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从一个公式到列的函数

在第一卷里,[[determinant|行列式]]是你用余子式或行化简算出的一个数。我们换个起点:把 det 看作矩阵各列的一个函数,观察它的行为——真正的定义是这种行为,而非公式。

第一卷未解释的部分

你已经会算行列式了:沿某一行展开,或化为三角形后把主元相乘。但为什么交换两列会改变符号?为什么乘积的 det 等于 det 的乘积?第一卷给了法则,却没说它们从何而来。诚实的答案是:所有这些法则都源自三条简单性质——而任何具备这三条性质的函数都必然等于行列式。

视角的转变虽小却决定一切。别再把矩阵 A 当成数字方格,而要把它看作其列向量的一个列表:A = [c_1, c_2, ..., c_n]。于是 det 成为 R^n 中 n 个向量的函数 det(c_1, ..., c_n),返回一个标量。

对函数的三个要求

三条性质如下。(1)多重线性:固定其余列,det 关于每一列分别是线性的。(2)交替性:若有两列相等,则 det = 0。(3)归一化:det(I) = 1,即标准基向量的 det 为 1。这就是全部定义。记住这三行,本系列其余部分都在展开它们。

对多个向量自变量各自线性的函数称为多重线性映射;在自变量重复时取零的称为交替多重线性形式。所以口号是:行列式是列上的交替多重线性形式,归一化使单位阵取 1。

Multilinearity, column j scaled and added:
  det(.., a*u + b*v, ..) = a*det(.., u, ..) + b*det(.., v, ..)

Alternating, two equal columns:
  det(.., w, .., w, ..) = 0

Normalization:
  det(e_1, e_2, ..., e_n) = det(I) = 1

Quick check in 2x2 with [a c; b d] = [col1 col2]:
  det([a,b], [c,d]) and the three rules
  will force det = a*d - b*c (shown in Guide 2).
三条定义法则(按列书写)。

为何是这三条?几何预览

这些法则并非随意——它们正是有向体积的法则。把平行六面体的一条棱拉伸 a 倍,体积也乘以 a(线性性)。有两条相同棱的盒子是扁的,体积为零(交替性)。单位立方体体积为 1(归一化)。我们将在第 3 篇把这一点充分展开为作为有向体积的行列式

有一个直接推论值得现在就看。若各列线性相关,则 det = 0。理由:相关的那一列是其余列的线性组合;用多重线性展开成若干 det 之和,每项都含重复列,由交替法则全为零。所以 det 能检测线性无关性——扁盒子没有体积。