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[学习笔记]理解线性代数 - 行列式

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The purpose of computation is insight, not numbers.

上一篇介绍了变换的表示,这篇就主要介绍一个重要的概念,当变换发生时,究竟对空间有多少拉伸或压缩,也就是变换对一块给定区域的面积的影响。

举个例子,现在有矩阵(变换) $$ \begin{bmatrix} 3\ \ 0\ 0\ \ 2\ \end{bmatrix} $$ 那么我们在变换前的单位面积(假定以i=1,j=1为单位长度),为1 这块区域在经过上述变换后变成一个 2*3 的矩形,其面积为 6,这么就说这个线性变换将它的面积变为6倍。 实际上,只要知道了这个单位正方形面积变化的比例,它就能告诉你其他任意区域的面积变化比例,因为一个方格无论如何变化,对其他大小的方格来说,都会有相同的变化。这是由“网格线保持平行且等距分布”这一事实推断的。

并且对于不是方格的形状,也是可以用许多方格良好近似的,只要使用的方格足够小,近似就能足够好。

这个特殊的缩放比例,也就是线性变换改变面积的比例,就被称为这个变换的行列式。比如一个线性变换的行列式是3,那么就是说它将一个区域的面积增加为原来的3倍。

一种特殊的情况,一个二维线性变换的行列式为0,说明它将整个平面压缩到一条线,甚至一个点。理解这个很重要,也就是说根据判断一个矩阵的行列式的值是否为0,就能了解这个矩阵所代表的变换是否将空间压缩到更小的维度上。

关于其计算,我们知道行列式的计算方法如下 $$ det( \begin{bmatrix} a\ \ b\ c\ \ d\ \end{bmatrix} )= ad-bc $$ 其中a告诉你i在x轴方向的伸缩比例,d告诉你j在y轴方向的伸缩比例。bc项表示平行四边形在对角方向上拉伸或压缩了多少 $$ det( \begin{bmatrix} a\ \ b\ c\ \ d\ \end{bmatrix} )= (a+b)(c+d) - ac -bd -2bc = ad -bc $$

对于三维线性变换

$$ det( \begin{bmatrix} a\ \ b \ \ c \ d\ \ e \ \ f \ g\ \ h \ \ i \ \end{bmatrix} )= a * det( \begin{bmatrix} e\ \ f\ h\ \ i\ \end{bmatrix} ) - b * det( \begin{bmatrix} d\ \ f\ g\ \ i\ \end{bmatrix} ) + c * det( \begin{bmatrix} d\ \ e\ g\ \ h\ \end{bmatrix} ) $$


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