
C2' = C2 C1
C3' = C3 C1

```
(2a+2b) | 1 0 0 |
| a b 0 |
| b 0 a |
```
这是一个上三角矩阵,它的行列式是 $1 b a = ab$。
所以,原行列式的值为 $(2a+2b) ab = 2ab(a+b)$。



第三步:具体操作,谨慎执行

在制定好策略后,就要动手进行变换了。

1. 明确目标: 每次变换都要清楚你想要达到什么目的(消掉某个元素、制造某一行全零、提取公因子等等)。
2. 记录变换: 务必清晰地记录你进行了哪些变换,以及这些变换对行列式值的影响。这有助于你在计算错误时找到问题所在,也能让你的解题过程条理清晰。
3. 选择最优变换: 有时一种目标可以通过多种变换实现,选择最简洁、最不容易出错的那一种。比如,如果目标是消掉某列,但列中有两个非零元素,你可以先利用其中一个非零元素去消另一个,使该列出现两个零,然后再从上三角/下三角矩阵的角度去计算。
4. 善用括号和系数: 当行列式值乘以一个系数(比如 $k$)后,记得在后续计算中都乘上这个系数。可以把这个系数单独列在外面,直到最后再乘进去。
5. 验证: 如果有时间,可以尝试用另一种方法(如果可能的话)或者代入一些简单的数值(如果原题允许)来验证你的结果。



总结一下解决这类问题的“套路”:

1. 观察: 仔细审视行列式的结构,寻找规律、相似性、重复性。
2. 策略: 根据观察,选择最合适的“构造”策略:
制造零:化为三角矩阵。
制造比例/相同:化为零行列式。
提取公因子:化为简化形式。
构造特殊结构。
3. 执行: 运用初等行(列)变换,精准而小心地实现策略。
4. 计算: 当行列式被简化到易于计算的形式时,进行最终的计算。

记住,这类题目考察的是你对行列式性质的理解和灵活运用能力,而不是死记硬背公式。 多做练习,尝试用不同的方法去解决同一个问题,慢慢就会形成一种“直觉”,看到行列式就能大致猜到可能的解法。

希望这些详细的说明能帮助你掌握这类行列式问题的求解方法!

网友意见

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Let the determinant be , then, if , we have

where the red determinant can be refered in the following answer

Let

,

then

,

thus

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