类似三对角矩阵行列式的递推公式算法
A Recursive Formula Algorithm of Similar to a Tridiagonal Matrix Determinant
DOI: 10.12677/PM.2022.1211200, PDF, HTML, XML, 下载: 153  浏览: 834  科研立项经费支持
作者: 左陈宇, 代慧慧, 李梦玟, 张雨婷, 袁之成, 董 兵, 王 文:合肥师范学院数学与统计学院,安徽 合肥
关键词: 三对角行列式迭代递推Tridiagonal Determinant Iteration Recursion
摘要: 本文研究了一类特殊的类似三对角的行列式的递推公式。通过迭代关系算法表示,得到一个简洁的递推结果表示,方便在其它领域的应用。
Abstract: In this paper, we study the recurrence formula of a special kind of determinant similar to tridiagonal. A concise recursive result representation is obtained by using iterative relation algo-rithm, which is convenient for application in other fields.
文章引用:左陈宇, 代慧慧, 李梦玟, 张雨婷, 袁之成, 董兵, 王文. 类似三对角矩阵行列式的递推公式算法[J]. 理论数学, 2022, 12(11): 1869-1874. https://doi.org/10.12677/PM.2022.1211200

1. 引言及主要结果

行列式的计算是高等代数中十分重要的内容 [1] ,而且一些特殊的行列式在实际应用中有着重要的作用。比如三对角行列式在经济学中有着非常广泛的应用,在线性代数和组合数学中也具有重要的应用价值。因此,寻找这些特殊行列式的显示计算公式或地推公式也变得非常重要。文献 [2] 中介绍一些三阶的三对角矩阵的行列式的计算方法,文献 [3] [4] 中介绍对角矩阵逆矩阵的计算公式。文献 [5] 中给出n阶三对角矩阵的行列式特殊形式的计算公式,文献 [3] 中给出了下面一般的类似n阶三对角矩阵U的行列式的递推公式和连分数形式的公式,

U = ( a 1 c 1 0 0 0 0 0 d n 2 a 2 b 2 c 2 0 0 0 0 d n 3 a 3 0 b 3 c 3 0 0 0 d n 4 a 4 0 0 b 4 0 0 0 d n 5 a n 2 0 0 0 0 b n 2 c n 2 d 1 a n 1 0 0 0 0 0 b n 1 c n 1 a n 0 0 0 0 0 0 b n )

本文主要受文献 [3] 的启发,对矩阵U再加一条边,并给出具体的递推计算,并对其进行简洁表示。本文构造的行列式有三条边框,即第一行、第一列和第 n + 1 列,其中的元素是互异的常数。另一条边框,即第 n + 1 行,其第一个和最后一个元素为常数,且与行列式中各元素均互异,第 n + 1 行的其它元素均为0,即

D = ( a 1 c 1 e 1 e 2 e n 5 e n 4 e n 3 d n 2 a 2 b 2 c 2 0 0 0 0 d n 3 a 3 0 b 3 c 3 0 0 0 d n 4 a 4 0 0 b 4 0 0 0 d n 5 a n 2 0 0 0 0 b n 2 c n 2 d 1 a n 1 0 0 0 0 0 b n 1 c n 1 a n 0 0 0 0 0 0 b n )

进一步地,所构造行列式的计算结果存在叠代关系。最终发现此关系可用秦九韶算法表示,即得出简洁的结果表示,方便在其它领域的应用。我们的主要结果如下:

定理对 n N + ,矩阵D的行列式可表示为

| D n | = a n ( P n 1 i = 1 n 3 e i P [ n ( i + 2 ) ] b i + 2 ) i = 2 n 1 b i + ( Q n 1 i = 1 n 3 e i Q [ n ( i + 2 ) ] b i + 2 ) i = 2 n b i , (1)

其中

P 1 = c n 1 , P i = c ( n i ) b ( n i + 1 ) P i 1 + d i 1 ; Q 1 = a n 1 , Q i = c ( n i ) b ( n i + 1 ) Q i 1 + a n i , i = 2 , 3 , , n 1.

证明:按最后一行展开可得

| D | = ( 1 ) n + 1 a n | c 1 e 1 e 2 e n 5 e n 4 e n 3 d n 2 b 2 c 2 c 2 0 0 0 d n 3 0 b 3 b 3 0 0 0 d n 4 0 0 b 4 0 0 0 d n 5 0 0 0 0 b n 2 c n 2 d 1 0 0 0 0 0 b n 1 c n 1 | + b n | a 1 c 1 e 1 e 2 e n 5 e n 4 e n 3 a 2 b 2 c 2 0 0 0 0 a 3 0 b 3 c 3 0 0 0 a 4 0 0 b 4 0 0 0 a n 2 0 0 0 0 b n 2 c n 2 a n 1 0 0 0 0 0 b n 1 | = H 1 + H 2

下面分别计算行列式 H 1 H 2 。先计算 H 1 ,添加边框后再交换第一列和最后一列,可得

H 1 = | 1 0 0 c 1 0 e 1 0 e 2 0 e n 4 0 e n 3 0 d n 2 0 b 2 c 2 0 0 0 d n 3 0 0 b 3 c 3 0 0 d n 4 0 0 0 0 c n 3 0 d 2 0 0 0 0 b n 2 c n 2 d 1 0 0 0 0 0 b n 1 c n 1 | = | 0 d n 2 0 c 1 0 e 1 0 e 2 0 e n 4 0 e n 3 1 0 d n 3 b 2 c 2 0 0 0 0 d n 4 0 b 3 c 3 0 0 0 d 2 0 0 0 c n 3 0 0 d 1 0 0 0 b n 2 c n 2 0 c n 1 0 0 0 0 b n 1 0 |

_ _ ( 1 ) n + 2 | d n 2 c 1 e 1 e 2 e n 5 e n 4 e n 3 d n 3 b 2 c 2 0 0 0 0 d n 4 0 b 3 c 3 0 0 0 d n 5 0 0 b 4 0 0 0 d 1 0 0 0 0 b n 2 c n 2 c n 1 0 0 0 0 0 b n 1 |

= ( 1 ) n + 2 | d n 2 c 1 e 1 e 2 e n 5 e n 4 e n 3 d n 3 b 2 c 2 0 0 0 0 d n 4 0 b 3 c 3 0 0 0 d n 5 0 0 b 4 0 0 0 c n 2 b n 2 c n 1 + d 1 0 0 0 0 b n 2 0 c n 1 0 0 0 0 0 b n 1 |

= ( 1 ) n + 2 | d n 2 c 1 e 1 e 2 e n 5 e n 4 e n 3 d n 3 b 2 c 2 0 0 0 0 d n 4 0 b 3 c 3 0 0 0 ( c n 2 b n 2 c n 1 + d 1 ) c n 3 b n 2 + d 2 0 0 0 b n 3 0 0 c n 2 b n 2 c n 1 + d 1 0 0 0 0 b n 2 0 c n 1 0 0 0 0 0 b n 1 |

P 1 = c n 1 , P 2 = c n 2 b n 1 c n 1 + d 1 , P 3 = c n 3 b n 2 ( c n 2 b n 1 c n 1 + d 1 ) + d 2 ,

由此通项公式可以表示为

P i = c n i b n ( i 1 ) P i 1 + d i 1 , i = 2 , 3 , , n 1.

则上式可化为

H 1 = | P n 1 0 e 1 e 2 e n 5 e n 4 e n 3 P n 2 b 2 0 0 0 0 0 P n 3 0 b 3 0 0 0 0 P n 4 0 0 b 4 0 0 0 P 3 0 0 0 b n 3 0 0 P 2 0 0 0 0 b n 2 0 P 1 0 0 0 0 0 b n 1 | i ( P n i b i ) _ _

| P n 1 P n 3 b 3 e 1 P n 4 b 4 e 2 P 1 b n 1 e n 3 0 e 1 e 2 e n 5 e n 4 e n 3 0 b 2 0 0 0 0 0 0 0 b 3 0 0 0 0 0 0 0 b 4 0 0 0 0 0 0 0 b n 3 0 0 0 0 0 0 0 b n 2 0 0 0 0 0 0 0 b n 1 |

= ( P n 1 i = 1 n 3 e i P n ( i + 2 ) b i + 2 ) i = 2 n i b i .

由行列式 H 1 的计算过程中发现,下面行列式可表示为

| d n 2 c 1 e 1 e 2 e n 5 e n 4 e n 3 d n 3 b 2 c 2 0 0 0 0 d n 4 0 b 3 c 3 0 0 0 d n 5 0 0 b 4 0 0 0 d 1 0 0 0 0 b n 2 c n 2 c n 1 0 0 0 0 0 b n 1 | ( n 1 ) × ( n 1 ) = ( P n 1 i = 1 n 3 e i P [ n ( i + 2 ) ] b i + 2 ) i = 2 n 1 b i ; (2)

利用(2)式,可求得

H 2 = | a 1 c 1 e 1 e 2 e n 5 e n 4 e n 3 a 2 b 2 c 2 0 0 0 0 a 3 0 b 3 c 3 0 0 0 a 4 0 0 b 4 0 0 0 a n 2 0 0 0 0 b n 2 c n 2 a n 1 0 0 0 0 0 b n 1 | ( n 1 ) × ( n 1 ) = ( Q n 1 i = 1 n 3 e i Q [ n ( i + 2 ) ] b i + 2 ) i = 2 n 1 b i ;

其中 Q 1 = a n 1 , Q i = c ( n i ) b ( n i + 1 ) Q i 1 + a n i , i = 2 , 3 , , n 1 .

所以

| D n | = ( 1 ) n 1 a n ( 1 ) n + 2 | H 1 | + ( 1 ) 2 n b n | H 2 | = a n ( P n 1 i = 1 n 3 e i P [ n ( i + 2 ) ] b i + 2 ) i = 2 n 1 b i + ( Q n 1 i = 1 n 3 e i Q [ n ( i + 2 ) ] b i + 2 ) i = 2 n b i .

2. 简单应用

例:计算行列式

| T | = | a β e e e e e d a α β 0 0 0 0 d a 0 α β 0 0 0 d a 0 0 α 0 0 0 d a 0 0 0 0 α β d a 0 0 0 0 0 α β a 0 0 0 0 0 0 α |

解:根据定理中的公式可得

| T | = a ( A n 1 i = 1 n 3 e A [ n ( i + 2 ) ] α ) α n 3 + ( B n 1 i = 1 n 3 e B [ n ( i + 2 ) ] α ) α n 2 = a ( A n 1 + e α i = 1 n 3 A [ n ( i + 2 ) ] ) α n 3 + ( B n 1 e α i = 1 n 3 B [ n ( i + 2 ) ] ) α n 2

(其中 A 1 = β , A i = β α A i 1 + d ; B 1 = a , B i = β α B i 1 + a , i = 2 , 3 , , n 1 )。

基金项目

安徽省2020年创新创业训练计划省级项目(S202014098010),2021年国家级大学生创新创业训练计划项目(202114098036)。

参考文献

[1] 北京大学数学系. 高等代数[M]. 北京: 高等教育出版社, 2019.
[2] 杨胜良. 三对角行列式及其应用[J]. 工科数学, 2002(2): 106-108.
[3] Kılıç, E. (2008) Explicit Formula for the Inverse of a Tridiagonal Matrix by Backward Continued Fractions. Applied Mathematics and Computation, 197, 345-357.
https://doi.org/10.1016/j.amc.2007.07.046
[4] Barrett, W.W. (1979) A Theorem on Inverses of Tridiagonal Ma-trices. Linear Algebra and Its Applications, 27, 211-217.
https://doi.org/10.1016/0024-3795(79)90043-0
[5] Qi, F., Wang, W., Guo, B.-N. and Lim, D. (2021) Several Explicit and Recurrent Formulas for Determinants of Tridiagonal Matrices via Generalized Continued Fractions. In: Hammouch, Z., Dutta, H., Melliani, S. and Ruzhansky, M., Eds., Nonlinear Analysis: Problems, Applications and Computational Methods, Lecture Notes in Networks and Systems, Springer, Cham, Vol. 168, 233-248.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-62299-2_15