行列式的本质是什么?

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先说答案:行列式是线性变换的伸缩因子。

理解行列式一定要从线性变换出发去理解,直接去理解它的代数形式是没有意义的。

这篇文章的结构是:

线性变换的几何直观实现线性变换的矩阵行列式1 线性变换的几何直观

线性变换的几何直观有三个要点:

变换前是直线的,变换后依然是直线直线比例保持不变变换前是原点的,变换后依然是原点比如说旋转:

行列式的本质是什么?-图片1

行列式的本质是什么?-图片2

比如说推移:

行列式的本质是什么?-图片3

行列式的本质是什么?-图片4

这两个叠加也是线性变换:

行列式的本质是什么?-图片5

自己动手试一下(观察下是否符合之前的三个要求):

行列式的本质是什么?-图片6

2 实现线性变换的矩阵

矩阵可以讲的东西非常多,我这里通过一个具体的例子来展示下矩阵是如何完成线性变换的。

行列式的本质是什么?-图片7

行列式的本质是什么?-图片8

行列式的本质是什么?-图片9

我把基画出来的原因是因为矩阵变换的其实是基。

举例子来看看,比如旋转(旋转矩阵

行列式的本质是什么?-图片10

行列式的本质是什么?-图片11

如果要说详细点,实际上:

行列式的本质是什么?-图片12

我们只需要旋转基,就可以完成正方形的旋转:

行列式的本质是什么?-图片13

下面我们看看正方形的旋转过程中,旋转矩阵和基是怎样变化的(为了方便观察旋转,我标记出一个顶点):

行列式的本质是什么?-图片14

再给一个例子,看看推移是怎么改变基的:

行列式的本质是什么?-图片15

3 行列式

3.1 行列式是线性变换的伸缩因子

我们还是拿旋转矩阵来举例子:

行列式的本质是什么?-图片16

什么意思?我们来看看:

行列式的本质是什么?-图片17

行列式的本质是什么?-图片18

在继续往下面讲之前,我设计了一个动画,让你来感受一下,变换矩阵的行列式由正到负,线性变换会怎样进行(我把基也标注出来):

行列式的本质是什么?-图片19

掌握了行列式是线性变换的伸缩因子这一点之后,我们就很容易理解各种行列式的值与线性变换的关系。

3.2 行列式0

行列式1,很显然对于图形有放大的作用:

行列式的本质是什么?-图片20

行列式=1,图形的大小不会变换:

行列式的本质是什么?-图片21

0行列式1,很显然对于图形有缩小的作用:

行列式的本质是什么?-图片22

3.3 行列式=0

行列式等于0,有一个重要的结论是,矩阵不可逆。这点也很好理解。

先看看什么是可逆。原始的图形是这个样子:

行列式的本质是什么?-图片23

通过旋转矩阵,逆时针旋转 45 度:

行列式的本质是什么?-图片24

再通过另外一个旋转矩阵,顺时针旋转 45 度:

行列式的本质是什么?-图片25

看起来这个正方形就像没有变换过一样,因此

行列式的本质是什么?-图片26

行列式的本质是什么?-图片27

互为逆矩阵。

有的线性变换是可逆的,有的不行,比如行列式=0这样的线性变换就是不可逆的。从图像上看,图形会缩成一点:

行列式的本质是什么?-图片28

或者缩成一条直线:

行列式的本质是什么?-图片29

没有矩阵可以把它们恢复成原来的样子。

这就好比摔碎的鸡蛋、泼出去的水、破了的镜子:

行列式的本质是什么?-图片30

所谓覆水难收、破镜难圆就是这个意思。

3.4 行列式0

原始图像是这样的:

行列式的本质是什么?-图片31

被行列式0的矩阵线性变换后是这样的:

行列式的本质是什么?-图片32

行列式0,其实就是改变了基的“左右手法则”。

4 推论

知道了行列式的意义,我们就很容易知道,为什么说:

行列式的本质是什么?-图片33

我们也很容易知道,为什么说:

行列式的本质是什么?-图片34

这是因为:

行列式的本质是什么?-图片35

我们也很容易知道,为什么说三阶矩阵的行列式是列组成的平行六面体的体积。

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