行列式的故事

行列式与辛行列式:从线性代数到Galois表示变形理论 行列式是线性代数中的核心概念,它最初作为计算工具用于求解线性方程组和判断矩阵可逆性。其本质是线性变换对体积元的缩放因子,这一几何解释构成了理解更高级应用的基石。在表示论中,行列式演变为关键的群同态,将一般线性群GL(n)映射到一维乘法群,从而成为高维表示的一维特征标或不变量。这一特性在Galois表示中具有重要技术价值,特别是在变形理论中,固定行列式可以简化高维表示的连续族研究,确保变形空间具有良好的代数几何结构。当研究背景从一般线性空间转入具有特定对称性的辛几何时,辛行列式的概念随之出现。它通常不再是一个 阅读详情

        当我们由后期的观点来看数学史或科学史,特别是受限于篇幅和深度的时候,经常营造出一种假象,好像历代(甚至不同种族、不同地域的)学者们都朝着一个共同而明确的目标前进,有如接力赛似地一棒传一棒,而造就出今天教科书里的内容。而真相并非如此。只要能够多用一点篇幅,并且多引入一些数学内容,就能表现出更多的真相。

 

        但是历史也确实有其神秘之处;有时候,某些不凡的灵魂彷佛真的能够跨越地理的障碍,又好像某些思维在某个时期确实充斥于「空气中」,许多未能彼此沟通的人同时接受了讯息,而创造出极为类似的成果。

 

        若 n 是正整数,则 n 阶行列式就是将n^2 个数映射成一个数的计算规则;某一个数的一阶行列式就是那个数本身。以下记号是今日的标准:将 n^2 个数排列成正方形,在其左右两侧画上直线(看起来也就是「绝对值」符号)。绝对值记号的「借用」以及把数排列成正方形的写法,是英国人凯莱(Cayley,1821-95)在 1841 年提出的。

 

        虽然前人并没有把数排列成正方形,也没有方阵的名字和观念,却其实已经考虑了所谓的矩阵乘法。早些时候,行列式有两个意义:它既指那 n^2 个数,又指它们依规则算出来的那一个数。所以,柯西(Cauchy, 1789-1857)在 1812 年发表的「行列式乘法性质」,乍看是一句没意义的话:『行列式的乘积相等』,其实就是我们今天所说的|A||B|=|AB| ,其中A和B是阶数相等的方阵,而|AB| 的计算规则,就是先做 A 和B 的矩阵乘法,再算其行列式。我们甚至可以说,柯西的行列式乘法性质「启发」了后来矩阵乘法的规则。矩阵的乘法发生在矩阵诞生之前,数学史是不是很有趣?

 

        中文翻译「行列式」的时候,凯莱的符号已经通行,所以那些数写成了方阵形式,而横排的数称为行,直排的称为列。西方称之为determinant,是「决定性因素」的意思。在大势底定以前,同样的观念和算法有过很多不同的名字,我们不必做语源的考据。而 determinant 之胜出,高斯(Gauss, 1777-1855)那本天才洋溢的《算术研究》肯定是个决定性因素:高斯在书里用了那个字  (1801),并且使用了 2 阶和3 阶情况的「行列式乘法性质」;柯西推广并证明了n 阶的情况。

 

        中文「行列式」强烈暗示它是关于行和列的计算规则,这个非常优异的名字同时指出了算法。就好像中文「微积分」明白指出那是一套包括微分和积分的算法,比原文Calculus 有意义多了。所以课本通常将行列式放在矩阵的章节之中。但是我们现在知道,行列式的发生,原本是某种性质的决定性因素,而且早在它被写成行和列以前。

 

        行列式是n 元一次联立方程式有唯一解的决定性因素,也就是课本里的克拉玛公式。克拉玛(Cramer, 1704-52)在 1750 年发表了这个决定(齐次线性)联立方程组有唯一解、有无穷多组解、无解的一般性方法。那篇论文的主题在探讨「平面上通过若干点的代数曲线」,其实就是插值多项式啦;从已知点坐标求插值多项式系数的一般性方法,就是解联立方程组。所谓的克拉玛公式,写在那篇论文的附录,并无证明。在课本里被当作应用的克拉玛公式,其实是行列式的历史源头。

 

        在克拉玛之后,行列式逐渐成为西欧学术圈内的共同知识。虽然圈内人普遍将克拉玛公式视为行列式的源头,却把开创行列式这门学问的荣誉,归给了范德蒙(Vandermonde, 1735-96) 。这是因为后者在 1770 年代的工作,将行列式从联立方程式抽离出来,当作独立的数学研究对象。范德蒙指出了课本里面列举的那些行列式计算性质,并指出利用余因子化简的算法;但是他并没有使用凯莱的方阵表达形式。

 

        但是在克拉玛论文的一百年后 (1850) ,西欧的学术圈有了新的「发现」。那一年,德国(汉诺威)出版了莱布尼兹(Leibniz, 1646-1716)书信全集,里面有一封1683 年写给罗必达(一个大家熟知的极限法则以他命名)的信,也提出了所谓的克拉玛公式,并且明确地写出三阶行列式的计算规则。更令人惊讶的是,莱布尼兹在信中使用了双足标:他写10+11x+12y=0 ,但那些系数不是十、十一、十二的意思,从后文看出来是 a10、a11 、 a12 的意思。

 

        当西欧和日本的交流更为密切之后,他们又「发现」居然就在莱布尼兹写信给罗必达的几乎同时,在日本被尊为「算圣」的关孝和(Seki Takakazu, 1642-1708)也撰写了完全一样的技术,他不但等同于发现了克拉玛公式,也几乎写出了凯莱的方阵形式。我们相信莱布尼兹和关孝和不曾联络,而他们的前世,会不会都读过卡丹诺(Cardano, 1501-76)的《大术》?因为后来又发现,那本书里隐藏了以二阶行列式解二元一次方程组的法则;卡丹诺只差一点点就要发现克拉玛公式了。

 

        当现代的学术圈发现卡丹诺、莱布尼兹和关孝和的早期思想时,行列式的知识已经完备。所以,这些发现类似于「考古」的发掘,对于我们今日所习的知识架构,并没有发生影响。

 

        行列式、向量和矩阵,各有自己的发源,有它们自己的动机和应用。其中最早发生的是行列式;而行列式与向量、方阵的揉合,则发生于十九世纪的中期。至于它们三者被整合在「线性代数」的架构之内,则已经是距今一百年左右的近期发展了。

 

        有些网络文件把行列式的「最早」发现归功于中国汉朝的《九章》,我相信那是溢美之言。九章的确解了三元一次方程组,但是所用的方法等价于高斯消去法,并不是行列式。

从行列式到空间变换:线性代数中的几何直觉 本文深入探讨了行列式在线性代数中的几何直觉,揭示了其作为空间变换的'拉伸'或'压缩'程度的本质。通过2D和3D矩阵的实例,展示了行列式如何描述面积和体积的变化,并应用于计算机图形学、物理学和机器学习等领域。理解行列式的几何视角,能提升解决实际问题的直观判断力。 阅读详情

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