10分钟让你快速了解行列式的几何意义

作者: J.C

来源: 超级数学建模

发布日期: 2017-04-19 09:58:51

本文介绍了行列式的几何意义,特别是二阶和三阶行列式的几何解释,包括有向面积和有向体积的概念,以及行列式在几何变换中的应用。

上次说到,二阶行列式代表两个向量组成的平行四边形的有向面积,那三阶行列式呢?三阶行列式则代表三个向量组成的平行六面体的有向体积。一个行列式可以通过拆分某一个列向量得到两个行列式的和。当行列式的有两行或者两列元素相同,它对应的空间平行六面体的两条邻边重合,相当于将三维空间中六面体压成了高度为0的二维平面。显然,这个平面的三维体积为0。

由于向量是具有方向性的,一个行列式的值对应矩阵A的列向量的一个固定顺序。当detA为负值时,它确定原象的一个反射。所以,这种变换改变了原象的定向。这就是说,平行六面体的体积的k倍等于六面体的三条棱中一条棱长的k倍。这是显然的。因为立方体的体积增大可以沿着立方体某一棱方向增大相同的倍数。

此性质表述了以a为底面积的平行六面体在a方向上进行了切向变换,变换的后的六面体因为底面积不变,高也不变,因此体积不变。其实这个叫做行列式的乘积项,这里我们就拿二阶行列式来说:由于二阶行列式的几何图形是一个有方向的面积(面积方向的确定:叉积的右手定则),那结果很明显:那对于三阶行列式乘积项来说:其实三阶行列式与二阶行列式的乘积项意义是类似的。三阶行列式的乘积项,可以看成具有有方向的小长方体的体积。

也就是说,在三阶方阵张成的三维平行六面体可以分解为一个个由各座标分量混合积构成的小长方体。这些小长方体共有六块,每一块的体积都具有方向。什么意思呢,就是说有些方向相反的体积会被相互抵消掉。其实呢,一个行列式的几何意义是有向线段(一阶行列式)或有向面积(二阶行列式)或有向体积(三阶行列式及以上)。因此,从几何的角度来看,行列式是由各个坐标轴上的有向线段所围起来的所有有向面积(或有向体积)的累加和。

这个累加要注意每个面积(或体积)的方向(或符号),方向相同的要加,方向相反的要减,因而,这个累加的和是代数和。

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