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工程数学

行列式生长为体积

超越 2×2 面积,走向 n 维带符号体积,用余因子展开计算,用克拉默法则解方程组

还记得 2x2 行列式就是面积吧。那矩阵长大到 3x3、4x4 怎么办?画面不会整个换掉,只是维度一级一级往上爬。3x3 是平行六面体的体积,n x n 是带符号的 n 维体积。难处在于怎么算一个大的行列式,而答案出乎意料地朴素:沿着一行走,把它拆成更小行列式的带符号和。加、减、加,用 +,-,+ 的棋盘符号。这就是余子式展开。从这一个工具里,流出克拉默法则、行列式为何是多重线性且交错的、以及两列相同为何逼它归零。

我们亲手把一个 3x3 行列式展开。按钮带你沿最上面一行一格一格走。选第 j 格,那个元素就亮起,然后把它所在的整行整列划掉。剩下的 2x2 就是那个元素的余子式,而那个小行列式正是我们已经熟悉的面积。每一格带着交替的 +,-,+ 符号。所以完整的行列式是 a11 乘 M11 减 a12 乘 M12 加 a13 乘 M13。一步步走,累加和不断长大,最后正好落到 det 上。关键在于一个大行列式拆成小行列式的带符号和。若是 4x4,只要把同一件事再往深做一层。

余子式有两个零件:子式和符号。在格子里点任意一格 aij。那一格高亮,删去它所在的行 i 和列 j 后剩下的 2x2 子式 Mij 出现。旁边是符号 (-1)i+j:行号加列号是偶数取正,是奇数取负。所以符号从左上角起像棋盘一样铺成 +,-,+,-。子式乘上这个符号就是代数余子式 Cij = (-1)i+j Mij。上一个组件里的展开,归根结底就是沿最上面一行把 aij 乘 Cij 全加起来。沿任意一行或任意一列展开,得到的都是同一个 det。这块符号板正是它的保证。

现在用行列式来解线性方程组。在 A x = b 中,A 是固定的可逆矩阵,滑块设定右端 b1、b2。克拉默法则把答案给成行列式的比:x1 是把 A 的第 1 列换成 b 后那个矩阵的行列式,除以 det(A);x2 是把第 2 列换成 b 后的行列式,除以 det(A)。两个替换后的矩阵以平行四边形面积呈现。分子面积是分母面积的几倍,就正好是 x。移动 b,那个平行四边形就长大或缩小,x1、x2 跟着变。因为行列式是体积,方程组的答案以体积之比出来,这就是克拉默的精神。当 det(A) 趋近 0,分母消失,答案就炸开,你也会看到。

用滑块亲手感受行列式的符号是什么意思。移动这个 2x2 矩阵,作为单位正方形的像的平行四边形也跟着动。那个平行四边形的面积就是行列式的绝对值 |det|。符号是方向:从 î 到 ĵ 的旋转若是逆时针,det 为正;顺时针则为负。轻轻拨动滑块,看两支箭头的旋转翻转的那一刻:|det| 经过 0,符号从 + 变成 -。在二维是带符号的面积,在三维是带符号的体积,在 n 维是带符号的 n 维体积。大小是长了多少,符号是有没有翻面。一个行列式同时装下这两者。

最后是行列式的两种性格:多重线性,且交错。用开关把两列对调(swap)一下。符号就直接翻转。det 大小不变,可 + 变成了 -。这就是交错性。再用滑块把一列朝另一列转过去。两列越来越并齐,在完全重合的那一刻,平行四边形塌成一条线,det 变成 0。两列相同,行列式必为 0,这是交错性的当然推论:把相同的两列对调本该翻转符号,可对调一样的东西又不该有变化,于是 det = -det,也就是 det = 0。用体积看更简单:两条棱在一个方向上重合,形状就压扁了,没有体积。

实际应用行列式是带符号的体积:二维是面积,三维是体积,n 维是 n 维体积。大的用余子式展开来算,是沿一行或一列把 aij 乘代数余子式 Cij = (-1)i+j Mij 相加的 +,-,+ 棋盘和,其中 Mij 是删去那一行那一列后的子式。克拉默法则把 A x = b 的解给成行列式之比 xi = det(Ai)/det(A),其中 Ai 是把 A 的第 i 列换成 b 后的矩阵。行列式对每一列都是线性的(多重线性),交换两列时符号翻转(交错),所以两列相同就归零,而 det = 0 意味着体积为零,于是不可逆。在工程里,雅可比行列式、体积的变换、线性方程组解的存在性,全都从这一个数里出来。
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