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线性代数的本质(5)——行列式

时间:2020-05-14 10:52:16      阅读:49      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

打破认知观的一节,之前学习行列式都是从逆序数开始学起,学习行列式的性质,做大量计算练习,这里直接告诉我们行列式的值代表面积/体积,建立了与矩阵、线性变换的联系,真的是一语惊醒梦中人!

5.0 总结

(1)行列式的意义

  • 单位面积/单位体积缩放或者拉升的比例
  • 线性变换对空间压缩或者拉升的比例
线性变换会对空间进行挤压或者拉伸,我们通过追踪空间基向量的变换,来查看单位面积(二维)/单位体积(三维)的面积或者体积缩放比例,而这个缩放比例,对应的就是行列式的值。
  • 二维空间中行列式的值表示平行四边形的面积三维空间中行列式的值表示平行六面体的体积

(2)我们就建立了线性变换、矩阵、行列式之间的关系。

(3)行列式值为0 表示将空间压缩到更低的维度

(4) 矩阵的列向量线性相关技术分享图片行列式的值0

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5.1 二维空间的行列式

A.行列式的意义

在线性变换的时候,有的线性变换起到空间挤压的作用,有的线性变换起到了空间拉伸的作用,那么测量变换到底对空间拉伸或者挤压了多少。 我们可以追踪变换后基向量的面积大小。从这个层面上,建立了 “矩阵与行列式之间的关系”

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行列式的意义--面积的缩放发小

首先我们看一下剪切变换带来的面积变化?经过计算可得,剪切变换不仅带来了空间的挤压,而且保持面积不变。(如下图)

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剪切变换面积保持不变

我们只要追踪基向量构成的单位面积的变化,因为其他区域面积变化的比例大小与单位面积变化的比例保持一致,这样就可以知道空间中任意区域面积变化的比例,这是因为线性变换保持“网格线平行且等距变换”

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任意平行区域的面积缩放比例--线性变换的性质相关

对于空间中任意区域的面积,借助微积分的思想,我们可以采用足够小方格来逼近区域的面积。

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不规则区域面积求解

B.行列式值为0表示把空间挤压为一条直线或者一个点。

只要检验行列式的值是否为0,就能够判断线性变换是否将空间挤压到更小的维度

  • 线性变换将空间挤压为一条直线
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挤压为一条直线

  • 线性变换将空间挤压为一个点
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挤压为一个点

C.行列式的值为负代表什么?

我们采用基向量来描述:

  • 初始状态,技术分享图片向量在技术分享图片向量的左侧
  • 经过变换,技术分享图片向量在技术分享图片向量的右侧

这样的结果就是空间取向发生了变换,即将整个空间翻转了一遍。(如下图)

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为什么负值与空间取向有关?

以二维空间为例,基向量技术分享图片保持不变,基向量 技术分享图片逆时针逐渐靠近技术分享图片

  • 技术分享图片技术分享图片重合前,空间压缩越来越严重,意味着行列式的值逐渐趋近于0,
  • 当在技术分享图片技术分享图片重合时,行列式的值为0;
  • 技术分享图片继续按照这个方向移动,这样行列式的值继续减小为负值。
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5.2 三维空间的行列式

A.行列式的意义

三维空间中行列式的值代表着体积的缩放比例,我们关注的是单位立方体进行线性变换后的体积变化,对应行列式的值表示对应平行六面体的体积

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行列式为0,意味着空间被压缩为一个平面、一条直线、甚至是一个点。

矩阵线性相关 技术分享图片 行列式的值0 ;

B.三维空间行列式的值为负代表什么?

三维空间坐标系我们默认采用右手法则,(食指表示 技术分享图片 ,中指表示 技术分享图片 ,拇指表示 技术分享图片

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右手法则

当空间变换后,仍然采用(食指表示技术分享图片,中指表示技术分享图片,拇指表示 技术分享图片 ),这时候就只能用左手法则表示,这就意味着空间取向发生了翻转,行列式的值为负。

5.3 行列式计算的直观理解

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这个公式直观的理解就是:

技术分享图片,表示底为技术分享图片,高为技术分享图片的平行四边形的面积

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技术分享图片,仍然表示底为 技术分享图片,高为 技术分享图片的平行四边形的面积

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当行列式斜对角线的元素技术分享图片技术分享图片 均不为0时,bc项就会告诉平行四变形在对角方向拉伸或者压缩了多少,bc项代表的含义如下图:

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可以看出,行列式的值与面积有着紧密的联系

5.4 行列式的运算规律

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用计算行列式的值来解释等式为什么成立会比较繁琐,我们采用行列式的几何意义来解释将会比较简单:

  • 等式右边:先经过技术分享图片变换,将面积缩放技术分享图片倍,然后经过变换技术分享图片,将面积再次缩放技术分享图片
  • 等式左边:经过变换一次性进行技术分享图片技术分享图片 后,整体面积缩放的比例为技术分享图片

显然两者变换的方式是等价的,带来的面积缩放比例也是一致的,因此等式左右两边成立。

5.5 总结

(1)行列式的意义

  • 单位面积/单位体积缩放或者拉升的比例
  • 线性变换对空间压缩或者拉升的比例
线性变换会对空间进行挤压或者拉伸,我们通过追踪空间基向量的变换,来查看单位面积(二维)/单位体积(三维)的面积或者体积缩放比例,而这个缩放比例,对应的就是行列式的值。
  • 二维空间中行列式的值表示平行四边形的面积三维空间中行列式的值表示平行六面体的体积

(2)我们就建立了线性变换、矩阵、行列式之间的关系。

(3)行列式值为0 表示将空间压缩到更低的维度

(4) 矩阵的列向量线性相关技术分享图片行列式的值0

线性代数的本质(5)——行列式

原文:https://www.cnblogs.com/wkfvawl/p/12886446.html

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