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行列式的意义

行列式的意义 数据分析学习与实践
2025-11-15
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我们来深入探讨“行列式 (Determinant)”这个既熟悉又神秘的概念。我们绝不从那个复杂的代数公式出发,而是完全遵循我们已经建立的认知路径:从线性变换的几何直观出发,去“发现”行列式存在的必然性和它深刻的几何意义

如何用一个“数”量化一个线性映射?

我们在讨论了向量空间(基本上是n维数字的集合)以及作用于其上的线性映射

现实世界中的地图,其实也是线性代数意义上的“映射”,因为它将地球表面的每一个点“映射”到了一张纸或桌面上。但它们通常不是线性映射,因为它们无法保持相对面积不变(例如,在某些国家地图中,韩国看起来比实际大得多,“打辆出租车去中国!”)。

一旦我们为向量空间选定了一组(basis,即空间中   个“独立”向量的集合),那么该空间上的所有线性映射,都会被赋予一个唯一的矩阵来表示。

暂时,让我们将注意力集中在那些将向量从   维空间映射回同一个   维空间的映射上。这些映射对应的矩阵是   的方阵。我们自然会想,能否“量化”这样一个线性映射,用一个单一的数字来表达它对整个向量空间的影响?

这类映射的作用,本质上是将   空间中的向量进行某种“扭曲”,变成该空间中的其他向量。一个原始向量   被映射为新向量  ,它们各自都有长度(  和  )。我们或许可以思考,这个映射使向量的长度改变了多少,即研究比率  。这个比率能否量化映射的“拉伸”程度呢?

这个方法有一个致命的缺陷:这个比率不仅取决于线性映射本身,还取决于它所作用的那个具体向量   因此,它并不能严格地成为线性映射自身的属性。

那么,如果我们一次取两个向量   和   呢?它们被映射为新向量   和  。单个向量的度量是其长度,而两个向量的度量则是它们所夹平行四边形的面积

我们可以考虑面积的变化率,但遗憾的是,这个比率同样依赖于我们最初选择的向量。接着,我们可以扩展到三个向量,考虑它们所构成的平行六面体体积的变化,但仍会遇到同样的问题。

然而,解决方案发生在当我们考虑一个   维区域时。这个区域拥有某种“  维测度”。二维测度是面积,三维测度是体积。虽然四维测度在物理世界中没有直观对应,但在数学上是完全成立的。

 个原始向量   构成一个   维平行多面体,它被线性映射变换为由   个新向量   构成的另一个平行多面体。现在,我们来考察这两个区域的   维测度之比。

事实证明,这个比率,竟然只与线性映射本身有关!

无论我们最初选择的   维区域长什么样、位于何处,经过线性映射后其测度与原始测度的比率都是一个恒定的值,它完全由该线性映射唯一确定。

这个比率,即一个线性映射改变任何  维空间区域测度的倍数,正是我们一直在寻找的那个量化指标。它被称为该线性映射的**行列式 (determinant)**。

计算行列式

那么,我们如何计算一个线性映射的行列式呢?

一个直接的方法是:任取   个向量,计算它们所构成平行多面体的   维测度,再计算映射后新向量所构成平行多面体的测度,最后求两者的比值。

为了让这个过程更具体,我们需要一个参照物。在   空间中,最简单的一组基向量就是标准基

由这组标准基向量构成的“标准”   维区域(一个单位超立方体),其测度根据定义恰好为1

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