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  • 1 # 使用者6540031179532

    本文用行列式的幾何意義去解釋行列式的十大性質

    一個矩陣的行列式就是一個平行多面體的(定向的)體積,這個多面體的每條邊對應著對應矩陣的列。如果學生得知了這個秘密(在純粹的代數式的教育中,這個秘密被仔細的隱藏了起來),那麼行列式的整個理論都將成為多重線性形式理論的一部分。倘若用別的方式來定義行列式,任何敏感的人都將會永遠痛恨諸如行列式,Jacobian式,以及隱函式定理這些東西。

    ——俄國數學家阿諾爾德(Vladimir Arnold)《論數學教育》

    線上性代數發展歷史中,行列式和矩陣理論有著密切關係。目前來看,線代的書一般單獨拿一章節來介紹行列式,但主要目的是用來推導後面的特徵多項式,求解特徵值。行列式應該是線性代數核心原理推導的結果,而不是用行列式來推導線性代數的核心。否則學生很可能迷糊,覺得行列式很難使用,再在它的基礎上來推導其它,就更令人困惑了。

    本文試著給出行列式的意義,在理解意義的基礎上再來看行列式的性質,一切應該更明瞭一些。

    如果要求平面上一個平行四邊形的面積來定義一個函式det(A),稱這個函式為行列式,除了寫成det(A),還可寫成絕對值A的形式。其中A的每一行對應著平行四邊形的兩條邊向量,先看函式det(A)滿足的性質,

    ,det(A)=面積

    性質1:如果(a,b)=(1,0),(c,d)=(0,1)則平行四邊形變成正方形,面積=1,A為單位陣,即

    性質2:若A有相同的兩行,則det(A)=0.

    看一個極端情況,如果(a,b)=(c,d),即向量(a,b)與(c,d)重合,面積肯定為0。

    性質3:det(A)對單獨任一行滿足線性關係,即

    將(a,b)伸縮t倍,另一條邊不變,面積也伸縮t倍,如下圖:

    針對第二個公式圖示如下:

    性質4:交換兩行,det(A)變號。

    將面積定向處理,右手定則是大家普遍遵守的,因此,行1,行2對應向量的方向滿足右手定則,則定義det(A)為正,否則為負。

    利用上面這4個性質,可以求出任意平行四邊形的面積了。

    這就是大家熟悉的二階行列式。

    沿用行列式的這4個性質,可以將行列式擴充套件,比如求空間平行六面體的體積。

    先將行列式的其它6個性質匯出:

    性質5:若矩陣中有一行為全0行,則行列式為0.

    利用性質3,全0行,提出一個因子0,行列式肯定為0.

    性質6:從一行中減去其它行的幾倍,行列式不變。

    證明:

    性質7:若矩陣A為三角陣,則行列式等於對角元上元素的乘積。

    證明:任一矩陣A透過初等行變換(性質5),均可以得到對角矩陣,且行列式不變。

    每一行提出因子,

    性質8: A是奇異陣且不可逆,行列式為0;反之,行列式不為0。

    證明:高斯消元后得到U,A是奇異陣,則U有全0行,行列式為0;A是可逆的,則U的對角元素均不為0,所以行列式不為0。

    行列式代表面積(體積),而矩陣A代表線性變換,只有線性變換後,線性空間不降維(行向量線性線性無關),才可以建立一一對映,即可逆。

    性質9:矩陣AB的行列式等於A的行列式乘以B的行列式

    行列式的含義是面積(體積)的放大倍數,AB可以看成是級聯絡統,級聯絡統的放大倍數等於分別每一級放大倍數的乘積。

    性質10:A轉置的行列式等於A的行列式。

    行列式的含義是體積的放大倍數,轉置後,體積放大倍數也沒有發生變化。

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