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由顶层外幂得行列式,与对称代数

由于 $\Lambda^n(V)$ 是一维的,任何线性映射 $T: V \to V$ 在其上以单个标量作用——而那个标量就是行列式,无需公式、无需选基。我们用一行证明 $\det(ST) = \det S \det T$,再认识对称代数——$\Lambda(V)$ 的交换孪生兄弟——看它如何变成一个多项式环。

无公式的行列式

设 $\dim V = n$,故 $\Lambda^n(V)$ 是一维的。线性映射 $T: V \to V$ 通过 $v_1 \wedge \cdots \wedge v_n \mapsto Tv_1 \wedge \cdots \wedge Tv_n$ 诱导出 $\Lambda^n(T): \Lambda^n(V) \to \Lambda^n(V)$。一维空间的任何线性自同态都是某标量的乘法——而那个标量就是 $T$ 的[[determinant-exterior-power|行列式]]。没有置换求和、没有余子式展开、没有基:$\det T$ 只是 $T$ 缩放顶层形式的倍数。

Multiplicativity in one line.  Lambda^n is a functor on linear maps:
    Lambda^n(S . T) = Lambda^n(S) . Lambda^n(T).
Reading off scalars on the 1-dim space Lambda^n(V):
    det(S.T) = det(S) . det(T).             Done. No index gymnastics.

Recovering the classical formula.  Fix basis e_1,...,e_n and let T have
matrix A = (a_{ij}), i.e. T e_j = sum_i a_{ij} e_i.  Then
   T e_1 ^ ... ^ T e_n
     = ( sum_i a_{i1} e_i ) ^ ... ^ ( sum_i a_{in} e_i ).
Expand; any term with a repeated e_i dies (e_i ^ e_i = 0), so only
permutations survive, each contributing a sign = sgn(sigma):
   = ( sum_{sigma in S_n} sgn(sigma) a_{sigma(1),1} ... a_{sigma(n),n} )
       . (e_1 ^ ... ^ e_n).
The scalar in parentheses is exactly the Leibniz formula for det(A).

Check on 2x2,  A = [a, b; c, d]:
   (a e_1 + c e_2) ^ (b e_1 + d e_2)
     = ad (e_1^e_2) + cb (e_2^e_1) = (ad - bc)(e_1^e_2).   det = ad - bc.
$\Lambda^n$ 的函子性立刻给出 $\det(ST)=\det S\det T$;在基中展开则重新生成 Leibniz 置换求和与熟悉的 $ad-bc$。

对称代数:用交换性取代符号

对 $T(V)$ 用另一条自然关系——$v \otimes w - w \otimes v$——取商,便得到对称代数 $S(V) = T(V) / (v \otimes w - w \otimes v)$,其中乘法是交换的。外代数要求变号,对称代数则要求次序完全无关紧要。其 $k$ 次部分 $S^k(V)$ 以 $V$ 一组基上的无序单项式为基,故 $\dim S^k(V) = \binom{n+k-1}{k}$。

妙处在于:若 $V$ 有基 $x_1, \ldots, x_n$,则 $S(V)$ 典范地就是多项式环 $R[x_1, \ldots, x_n]$,按总次数分次。于是对称代数是“多项式环”的无坐标、无关基的含义——且满足泛性质:到交换代数的线性映射 $V \to A$ 唯一延拓为代数同态 $S(V) \to A$。这是从多线性代数通往交换代数及其上几何的桥梁。