《新理解矩阵5》:体积=行列式

浅述雅可比矩阵(jacobi matrix)与雅克比行列式(Jacobian )(写给自己和菜鸟看的) 0.菜鸟预知识 0.1矩阵 定义: 由 m × n 个数aij排成的m行n列的数表称为m行n列的矩阵,简称m × n矩阵。记作: 基本运算: 加法: 减法: 数乘: 转置: 共轭: 共轭转置: 0.2矩阵乘法 两个矩阵的乘法仅当第一个矩阵A的列数和另一个矩阵B的行数相等时才能定义: 如A是m×n矩阵和B是n×p矩阵,它们的乘积C是一个m×p矩阵 ,它的一个元素:例: 0.3行列式 一个n×n的正方矩阵A的行列式记为det(A)或者|A| ,一个2×2矩阵的行列式可 阅读详情

原文链接:http://spaces.ac.cn/index.php/archives/2208/


在文章《新理解矩阵3》:行列式的点滴中,笔者首次谈及到了行列式的几何意义,它代表了n维的“平行多面体”的“体积”。然而,这篇文章写于我初学矩阵之时,有些论述并不严谨,甚至有些错误。最近笔者在写期末论文的时候,研究了超复数的相关内容,而行列式的几何意义在我的超复数研究中具有重要作用,因此把行列式的几何意义重新研究了一翻,修正了部分错误,故发此文,与大家分享。

一个 n 阶矩阵 A 可以看成是 n 个 n 维列向量 x1,x2,...,xn 的集合

A=(x1,x2,…,xn)

从代数的角度来看,这构成了一个矩阵;从几何的角度来看,这 n 个向量可以建立一个平行 n 维体。比如:平行四边形就是“平行二维体”,平行六面体就是“平行三维体”,高阶的只需要相应类比,不需要真正想象出高维空间的立体是什么样。

让我们考虑矩阵 A 的行列式 detA ,我们知道 detA 有如下性质:

行列式性质

1、行列式是 x1,x2,…,xn 的一个函数,即 detA=f(x1,x2,…,xn) ;

2、(线性1)行列式的某一列乘上常数 α ,则行列式的值也乘上 α ,即 f(x1,…,αxi,…,xn)=αf(x1,…,xi,…,xn) ;

3、(线性2)将行列式的某一列写成两列之和,那么行列式也相应地成为两个行列式之和,即 f(x1,…,αxi,…,xn)=f(x1,…,yi,…,xn)+f(x1,…,zi,…,xn) ,其中 xi=yi+zi ,性质二和三表明 f 是关于每个向量的线性函数;

4、(反对称)只要有两列相同,那么行列式值为0,即 f(…,x,…,x,…)=0 ;

5、(归一)单位矩阵的行列式为1,即 f(I)=1 。


一个惊人的事实是,行列式可以由上面五条性质唯一确定!即由上面五条性质就可以唯一确定一个函数 f ,这个函数就是矩阵的行列式。

从几何的角度来看,用这 n 个向量,可以生成 n 维空间的一个平行 n 维体。让我们来考虑这个平行 n 维体的体积 V 。只在第一卦限讨论,那么体积具有下面的性质(只在第一卦限讨论,限保证了所有的向量和因子都是正数。)

体积性质

1、体积是这 n 个向量的一个函数 V(x1,x2,…,xn) ;

2、将某个向量乘以 α ,也就是把它的长度变为来说的 α 倍,那么体积也增大 α 倍,即 V(x1,…,αxi,…,xn)=αV(x1,…,xi,…,xn) ;

3、体积是可加的,即 V(x1,…,αxi,…,xn)=V(x1,…,yi,…,xn)+V(x1,…,zi,…,xn) ,其中 xi=yi+zi ;这点需要稍加验证,但它的确是正确的。

4、只要有两个向量重合,那么体积自然为0,即 V(…,x,…,x,…)=0 ;比如在三维空间中的一个立体,有两条边重合,那么说明这个立体已经压缩为一个面了,面的体积自然为0。

5、由单位矩阵 I 构成的平行 n 维体是一个 n 维的单位立方体,它的体积自然是1,即 V(I)=1 。

比较行列式和体积的性质,可以发现它们是完全相同的,所以在第一卦限中的平行 n 维体的体积就是对应矩阵的行列式!如果将其放到所有卦限中,那只不过是体积概念的推广(允许为负数)。因此,我们不妨这样定义:体积就是行列式。

事实上,负体积的引入具有重要意义,它是现在的“外微分”的基础之一。外微分一个典型的用处是它可以把高斯积分公式、斯托克斯积分公式等统一起来。它使微分的理论和形式更完整统一。


行列式的几何意义:从面积到体积的直观理解 本文深入解析行列式的几何意义,从二维平面的面积变化到三维空间的体积缩放,揭示行列式作为线性变换中体积缩放因子的本质。通过实例演示和数学推导,帮助读者直观理解行列式在计算机图形学、多重积分等领域的核心应用,掌握其几何直观与算法实现的关联。 阅读详情

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