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余因子展開のやり方と符号の決め方(3 次と 4 次の行列式)

4 次の行列式は、3 次の行列式 4 個の和に書き直せます。3 次なら 2 次 3 個へ。次数が 1 ずつ落ちていく手順が余因子展開です[1]

落とす先の個数は、選んだ行や列の成分の個数と同じ。 の多い行や列を選べば、消える項のぶんだけ計算が減ります。

小行列式

次正方行列 から第 行と第 列を消すと、 次の正方行列が残ります。その行列式を と書き、 小行列式と呼ぶ[3]

3 次から 1 行 1 列を消せば 2 次。行と列を 1 本ずつ抜くので、大きさはちょうど 1 だけ小さくなります。

余因子は符号つきの小行列式

小行列式に を掛けたものが余因子 です[3]

が偶数なら正、奇数なら負。左上を として、市松模様に並びます。

模様なので、途中の成分でも数え直さずに読めます。隣へ 1 つ動けば符号が変わる、それだけ。

展開の式

行列式は、どの行に沿っても、どの列に沿っても展開できます[1]。第 行に沿った形は次のとおり。

列に沿っても同じ値が出ます。

どこで展開しても値は変わらない。だから、いちばん楽な行か列を選べます[2]

例:3 次を第 1 行で展開する

第 1 行の 3 つの成分について、余因子を順に出します。

成分と掛けて足すと

例: の多い列を選ぶ

4 次では 3 次の行列式が 4 個できるので、そのまま展開すると手数がかかります。

第 2 列は です。 の項は消えるので、残るのは の 1 個だけ[2]

符号は なので 。よって です。

4 個の 3 次を計算する代わりに 1 個で済みました。 を数えてから展開先を決める、という順番が効きます。

符号はどこから来るのか

は、あとから付けた飾りではありません。行列式が持つ交代性から出てきます。

行列式は、2 つの行を入れ替えると符号が変わります。第 行を第 1 行まで運ぶには、隣どうしの入れ替えを 回。列も同じく 回。

合わせて 回の入れ替えなので、符号は になります。

展開の式が正しいことは、右辺が 行について多重線形で、交代性を持ち、単位行列で になる と示せば足ります。

この 3 条件を満たす関数は行列式ただ 1 つなので、右辺は に一致する。

つまり余因子展開は、行列式の定義を言い換えたもの。計算法として天下り式に覚える必要はありません。

別の行の余因子を掛けると になる

行の成分に、第 行の余因子を掛けて足すとどうなるか。 なら、答えは です[2]

理由は入れ替えで見えます。第 行を第 行のコピーで置き換えた行列を考えると、この和はその行列式に等しい。

同じ行が 2 つある行列の行列式は なので、和も になります。

自分の行の余因子

になる。展開の式そのもの

別の行の余因子

になる。同じ行が 2 つ並んだ行列式にあたる

この 2 つを 1 つの式にまとめると、次の形になります。

余因子行列と逆行列

余因子 を並べ、転置したものを余因子行列(随伴行列) と呼びます[2]。転置するので、 成分は です。

上の の式は、行列の積として次のように書けます。

なら両辺を割って、逆行列の公式が出ます。

例:余因子で逆行列を出す

第 1 行で展開すると

9 個の余因子を全部出します。第 1 行ぶんが 、第 2 行ぶんが 、第 3 行ぶんが

並べて転置すると、次の行列になります。

なので、これがそのまま です。

転置を忘れると、 成分の位置に残ります。行と列が入れかわるだけなので、掛け算するまで気づきません。

文字が入ると展開が効く

数値だけの大きな行列なら、掃き出し法のほうが速い。展開が生きるのは、成分に文字が混ざっている場合です[4]

割り算をすると場合分けが増えるので、掃き出しは文字と相性がよくありません。展開なら、掛け算と足し算だけで進みます。

固有多項式がその例。 を 3 重対角の行列とし、 と置きます。

第 1 行で展開すると 。因数分解して です。

を戻せば、固有値は と分かります。

計算量

次を展開すると 次が 個。それをまた展開すると、掛け算の回数はおよそ に届きます。

掃き出し法なら 程度で終わるので、 が大きいと差は開く一方です。 を超えます。

が多ければ余因子展開

数値だけで大きければ掃き出し法

文字が入っていれば余因子展開

実際には混ぜるのが速い。行基本変形で を作ってから展開すれば、両方の利点をとれます[4]

例: を作ってから展開する

第 2 行から第 1 行の 2 倍、第 3 行から第 1 行の 3 倍を引きます。行列式は変わりません。

第 1 列に が 2 つ並んだので、そこで展開して

はじめから展開すると 3 個の 2 次を計算します。変形を 2 回入れるだけで、1 個で済みました。

5 次の行列式を余因子展開するとき、第 3 行に が 3 つあります。計算する 4 次の行列式はいくつですか。

  • 5 個
  • 2 個
  • 3 個
__RESULT__

第 3 行の成分は 5 つで、そのうち 3 つが です。 の項は消えるので、残る 4 次の行列式は 個になります。展開先を選ぶときは、 の個数がそのまま手数の差になります。

符号の読み方も確かめます。

次正方行列で、 成分の余因子に付く符号はどちらですか。

  • 行列の中身で変わる
__RESULT__

なので負です。 が奇数なら負、偶数なら正で、行列の成分には関係しません。左上の から市松模様に数えても同じ結果になります。

検算

展開した行と別の行で、もう一度展開します。どこで展開しても値は同じなので、違えばどちらかに計算違いがあります。

上の なら、第 2 列で 、第 4 行で展開しても 。一致しました。

逆行列を出したときは、 の非対角成分が になるかを見ます。第 1 行と第 2 列の組では です。

対角成分が全部 になり、それ以外が全部 になれば、余因子の符号も転置も正しく入っています。

次数を 1 つ落とす。この操作を繰り返すだけなので、大きな行列でも手順は変わりません。 をどこに作るかだけが工夫のしどころ。

参考文献

DET-0050: The Laplace Expansion Theorem. Linear Algebra, The Ohio State University.
The Laplace expansion, minors, cofactors and adjoints. StatLect.
Cofactor. Encyclopedia of Mathematics.
Dan Margalit, Joseph Rabinoff. *Cofactor Expansions*/04:_Determinants/4.02:_Cofactor_Expansions). Interactive Linear Algebra.
4 次の行列式は 3 次 4 個の和に、3 次は 2 次 3 個の和に落ちます。落とす先の個数は選んだ行や列の成分の数と同じなので、$0$ の多い列を選ぶと手数が減る。第 2 列に $0$ が 3 つ並ぶ例なら、計算するのは 3 次 1 個だけ。符号 $(-1)^{i+j}$ は、行と列を隅へ運ぶ入れ替えの回数から出ます。別の行の余因子を掛けると $0$ になり、そこから $A \operatorname{adj} A = (\det A) I$ と逆行列の公式が出る。行基本変形で $0$ を作ってから展開する手順まで。