예제 · Exercises
문제. 다음 행렬의 행렬식을 구하라.
- $\begin{pmatrix} 6 & -3 \\ 2 & 4 \end{pmatrix}$
- $\begin{pmatrix} 5-2i & 6+4i \\ -3+i & 7i \end{pmatrix}$
풀이. $2\times 2$ 행렬의 행렬식 공식 $\det\begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} = ad-bc$를 적용한다.
(1) $$\det\begin{pmatrix} 6 & -3 \\ 2 & 4 \end{pmatrix} = 6\cdot 4-(-3)\cdot 2 = 24+6=30.$$
(2) 같은 공식을 복소수 성분에 적용하기 위해 두 곱을 먼저 계산하면 $$(5-2i)(7i) = 35i-14i^2 = 14+35i, \qquad (6+4i)(-3+i) = -18+6i-12i+4i^2 = -22-6i$$ 이므로 $$\det\begin{pmatrix} 5-2i & 6+4i \\ -3+i & 7i \end{pmatrix} = (14+35i)-(-22-6i) = 36+41i$$ 이다. (검산: $(a+bi)(c+di)=(ac-bd)+(ad+bc)i$ 공식으로 다시 계산해도 두 곱이 각각 $14+35i$, $-22-6i$로 일치한다.)
따라서 (1)의 답은 $30$이고, (2)의 답은 $36+41i$이다.
Problem. Compute the determinants of the following matrices.
- $\begin{pmatrix} 6 & -3 \\ 2 & 4 \end{pmatrix}$
- $\begin{pmatrix} 5-2i & 6+4i \\ -3+i & 7i \end{pmatrix}$
Solution. Apply the $2\times 2$ determinant formula $\det\begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} = ad-bc$.
(1) $$\det\begin{pmatrix} 6 & -3 \\ 2 & 4 \end{pmatrix} = 6\cdot 4-(-3)\cdot 2 = 24+6=30.$$
(2) Applying the same formula to the complex entries, compute the two products first: $$(5-2i)(7i) = 35i-14i^2 = 14+35i, \qquad (6+4i)(-3+i) = -18+6i-12i+4i^2 = -22-6i,$$ so $$\det\begin{pmatrix} 5-2i & 6+4i \\ -3+i & 7i \end{pmatrix} = (14+35i)-(-22-6i) = 36+41i.$$ (Check: recomputing each product with $(a+bi)(c+di)=(ac-bd)+(ad+bc)i$ again gives $14+35i$ and $-22-6i$, confirming the result.)
Hence the answers are $30$ for (1) and $36+41i$ for (2).
문제. $u = (3, -2)$와 $v = (2, 5)$가 결정하는 평행사변형의 넓이를 구하라.
풀이. 평행사변형의 넓이는 두 변을 이루는 벡터를 행으로 갖는 행렬의 행렬식의 절댓값과 같다. $u=(3,-2)$, $v=(2,5)$를 행으로 배열하면 $$\det\begin{pmatrix} 3 & -2 \\ 2 & 5 \end{pmatrix} = 3\cdot 5-(-2)\cdot 2 = 15+4=19$$ 이다. (검산: 두 행의 순서를 바꾸면 $\det\begin{pmatrix} 2 & 5 \\ 3 & -2 \end{pmatrix} = 2\cdot(-2)-5\cdot 3=-4-15=-19$로 부호만 반대이고 절댓값은 같다.)
따라서 넓이는 $|19|=19$이다.
Problem. Compute the area of the parallelogram determined by $u = (3, -2)$ and $v = (2, 5)$.
Solution. The area of the parallelogram equals the absolute value of the determinant of the matrix whose rows are the two side vectors. With $u=(3,-2)$ and $v=(2,5)$ as rows, $$\det\begin{pmatrix} 3 & -2 \\ 2 & 5 \end{pmatrix} = 3\cdot 5-(-2)\cdot 2 = 15+4=19.$$ (Check: swapping the row order gives $\det\begin{pmatrix} 2 & 5 \\ 3 & -2 \end{pmatrix} = 2\cdot(-2)-5\cdot 3=-4-15=-19$, the negative of the above, so the absolute value agrees.)
Hence the area is $|19|=19$.
문제. $A \in M_{2\times 2}(F)$라 하자. 다음을 증명하라.
- $\det(A^t) = \det(A)$이다.
- $B$가 $A$의 행을 교환하여 얻은 행렬이면, $\det(B) = -\det(A)$이다.
증명. $A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} \in M_{2\times 2}(F)$라 하면 $\det(A) = ad-bc$이다.
(1) $A^t = \begin{pmatrix} a & c \\ b & d \end{pmatrix}$이므로 $$\det(A^t) = a\cdot d-c\cdot b = ad-bc = \det(A)$$ 이다.
(2) $B$가 $A$의 행을 교환하여 얻은 행렬이면 $B = \begin{pmatrix} c & d \\ a & b \end{pmatrix}$이므로 $$\det(B) = c\cdot b-d\cdot a = -(ad-bc) = -\det(A)$$ 이다.
Problem. Let $A \in M_{2\times 2}(F)$. Prove the following.
- $\det(A^t) = \det(A)$.
- If $B$ is a matrix obtained by interchanging the rows of $A$, then $\det(B) = -\det(A)$.
Proof. Let $A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} \in M_{2\times 2}(F)$, so $\det(A) = ad-bc$.
(1) Since $A^t = \begin{pmatrix} a & c \\ b & d \end{pmatrix}$, $$\det(A^t) = a\cdot d-c\cdot b = ad-bc = \det(A).$$
(2) If $B$ is obtained by interchanging the rows of $A$, then $B = \begin{pmatrix} c & d \\ a & b \end{pmatrix}$, so $$\det(B) = c\cdot b-d\cdot a = -(ad-bc) = -\det(A).$$
문제. $A, B \in M_{2\times 2}(F)$에 대하여 $\det(AB) = \det(A)\det(B)$임을 증명하라.
증명. $A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}$, $B = \begin{pmatrix} e & f \\ g & h \end{pmatrix}$라 하면 $$AB = \begin{pmatrix} ae+bg & af+bh \\ ce+dg & cf+dh \end{pmatrix}$$ 이다.
정의에 따라 $$\det(AB) = (ae+bg)(cf+dh)-(af+bh)(ce+dg)$$ 이고, 우변을 전개하면 $$(ae+bg)(cf+dh) = acef+adeh+bcfg+bdgh, \qquad (af+bh)(ce+dg) = acef+adfg+bceh+bdgh$$ 이므로 $$\det(AB) = adeh+bcfg-adfg-bceh = ad(eh-fg)-bc(eh-fg) = (ad-bc)(eh-fg)$$ 이다.
그런데 $ad-bc = \det(A)$이고 $eh-fg = \det(B)$이므로 $$\det(AB) = \det(A)\det(B)$$ 이다.
Problem. Show that $\det(AB) = \det(A)\det(B)$ for $A, B \in M_{2\times 2}(F)$.
Proof. Let $A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}$ and $B = \begin{pmatrix} e & f \\ g & h \end{pmatrix}$, so $$AB = \begin{pmatrix} ae+bg & af+bh \\ ce+dg & cf+dh \end{pmatrix}.$$
By definition, $$\det(AB) = (ae+bg)(cf+dh)-(af+bh)(ce+dg),$$ and expanding the right-hand side, $$(ae+bg)(cf+dh) = acef+adeh+bcfg+bdgh, \qquad (af+bh)(ce+dg) = acef+adfg+bceh+bdgh,$$ so $$\det(AB) = adeh+bcfg-adfg-bceh = ad(eh-fg)-bc(eh-fg) = (ad-bc)(eh-fg).$$
Since $ad-bc = \det(A)$ and $eh-fg = \det(B)$, $$\det(AB) = \det(A)\det(B).$$
문제. 다음 행렬의 행렬식을 구하라.
- $\begin{pmatrix} 0 & 1 & 2 \\ -1 & 0 & -3 \\ 2 & 3 & 0 \end{pmatrix}$
- $\begin{pmatrix} 0 & 1+i & 2 \\ -2i & 0 & 1-i \\ 3 & 4i & 0 \end{pmatrix}$
- $\begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & -1 \\ -3 & 4 & 1 & -1 \\ 2 & -5 & -3 & 8 \\ -2 & 6 & -4 & 1 \end{pmatrix}$
풀이.
- 첫 행으로 여인수전개하면 $$\det\begin{pmatrix} 0 & 1 & 2 \\ -1 & 0 & -3 \\ 2 & 3 & 0 \end{pmatrix} = 0\cdot\begin{vmatrix} 0 & -3 \\ 3 & 0 \end{vmatrix} - 1\cdot\begin{vmatrix} -1 & -3 \\ 2 & 0 \end{vmatrix} + 2\cdot\begin{vmatrix} -1 & 0 \\ 2 & 3 \end{vmatrix} = 0 - 1\cdot(0+6) + 2\cdot(-3-0) = -6-6=-12$$ 이다. (검산: 첫 열로 전개해도 $0-(-1)\cdot\begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 0 \end{vmatrix}+2\cdot\begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 0 & -3 \end{vmatrix} = 0-(-1)(-6)+2(-3)=-6-6=-12$로 일치한다.)
- 첫 행으로 여인수전개하면 $$\det\begin{pmatrix} 0 & 1+i & 2 \\ -2i & 0 & 1-i \\ 3 & 4i & 0 \end{pmatrix} = 0 - (1+i)\begin{vmatrix} -2i & 1-i \\ 3 & 0 \end{vmatrix} + 2\begin{vmatrix} -2i & 0 \\ 3 & 4i \end{vmatrix}$$ 이고, $$\begin{vmatrix} -2i & 1-i \\ 3 & 0 \end{vmatrix} = 0-3(1-i)=-3+3i, \qquad \begin{vmatrix} -2i & 0 \\ 3 & 4i \end{vmatrix} = -8i^2=8$$ 이므로 $$\det = -(1+i)(-3+3i)+2\cdot 8 = 6+16=22$$ 이다. (검산: 첫 열로 전개해도 동일하게 $22$가 나온다.)
- 행연산으로 계산한다. $R_2 \to R_2+3R_1$, $R_3 \to R_3-2R_1$, $R_4 \to R_4+2R_1$은 행렬식을 바꾸지 않으므로 $$\begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & -1 \\ -3 & 4 & 1 & -1 \\ 2 & -5 & -3 & 8 \\ -2 & 6 & -4 & 1 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & -1 \\ 0 & 1 & 7 & -4 \\ 0 & -3 & -7 & 10 \\ 0 & 4 & 0 & -1 \end{pmatrix}$$ 이다. 첫 열로 전개하면 $$\det = 1\cdot\det\begin{pmatrix} 1 & 7 & -4 \\ -3 & -7 & 10 \\ 4 & 0 & -1 \end{pmatrix}$$ 이고, 다시 $R_2 \to R_2+3R_1$, $R_3 \to R_3-4R_1$을 적용하면 $$\begin{pmatrix} 1 & 7 & -4 \\ -3 & -7 & 10 \\ 4 & 0 & -1 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & 7 & -4 \\ 0 & 14 & -2 \\ 0 & -28 & 15 \end{pmatrix}$$ 이므로 $$\det = 1\cdot(14\cdot 15-(-2)\cdot(-28)) = 210-56=154$$ 이다. (검산: 원래 행렬을 첫 열로 직접 여인수전개해도 $154$가 나온다.)
따라서 (1) $-12$, (2) $22$, (3) $154$이다.
Problem. Compute the determinants of the following matrices.
- $\begin{pmatrix} 0 & 1 & 2 \\ -1 & 0 & -3 \\ 2 & 3 & 0 \end{pmatrix}$
- $\begin{pmatrix} 0 & 1+i & 2 \\ -2i & 0 & 1-i \\ 3 & 4i & 0 \end{pmatrix}$
- $\begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & -1 \\ -3 & 4 & 1 & -1 \\ 2 & -5 & -3 & 8 \\ -2 & 6 & -4 & 1 \end{pmatrix}$
Solution.
- Expanding along the first row, $$\det\begin{pmatrix} 0 & 1 & 2 \\ -1 & 0 & -3 \\ 2 & 3 & 0 \end{pmatrix} = 0\cdot\begin{vmatrix} 0 & -3 \\ 3 & 0 \end{vmatrix} - 1\cdot\begin{vmatrix} -1 & -3 \\ 2 & 0 \end{vmatrix} + 2\cdot\begin{vmatrix} -1 & 0 \\ 2 & 3 \end{vmatrix} = 0 - 1\cdot(0+6) + 2\cdot(-3-0) = -6-6=-12.$$ (Check: expanding along the first column instead gives $0-(-1)\cdot\begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 0 \end{vmatrix}+2\cdot\begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 0 & -3 \end{vmatrix} = 0-(-1)(-6)+2(-3)=-6-6=-12$, the same value.)
- Expanding along the first row, $$\det\begin{pmatrix} 0 & 1+i & 2 \\ -2i & 0 & 1-i \\ 3 & 4i & 0 \end{pmatrix} = 0 - (1+i)\begin{vmatrix} -2i & 1-i \\ 3 & 0 \end{vmatrix} + 2\begin{vmatrix} -2i & 0 \\ 3 & 4i \end{vmatrix},$$ and $$\begin{vmatrix} -2i & 1-i \\ 3 & 0 \end{vmatrix} = 0-3(1-i)=-3+3i, \qquad \begin{vmatrix} -2i & 0 \\ 3 & 4i \end{vmatrix} = -8i^2=8,$$ so $$\det = -(1+i)(-3+3i)+2\cdot 8 = 6+16=22.$$ (Check: expanding along the first column instead also gives $22$.)
- Use row operations. Since $R_2 \to R_2+3R_1$, $R_3 \to R_3-2R_1$, $R_4 \to R_4+2R_1$ leave the determinant unchanged, $$\begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & -1 \\ -3 & 4 & 1 & -1 \\ 2 & -5 & -3 & 8 \\ -2 & 6 & -4 & 1 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & -1 \\ 0 & 1 & 7 & -4 \\ 0 & -3 & -7 & 10 \\ 0 & 4 & 0 & -1 \end{pmatrix}.$$ Expanding along the first column, $$\det = 1\cdot\det\begin{pmatrix} 1 & 7 & -4 \\ -3 & -7 & 10 \\ 4 & 0 & -1 \end{pmatrix},$$ and applying $R_2 \to R_2+3R_1$, $R_3 \to R_3-4R_1$ again, $$\begin{pmatrix} 1 & 7 & -4 \\ -3 & -7 & 10 \\ 4 & 0 & -1 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & 7 & -4 \\ 0 & 14 & -2 \\ 0 & -28 & 15 \end{pmatrix},$$ so $$\det = 1\cdot(14\cdot 15-(-2)\cdot(-28)) = 210-56=154.$$ (Check: expanding the original matrix directly along the first column also gives $154$.)
Hence (1) $-12$, (2) $22$, (3) $154$.
문제. 각 등식에 대하여 $k$의 값을 구하라.
- $$\det \begin{pmatrix} 2a_1 & 2a_2 & 2a_3 \\ 3b_1 + 5c_1 & 3b_2 + 5c_2 & 3b_3 + 5c_3 \\ 7c_1 & 7c_2 & 7c_3 \end{pmatrix} = k \det \begin{pmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{pmatrix}$$
- $$\det \begin{pmatrix} b_1 + c_1 & b_2 + c_2 & b_3 + c_3 \\ a_1 + c_1 & a_2 + c_2 & a_3 + c_3 \\ a_1 + b_1 & a_2 + b_2 & a_3 + b_3 \end{pmatrix} = k \det \begin{pmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{pmatrix}$$
풀이. 행벡터 $a=(a_1,a_2,a_3)$, $b=(b_1,b_2,b_3)$, $c=(c_1,c_2,c_3)$로 표기하고, 행렬식을 각 행에 대한 $3$중선형함수로 다룬다.
- 첫 행 $2a$와 셋째 행 $7c$에서 스칼라 $2, 7$을 각각 앞으로 빼낼 수 있다. 남은 둘째 행 $3b+5c$는 두 행의 합이므로 선형성에 의해 $$\det\begin{pmatrix} a \\ 3b+5c \\ c \end{pmatrix} = 3\det\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix} + 5\det\begin{pmatrix} a \\ c \\ c \end{pmatrix}$$ 이고, 둘째 항은 둘째 행과 셋째 행이 같으므로 $0$이다. 따라서 $$\det\begin{pmatrix} 2a_1 & 2a_2 & 2a_3 \\ 3b_1+5c_1 & 3b_2+5c_2 & 3b_3+5c_3 \\ 7c_1 & 7c_2 & 7c_3 \end{pmatrix} = 2\cdot 7\cdot 3\det\begin{pmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{pmatrix} = 42\det\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix}$$ 이므로 $k=42$이다. (검산: $a=(1,0,0)$, $b=(0,1,0)$, $c=(0,0,1)$을 대입하면 우변은 $\det I=1$이고, 좌변 행렬은 대각성분이 $2,3,7$인 위삼각행렬이므로 그 행렬식은 $2\cdot 3\cdot 7=42$로 일치한다.)
- 세 행 $b+c$, $a+c$, $a+b$ 각각에 선형성을 적용하면 $2^3=8$개의 항이 나온다: $$\det\begin{pmatrix} b+c \\ a+c \\ a+b \end{pmatrix} = \det\begin{pmatrix} b \\ a \\ a \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} b \\ a \\ b \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} b \\ c \\ a \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} b \\ c \\ b \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} c \\ a \\ a \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} c \\ a \\ b \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} c \\ c \\ a \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} c \\ c \\ b \end{pmatrix}$$ 이 중 같은 행이 두 번 나타나는 여섯 항은 $0$이고, 남는 항은 $$\det\begin{pmatrix} b \\ c \\ a \end{pmatrix} + \det\begin{pmatrix} c \\ a \\ b \end{pmatrix}$$ 이다. $(a,b,c)\to(b,c,a)$와 $(a,b,c)\to(c,a,b)$는 모두 행을 두 번 교환하여 얻어지므로 부호가 바뀌지 않아 $$\det\begin{pmatrix} b \\ c \\ a \end{pmatrix} = \det\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix}, \qquad \det\begin{pmatrix} c \\ a \\ b \end{pmatrix} = \det\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix}$$ 이다. 따라서 $$\det\begin{pmatrix} b_1+c_1 & b_2+c_2 & b_3+c_3 \\ a_1+c_1 & a_2+c_2 & a_3+c_3 \\ a_1+b_1 & a_2+b_2 & a_3+b_3 \end{pmatrix} = 2\det\begin{pmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{pmatrix}$$ 이므로 $k=2$이다. (검산: $a=(1,0,0)$, $b=(0,1,0)$, $c=(0,0,1)$을 대입하면 좌변은 $\det\begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & 0 \end{pmatrix}=2$이고 우변은 $2\det I=2$로 일치한다.)
Problem. For each equation, find the value of $k$.
- $$\det \begin{pmatrix} 2a_1 & 2a_2 & 2a_3 \\ 3b_1 + 5c_1 & 3b_2 + 5c_2 & 3b_3 + 5c_3 \\ 7c_1 & 7c_2 & 7c_3 \end{pmatrix} = k \det \begin{pmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{pmatrix}$$
- $$\det \begin{pmatrix} b_1 + c_1 & b_2 + c_2 & b_3 + c_3 \\ a_1 + c_1 & a_2 + c_2 & a_3 + c_3 \\ a_1 + b_1 & a_2 + b_2 & a_3 + b_3 \end{pmatrix} = k \det \begin{pmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{pmatrix}$$
Solution. Write $a=(a_1,a_2,a_3)$, $b=(b_1,b_2,b_3)$, $c=(c_1,c_2,c_3)$ for the row vectors, and treat the determinant as a trilinear function of its rows.
- The scalars $2$ and $7$ factor out of the first row $2a$ and the third row $7c$, respectively. The remaining second row $3b+5c$ is a sum of two rows, so by linearity $$\det\begin{pmatrix} a \\ 3b+5c \\ c \end{pmatrix} = 3\det\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix} + 5\det\begin{pmatrix} a \\ c \\ c \end{pmatrix},$$ and the second term is $0$ since its second and third rows coincide. Hence $$\det\begin{pmatrix} 2a_1 & 2a_2 & 2a_3 \\ 3b_1+5c_1 & 3b_2+5c_2 & 3b_3+5c_3 \\ 7c_1 & 7c_2 & 7c_3 \end{pmatrix} = 2\cdot 7\cdot 3\det\begin{pmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{pmatrix} = 42\det\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix},$$ so $k=42$. (Check: taking $a=(1,0,0)$, $b=(0,1,0)$, $c=(0,0,1)$ makes the right side $\det I = 1$, while the left-side matrix is upper triangular with diagonal entries $2,3,7$, so its determinant is $2\cdot 3\cdot 7=42$, matching.)
- Applying linearity in each of the rows $b+c$, $a+c$, $a+b$ produces $2^3=8$ terms: $$\det\begin{pmatrix} b+c \\ a+c \\ a+b \end{pmatrix} = \det\begin{pmatrix} b \\ a \\ a \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} b \\ a \\ b \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} b \\ c \\ a \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} b \\ c \\ b \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} c \\ a \\ a \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} c \\ a \\ b \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} c \\ c \\ a \end{pmatrix}+\det\begin{pmatrix} c \\ c \\ b \end{pmatrix}.$$ Six of these terms have a repeated row and vanish, leaving $$\det\begin{pmatrix} b \\ c \\ a \end{pmatrix} + \det\begin{pmatrix} c \\ a \\ b \end{pmatrix}.$$ Both $(a,b,c)\to(b,c,a)$ and $(a,b,c)\to(c,a,b)$ are obtained by two row interchanges, so neither changes the sign of the determinant: $$\det\begin{pmatrix} b \\ c \\ a \end{pmatrix} = \det\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix}, \qquad \det\begin{pmatrix} c \\ a \\ b \end{pmatrix} = \det\begin{pmatrix} a \\ b \\ c \end{pmatrix}.$$ Therefore $$\det\begin{pmatrix} b_1+c_1 & b_2+c_2 & b_3+c_3 \\ a_1+c_1 & a_2+c_2 & a_3+c_3 \\ a_1+b_1 & a_2+b_2 & a_3+b_3 \end{pmatrix} = 2\det\begin{pmatrix} a_1 & a_2 & a_3 \\ b_1 & b_2 & b_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{pmatrix},$$ so $k=2$. (Check: taking $a=(1,0,0)$, $b=(0,1,0)$, $c=(0,0,1)$ gives left side $\det\begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & 0 \end{pmatrix}=2$ and right side $2\det I=2$, matching.)
문제. $A \in M_{n\times n}(F)$이고 $k \in F$라 하자. $\det(kA) = k^n \det(A)$임을 증명하라.
증명. $A \in M_{n\times n}(F)$의 행을 $a_1, \cdots, a_n$이라 하자. 행렬식은 각 행에 대해 선형($n$중선형)이므로, 한 행을 스칼라 $k$배 하면 행렬식도 $k$배가 된다: $$\det\begin{pmatrix} ka_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{pmatrix} = k\det\begin{pmatrix} a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{pmatrix}.$$
$kA$는 행이 $ka_1, \cdots, ka_n$인 행렬이므로, 이 성질을 각 행에 차례로 적용하면 $$\det(kA) = \det\begin{pmatrix} ka_1 \\ ka_2 \\ \vdots \\ ka_n \end{pmatrix} = k\det\begin{pmatrix} a_1 \\ ka_2 \\ \vdots \\ ka_n \end{pmatrix} = k^2\det\begin{pmatrix} a_1 \\ a_2 \\ ka_3 \\ \vdots \\ ka_n \end{pmatrix} = \cdots = k^n\det\begin{pmatrix} a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{pmatrix} = k^n\det(A)$$ 이다.
Problem. Let $A \in M_{n\times n}(F)$ and $k \in F$. Prove that $\det(kA) = k^n \det(A)$.
Proof. Let the rows of $A \in M_{n\times n}(F)$ be $a_1, \cdots, a_n$. The determinant is linear in each row (it is $n$-linear), so scaling one row by $k$ scales the determinant by $k$: $$\det\begin{pmatrix} ka_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{pmatrix} = k\det\begin{pmatrix} a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{pmatrix}.$$
Since $kA$ is the matrix with rows $ka_1, \cdots, ka_n$, applying this property to each row in turn gives $$\det(kA) = \det\begin{pmatrix} ka_1 \\ ka_2 \\ \vdots \\ ka_n \end{pmatrix} = k\det\begin{pmatrix} a_1 \\ ka_2 \\ \vdots \\ ka_n \end{pmatrix} = k^2\det\begin{pmatrix} a_1 \\ a_2 \\ ka_3 \\ \vdots \\ ka_n \end{pmatrix} = \cdots = k^n\det\begin{pmatrix} a_1 \\ a_2 \\ \vdots \\ a_n \end{pmatrix} = k^n\det(A).$$
문제. $A \in M_{n\times n}(F)$의 행을 $a_1, \cdots, a_n$이라 하고, 행이 $a_n, \cdots, a_1$인 행렬 $B$를 생각하자. $\det(B)$를 $\det(A)$로 나타내라.
풀이. 행을 뒤집는 것, 즉 $a_1, \cdots, a_n \to a_n, \cdots, a_1$은 바깥쪽부터 $i$번째 행과 $(n+1-i)$번째 행을 차례로 교환하는 것으로 실현할 수 있다: $1$번째 행과 $n$번째 행을 교환하고, $2$번째 행과 $(n-1)$번째 행을 교환하는 식으로 계속한다. 이러한 교환은 총 $\lfloor n/2 \rfloor$번 필요하다 ($n$이 홀수이면 가운데 남는 행은 교환할 필요가 없다).
행을 한 번 교환할 때마다 행렬식의 부호가 바뀌므로, $\lfloor n/2 \rfloor$번의 교환 후에는 $$\det(B) = (-1)^{\lfloor n/2 \rfloor}\det(A)$$ 이다.
Problem. Let the rows of $A \in M_{n\times n}(F)$ be $a_1, \cdots, a_n$ and consider the matrix $B$ whose rows are $a_n, \cdots, a_1$. Express $\det(B)$ in terms of $\det(A)$.
Solution. Reversing the rows, i.e. $a_1, \cdots, a_n \to a_n, \cdots, a_1$, can be realized by interchanging the $i$-th row with the $(n+1-i)$-th row from the outside in: swap row $1$ with row $n$, then row $2$ with row $n-1$, and so on. This requires exactly $\lfloor n/2 \rfloor$ interchanges (if $n$ is odd, the middle row is left in place and needs no swap).
Each row interchange negates the determinant, so after $\lfloor n/2 \rfloor$ interchanges, $$\det(B) = (-1)^{\lfloor n/2 \rfloor}\det(A).$$