## 問題の解答

代数学行列式線形代数Sarrusの公式上三角行列下三角行列行交換列交換くくり出し
2025/6/16
## 問題の解答
画像には複数の行列式の性質に関する問題が含まれています。今回は、以下の問題について解説します。
**(8) (上三角行列の行列式)**
axy0bz00c=abc\begin{vmatrix} a & x & y \\ 0 & b & z \\ 0 & 0 & c \end{vmatrix} = abc
**(9) (下三角行列の行列式)**
a00xb0yzc=abc\begin{vmatrix} a & 0 & 0 \\ x & b & 0 \\ y & z & c \end{vmatrix} = abc
**(10) (次数下げ)**
xyz0ab0cd=xabcd\begin{vmatrix} x & y & z \\ 0 & a & b \\ 0 & c & d \end{vmatrix} = x\begin{vmatrix} a & b \\ c & d \end{vmatrix}
**(11) (行交換)**
abcxyz123=xyzabc123\begin{vmatrix} a & b & c \\ x & y & z \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix} = - \begin{vmatrix} x & y & z \\ a & b & c \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix}
**(12) (列交換)**
ax1by2cz3=xa1yb2zc3\begin{vmatrix} a & x & 1 \\ b & y & 2 \\ c & z & 3 \end{vmatrix} = - \begin{vmatrix} x & a & 1 \\ y & b & 2 \\ z & c & 3 \end{vmatrix}
**(13) (くくり出し)**
kakbkcxyz123=kabcxyz123\begin{vmatrix} ka & kb & kc \\ x & y & z \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix} = k \begin{vmatrix} a & b & c \\ x & y & z \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix}
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1. 問題の内容

与えられた行列式の性質が成り立つことを、Sarrusの公式を利用して証明します。
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2. 解き方の手順

**(8) (上三角行列の行列式)**
Sarrusの公式を用いて、3x3行列の行列式を計算します。
axy0bz00c=abc+xz0+y00yb0az0x0c\begin{vmatrix} a & x & y \\ 0 & b & z \\ 0 & 0 & c \end{vmatrix} = a \cdot b \cdot c + x \cdot z \cdot 0 + y \cdot 0 \cdot 0 - y \cdot b \cdot 0 - a \cdot z \cdot 0 - x \cdot 0 \cdot c
=abc+0+0000=abc= abc + 0 + 0 - 0 - 0 - 0 = abc
**(9) (下三角行列の行列式)**
同様に、Sarrusの公式を用いて計算します。
a00xb0yzc=abc+00y+0xz0bya0z0xc\begin{vmatrix} a & 0 & 0 \\ x & b & 0 \\ y & z & c \end{vmatrix} = a \cdot b \cdot c + 0 \cdot 0 \cdot y + 0 \cdot x \cdot z - 0 \cdot b \cdot y - a \cdot 0 \cdot z - 0 \cdot x \cdot c
=abc+0+0000=abc= abc + 0 + 0 - 0 - 0 - 0 = abc
**(10) (次数下げ)**
Sarrusの公式を用いるか、第一列で余因子展開を行います。第一列で余因子展開する方が計算量が少なくなります。
xyz0ab0cd=xabcd0yzcd+0yzab\begin{vmatrix} x & y & z \\ 0 & a & b \\ 0 & c & d \end{vmatrix} = x \begin{vmatrix} a & b \\ c & d \end{vmatrix} - 0 \begin{vmatrix} y & z \\ c & d \end{vmatrix} + 0 \begin{vmatrix} y & z \\ a & b \end{vmatrix}
=x(adbc)0+0=xabcd= x (ad - bc) - 0 + 0 = x \begin{vmatrix} a & b \\ c & d \end{vmatrix}
**(11) (行交換)**
Sarrusの公式を用いると、行を交換すると行列式の符号が反転することがわかります。
abcxyz123=3ay+2cx+bzcy2az3bx\begin{vmatrix} a & b & c \\ x & y & z \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix} = 3ay + 2cx + bz - cy - 2az - 3bx
xyzabc123=3bx+2cy+azby2az3cx=(3ay+2cx+bzcy2az3bx)\begin{vmatrix} x & y & z \\ a & b & c \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix} = 3bx + 2cy + az - by - 2az - 3cx = - (3ay + 2cx + bz - cy - 2az - 3bx)
したがって、
abcxyz123=xyzabc123\begin{vmatrix} a & b & c \\ x & y & z \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix} = - \begin{vmatrix} x & y & z \\ a & b & c \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix}
**(12) (列交換)**
Sarrusの公式を用いると、列を交換すると行列式の符号が反転することがわかります。
ax1by2cz3=3ay+2cx+bzcy2az3bx\begin{vmatrix} a & x & 1 \\ b & y & 2 \\ c & z & 3 \end{vmatrix} = 3ay + 2cx + bz - cy - 2az - 3bx
xa1yb2zc3=3bx+2cy+azby2az3cx=(3ay+2cx+bzcy2az3bx)\begin{vmatrix} x & a & 1 \\ y & b & 2 \\ z & c & 3 \end{vmatrix} = 3bx + 2cy + az - by - 2az - 3cx = - (3ay + 2cx + bz - cy - 2az - 3bx)
したがって、
ax1by2cz3=xa1yb2zc3\begin{vmatrix} a & x & 1 \\ b & y & 2 \\ c & z & 3 \end{vmatrix} = - \begin{vmatrix} x & a & 1 \\ y & b & 2 \\ z & c & 3 \end{vmatrix}
**(13) (くくり出し)**
Sarrusの公式を用います。
kakbkcxyz123=3kay+2kcx+kbzkcy2kaz3kbx=k(3ay+2cx+bzcy2az3bx)\begin{vmatrix} ka & kb & kc \\ x & y & z \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix} = 3kay + 2kcx + kbz - kcy - 2kaz - 3kbx = k(3ay + 2cx + bz - cy - 2az - 3bx)
abcxyz123=3ay+2cx+bzcy2az3bx\begin{vmatrix} a & b & c \\ x & y & z \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix} = 3ay + 2cx + bz - cy - 2az - 3bx
したがって、
kakbkcxyz123=kabcxyz123\begin{vmatrix} ka & kb & kc \\ x & y & z \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix} = k \begin{vmatrix} a & b & c \\ x & y & z \\ 1 & 2 & 3 \end{vmatrix}
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3. 最終的な答え

上記参照。与えられた行列式の性質が成り立つことが証明されました。

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