ヴァンデルモンドの行列式
ヴァンデルモンド行列式: $2 \times 2$ の場合
$2 \times 2$ の行列
$V_{2}$ を実数 $\lambda_{1}, \lambda_{2}$ によって次のように定義する。
$V_{2}$ の行列式は
である。
$|V|$ を
$2 \times 2$
の
ヴァンデルモンド行列式という。
ヴァンデルモンド行列式: $3 \times 3$ の場合
$3 \times 3$ の行列
$V_{3}$ を実数
$\lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3}$
によって次のように定義する。
$V_{3}$ の行列式は
である。
$|V|$ を
$3 \times 3$
の
ヴァンデルモンド行列式という。
ヴァンデルモンド行列式: 一般論
$n$ 次正方行列 $V$ を実数 $\lambda_{1}, \lambda_{2}, \cdots, \lambda_{n}$ によって次のように定義する。
$V$ の行列式
$|V|$
を
ヴァンデルモンドの行列式 (Vandermonde determinant) という。
行列式の基本的な性質を用いて
$|V|$ を求めると、
である。
総乗の記号 $\prod$ によってまとめると、
と表される。
証明
一般に
行列の各行に他の行の定数倍を加えても行列式の値は変わらない。
この性質を用いると、
行列
の $n-1$ 行の $\lambda_{1}$ 倍
を $V$ の $n$ 行から引いても
$V$
の行列式の値は変わらない。
$$
\tag{3.1}
$$
である。
同じように、
$(3.1)$ の右辺の
$n-2$ 行
の $\lambda_{1}$ 倍
を
$(3.1)$ の $n-1$ 行から引いても行列式は変わらないことから、
が示される。
この操作を $1$ 列の $2$ 行の成分が $0$ になるまで繰り返すことにより、
を得る。
右辺の行列式は、$1$ 列の $2$ 行以降の成分がゼロである。
この場合の
行列式の性質から
右辺の行列式は、
$2$ 行 $2$ 列より右下部分の部分行列の行列式に等しいことが分かる。
すなわち、
が成り立つ。
右辺の行列は $n-1$ 次行列である。
右辺の 1 列の全ての成分に $\lambda_{2}-\lambda_{1}$ が掛けられていることに着目すると、
行列式の性質から、
$1$ 列にある $\lambda_{2}-\lambda_{1}$ を行列式の外に出して、
次のように表すことができる。すなわち、
と表すことができる。
同じようなことが
$2$ 列目以降でも可能である。
すなわち、
$2$ 列目の
$\lambda_{3}-\lambda_{1}$ を外に出し、
$3$ 列目の
$\lambda_{4}-\lambda_{1}$
を外に出し、以下同様に操作を繰り返すと、
$$
\tag{3.2}
$$
と表すことができる。
この式の右辺に現れた行列式
は、
$ \lambda_{2}, \lambda_{3}, \cdots, \lambda_{n}$ に対する
$n-1$ 次のヴァンデルモンド行列式である。よって、
$(3.2)$ は $n$ 次のヴァンデルモンド行列式と $n-1$ 次のヴァンデルモンド行列式を結ぶ関係式
(漸化式)
になっている。
これを用いると、
次数の低いヴァンデルモンド行列式を順に導くことができる。
例えば、
上の $n-1$ 次のヴァンデルモンド行列式に対し、
$(3.2)$ を導出した議論を適用すると、
今度は $n-2$ 次のヴァンデルモンド行列式が現れる。
すなわち、
が成り立つ。
これと $(3.2)$ から、
を得る。
右辺には、
$n-2$ 次のヴァンデルモンド行列式が現れているので、
それを $n-3$ 次のヴァンデルモンド行列によって表すことができる。
以下このような操作を
$2$ 次のヴァンデルモンド行列式が現れるまで繰り返すと、
となる。
右辺の
2 次の行列式を計算すると、
が示される。
この式は、
総乗の記号 $\prod$ を用いると、
とまとめて表すことができる。