數學英文

行列式的運算

發展出向量 (vector) 之後,行列式 (determinant) 可以用向量改寫。例如二階行列式可以視為兩個平面向量的運算: \[\left|\array{a & c\\b & d}\right|= \bigl|\array{\boldsymbol{u} & \boldsymbol{v}}\bigr|,\text{ 其中 } \boldsymbol{u}={a\choose b},\; \boldsymbol{v}={c\choose d}\] 而且,行列式的一個代數性質是:將向量直排或橫排組成的行列式,

(column vectors in a row or row vectors in a column)
只要順序相同,其值就相等。例如: \[\bigl|\array{\boldsymbol{u} & \boldsymbol{v}}\bigr| =\left|\array{\boldsymbol{u}^T \\ \boldsymbol{v}^T}\right|\] 其中 \(\boldsymbol{u}^T=(a,b)\) 就是 \(\boldsymbol{u}\) 的橫式(列向量),而 \(\boldsymbol{u}^T\) 讀作 u transpose(u 的轉置)。具體而言: \[\left|\array{a & c\\b & d}\right|= \left|\array{a & b\\c & d}\right|\] 以上形式可以推廣到 \(n\) 階行列式與 \(n\) 維向量,\(n\) 為正整數;當 \(n=1\),一階行列式就是那個數本身: \[\det(a)=a\] 以 \(n=3\) 為例, \[\left|\array{a & b & c\\d & e & f\\ g & h & k}\right| =\left|\array{a & d & g\\b & e & h\\ c & f & k}\right| =\bigl|\array{\boldsymbol{u} & \boldsymbol{v} & \boldsymbol{w}}\bigr| =\det(\boldsymbol{u}, \boldsymbol{v}, \boldsymbol{w})\] 其中 \(\boldsymbol{u}=\left(\array{a\\b\\c}\right)\)、 \(\boldsymbol{v}=\left(\array{d\\e\\f}\right)\)、 \(\boldsymbol{w}=\left(\array{g\\h\\k}\right)\)。

其次,發展出線性組合 (linear combination) 之後,可用來描述行列式的幾何意義:承續前面使用的符號: \[\Bigl|\left|\array{a & c\\b & d}\right|\Bigr| =\Bigl|\det(\boldsymbol{u},\boldsymbol{v})\Bigr|=\text{ 由 }\boldsymbol{u}\text{、}\boldsymbol{v}\text{ 決定的平行四邊形面積}\] \[\Bigl|\left|\array{a & d & g\\b & e & h\\ c & f & k}\right|\Bigr|=\Bigl|\det(\boldsymbol{u},\boldsymbol{v}, \boldsymbol{w})\Bigr|=\text{ 由 }\boldsymbol{u}\text{、}\boldsymbol{v}\text{、}\boldsymbol{w}\text{ 決定的平行六面體體積}\]

任何一種運算,只要可以將線性組合拆開來分別運算,也就是 \[F(ax+by)=aF(x)+bF(y)\] 就稱之為線性運算 (linear operation),或者說它是線性的 (the operation is linear),或者說它具備線性性質 (the operation has linearity)。

行列式的每一行都有線性性質 (linearity),所以稱為 multilinearity,譯作「多重線性」:

The determinant is multilinear.
以三階行列式為例,每一行皆滿足以下等式 \[\bigl|\array{\boldsymbol{u} & a\boldsymbol{v}_1+b\boldsymbol{v}_2 & \boldsymbol{w}}\bigr| =a\bigl|\array{\boldsymbol{u} & \boldsymbol{v}_1 &\boldsymbol{w}}\bigr| +b\bigl|\array{\boldsymbol{u} & \boldsymbol{v}_2 &\boldsymbol{w}}\bigr| \] 其次,行列式也是「交替的」alternating:只要有任兩向量相等,行列式為 \(0\)(想像成「抓交替」)。例如,當 \(a:b=c:d\),也就是說 \(a\)、\(b\) 和 \(c\)、\(d\) 成比例,則 \[\left|\array{a & b\\c & d}\right| =\left|\array{a & c\\b & d}\right| =\left|\array{a & ka\\b & kb}\right| =k\left|\array{a & a\\b & b}\right|=k\cdot0=0\] Multilinearity 和 alternating 的一個應用如下: \[\begin{align}\bigl|\array{\boldsymbol{u}+\boldsymbol{w} & \boldsymbol{v} & \boldsymbol{u}+\boldsymbol{w}}\bigr|&=0\\ &=\bigl|\array{\boldsymbol{u}& \boldsymbol{v}& \boldsymbol{u}}\bigr| +\bigl|\array{\boldsymbol{u}& \boldsymbol{v}& \boldsymbol{w}}\bigr| +\bigl|\array{\boldsymbol{w}& \boldsymbol{v}& \boldsymbol{u}}\bigr| +\bigl|\array{\boldsymbol{w}& \boldsymbol{v}& \boldsymbol{w}}\bigr|\\ &=\bigl|\array{\boldsymbol{u}& \boldsymbol{v}& \boldsymbol{w}}\bigr| +\bigl|\array{\boldsymbol{w}& \boldsymbol{v}& \boldsymbol{u}}\bigr| \end{align}\] 因此推論行列式是反交換的 (anticommutative)──任兩個向量交換使得行列式變相反數: \[\bigl|\array{\boldsymbol{u}& \boldsymbol{v}& \boldsymbol{w}}\bigr| =-\bigl|\array{\boldsymbol{w}& \boldsymbol{v}& \boldsymbol{u}}\bigr|\]

[語音講解:detop.mp3]

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Created: Aug 12, 2023
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