數學英文

行列式

把二元一次聯立方程按照未知數的順序排列好: \[\left\{ \array{ax+by=h\\cx+dy=k} \right.\tag{1}\] 將方程的係數 \(a\)、\(b\)、\(c\)、\(d\) 分離出來,算出一個數 \[ad-bc\] 就是方程 \((1)\) 的 determinant,直譯為「決定者」,它可以「決定」(determines) 方程 \((1)\) 是否有唯一解?

將方程 \((1)\) 的係數分離出來,自然排列成方形,古文稱為「行列」(直行橫列): \[\array{a & b\\c & d}\] 將這個「行列」算出 determinant 的符號,有以下兩種記號: \[\left|\array{a & b\\c & d}\right| =\det\left(\array{a & b\\c & d}\right):=ad-bc\] 中文就翻譯成「行列式」了。

單純使用消去法 (elimination of unknowns) 就能推論:若且唯若 \(\displaystyle\left|\array{a & b\\c & d}\right|\not=0\) 時,方程 \((1)\) 有唯一解:

The system of equations \((1)\) has a unique solution if and only if the determinant is nonzero.
引進解析幾何之後,也能看出行列式可以做「決定」的原因:\(ad-bc=0\) 等價於 \(a:b=c:d\),也就是 \(a\)、\(b\) 和 \(c\)、\(d\) 成比例 (in proportion),所以方程中的兩條直線平行或者重疊:
Lines in the system of linear equations are either parallel or coincident.
所以沒有唯一交點,也就等價於方程沒有唯一解。

當方程 \((1)\) 的 \(\displaystyle\left|\array{a & b\\c & d}\right|\not=0\),它的公式解是 \[x={\displaystyle\left|\array{h & b\\k & d}\right|\over \left|\array{a & b\\c & d}\right|},\quad y={\displaystyle\left|\array{a & h\\c & k}\right|\over \left|\array{a & b\\c & d}\right|} \] 稱為克拉瑪公式 (Cramer's rule)。就二元線性聯立方程而言,克拉瑪公式很簡單,但它厲害的是可以推廣到 \(n\) 元線性聯立方程。關鍵是:\(n\) 階行列式 (determinant of order \(n\)) 怎麼算?

萊布尼茲 (Leibniz) 帶頭發現將三階行列式 (determinant of order 3 或 the third order determinant) 降為一串二階行列式的算法: \[\left|\array{a & b & c\\d & e & f\\ g & h & k}\right|=a\left|\array{e & f\\g & h}\right| -b\left|\array{d & f\\g & k}\right| +c\left|\array{d & e\\g & h}\right|\tag{2}\] 拉普拉斯 (Laplace) 將它推廣到 \(n\geq4\) 階的情況:遞迴地 (recursively) 利用 minors 將 \(n\) 階行列式降階 (to reduce the order) 為 \(n-1\) 階。所謂 minor 是去掉一行與一列 (removing one row and one column) 之後的行列式,中文譯作「餘子式」,不如直接說英文。而 minor 賦予恰當的正負號之後,稱為 cofactor(餘因子)。例如在 \((2)\) 式中,\(\displaystyle\left|\array{d & f\\g & k}\right|\) is the minor of \(b\),\(\displaystyle-\left|\array{d & f\\g & k}\right|\) is the cofactor of \(b\)。而 \((2)\) 式是三階行列式沿著第一列的拉普拉斯展開:

the Laplace expansion along the first row
預先警告 (be forewarned):以上行列式算法僅適合低階行列式 (lower order determinants),並非一般性的理想算法。

在直角坐標上,另外發現了行列式的幾何意義 (geometric meaning): \[{1\over2}\Bigl|\left|\array{a & c\\b & d}\right|\Bigr| ={1\over2}\Bigl|\det\left(\array{a & c\\b & d}\right)\Bigr|\] 是由原點 \(O(0,0)\) 和 \((a,b)\)、\((c,d)\) 兩點為頂點的三角形面積;式子外側的 \(\bigl|\cdot\bigr|\)──the outer pair of vertical bars──表示絕對值。

[語音講解:det.mp3]

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Created: Aug 7, 2023
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