正則行列 $\Longleftrightarrow$ 行列式が 0 でない
行列が
正則行列であるための必要十分条件は、行列式が $0$ でないことである。すなわち、
が成立する。
証明
はじめに
を示す。
$A$ が
正則行列であるとすると、$A$ には逆行列 $A^{-1}$ が存在し、
を満たす。
積の行列式は行列式の積に等しいので、
左辺の行列式は
と表せる。
また、
右辺の
単位行列 $I$ の行列式は $1$ である。
よって、
が成立する。
これより
である。
続いて
を示す。
一般に
行列とその余因子行列の積は単位行列と行列式の積に等しい。
すなわち
が成立する。
ここで $\tilde{A}$ は $A$ の
余因子行列である。
$|A|\neq 0$ である場合、この式から
が成り立つ。
これは、
行列 $\frac{1}{|A|}\tilde{A}$ が、
$A$ の逆行列であることを表している。
よって、$A$ には逆行列が存在するので、$A$ は
正則行列である。
以上から
$$
A \hspace{1mm}\mbox{が正則行列} \hspace{5mm} \Longleftrightarrow \hspace{5mm} |A| \neq 0
$$
が成立する。