乙個
n 階矩陣
a 可以看成是
n 個
n 維列向量x1
,x2,
...,
xn的集合 a
=(x1
,x2,
…,xn
) 從代數的角度來看,這構成了乙個矩陣;從幾何的角度來看,這
n 個向量可以建立乙個平行
n 維體。比如:平行四邊形就是「平行二維體」,平行六面體就是「平行三維體」,高階的只需要相應模擬,不需要真正想象出高維空間的立體是什麼樣。
讓我們考慮矩陣
a 的行列式
deta
,我們知道
deta
有如下性質:
行列式性質1、行列式是x1
,x2,
…,xn
的乙個函式,即
deta=f
(x1,
x2,…
,xn)
;2、(線性1)行列式的某一列乘上常數
α ,則行列式的值也乘上
α ,即f(
x1,…
,αxi
,…,x
n)=α
f(x1
,…,x
i,…,
xn) ;
3、(線性2)將行列式的某一列寫成兩列之和,那麼行列式也相應地成為兩個行列式之和,即f(
x1,…
,αxi
,…,x
n)=f
(x1,
…,yi
,…,x
n)+f
(x1,
…,zi
,…,x
n),其中xi
=yi+
zi,性質二和三表明
f 是關於每個向量的線性函式;
4、(反對稱)只要有兩列相同,那麼行列式值為0,即f(
…,x,
…,x,
…)=0
;5、(歸一)單位矩陣的行列式為1,即f(
i)=1
。
乙個驚人的事實是,行列式可以由上面五條性質唯一確定!即由上面五條性質就可以唯一確定乙個函式f
,這個函式就是矩陣的行列式。
從幾何的角度來看,用這
n 個向量,可以生成
n 維空間的乙個平行
n 維體。讓我們來考慮這個平行
n 維體的體積
v 。只在第一卦限討論,那麼體積具有下面的性質(只在第一卦限討論,限保證了所有的向量和因子都是正數。)
體積性質比較行列式和體積的性質,可以發現它們是完全相同的,所以在第一卦限中的平行1、體積是這
n 個向量的乙個函式v(
x1,x
2,…,
xn) ;
2、將某個向量乘以
α ,也就是把它的長度變為來說的
α 倍,那麼體積也增大
α 倍,即v(
x1,…
,αxi
,…,x
n)=α
v(x1
,…,x
i,…,
xn) ;
3、體積是可加的,即v(
x1,…
,αxi
,…,x
n)=v
(x1,
…,yi
,…,x
n)+v
(x1,
…,zi
,…,x
n),其中xi
=yi+
zi;這點需要稍加驗證,但它的確是正確的。
4、只要有兩個向量重合,那麼體積自然為0,即v(
…,x,
…,x,
…)=0
;比如在三維空間中的乙個立體,有兩條邊重合,那麼說明這個立體已經壓縮為乙個面了,面的體積自然為0。
5、由單位矩陣
i 構成的平行
n 維體是乙個
n 維的單位立方體,它的體積自然是1,即v(
i)=1
。
n 維體的體積就是對應矩陣的行列式!如果將其放到所有卦限中,那只不過是體積概念的推廣(允許為負數)。因此,我們不妨這樣定義:體積就是行列式。
事實上,負體積的引入具有重要意義,它是現在的「外微分」的基礎之一。外微分乙個典型的用處是它可以把高斯積分公式、斯托克斯積分公式等統一起來。它使微分的理論和形式更完整統一。
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