行列式:多重线性理论
作为带符号体积的行列式
关于行列式最干净的心象:把一个矩阵的 n 个列向量喂给它,它返回这些列所张成的盒子(平行多面体)的带符号 n 维体积。二维时是两个向量上平行四边形的带符号面积;三维时是三个向量上平行多面体的带符号体积。“带符号”意味着它还用正负号记录定向。
因为 det 是单位立方体的像的带符号体积,所以 det(A) 恰是线性映射 A 缩放任何体积的倍数:体积为 V 的区域被送到体积为 |det(A)| * V 的区域。若 det(A) = 0,立方体被压扁进更低的维度(列线性相关);若 det(A) 为负,映射把盒子翻里作面,颠倒了手性。
这一几何解读毫不费力地解释了代数。多重线性是“一条棱加倍,体积加倍”。交替性是“两条棱相等意味着扁平的零体积盒子”。乘性 det(AB) = det(A) det(B) 是“先做一次体积缩放,再做一次,缩放倍数相乘”。你可以靠画图重新推出这些法则。
注意:这里的“体积”是与标准基绑定的自然(勒贝格)体积;符号依赖于所选的定向。对一个算子而言,数 det(A) 是无基的,但“单位体积为 1”这一概念本身要求你声明一个参照盒子。换掉这个参照,“体积”的绝对尺度就会改变,尽管体积之比——从而算子的 det——不变。
A = [a, b; c, d], det(A) = ad - bc = signed area of the parallelogram on columns (a,c) and (b,d)
2x2 行列式就是两个列向量扫出的带符号面积。
在微积分中这就是换元的雅可比:换元时积分会乘上 |det| 因子,因为这正是换元对每个微小体积元的拉伸倍数。
另见