打印机把设计图放大,耗墨面积变了多少?
一块 1 厘米乘 1 厘米的方形色块,如果横向放大 2 倍、竖向放大 3 倍,就变成 2 乘 3 厘米,面积为 6 平方厘米。对应矩阵是 ,行列式为 6。
若把图左右镜像,面积不会变负,但方向翻了,行列式会变号。把面积倍数与翻转信息放在同一个数里,就是“有向面积”。
如果打印机把整张图压成一条线,面积变为零,有些不同位置会重合,你便无法仅靠打印结果还原原图。这把行列式为零与不可逆直接连了起来。
不只会缩放,也要看剪切
把单位正方形顶边水平推右一段,底边不动,得到平行四边形。它看起来歪了,但底和高度不变,所以面积不变。对应剪切矩阵 的行列式就是 1。
如果一台机器先剪切,再横向缩放 2 倍,面积倍率仍只变成 2。把复杂变换拆成这种简单动作,行列式乘法公式就有了直观来源。
二维公式里的减号从哪里来
列向量 与 构成平行四边形。其有向面积为 。可以把它理解为两种横竖配对贡献的差;交换两条边会把顺时针方向变成逆时针,因此符号必须翻转。
例如 的两列同向,。这时单位正方形被压成线段,不存在二维面积,两个输入方向有一部分不可区分。
逆矩阵是按顺序撤销动作
照片先被放大再被旋转。想恢复原图,必须先反向旋转,再反向缩放。所以 。这里先后顺序不只是符号规则,而是撤销操作的实际流程。
若某一步把照片压成一条线,有信息已经重合,后续再拉伸也不能知道原先高度是多少,因此没有真正逆操作。可以按某种偏好补一幅图,但那是重建方案,不是原变换的唯一逆。
换基的三步别跳过
新坐标说“沿斜方向走两格”,而旧矩阵只认识水平竖直坐标。先用 翻译成旧坐标,再由 施加变换,最后用 翻译回新坐标,所以是 。
三个矩阵各有一份明确工作。如果把 的方向定义反过来,公式也会相应变;与其死记左右位置,不如每次写清当前坐标语言、下一步要翻译成哪种语言。
带你做:一副斜坐标怎样翻译
新坐标方向为 、,因此 。新坐标 对应旧坐标 。
现在真实变换为横向放大 2 倍,。旧坐标结果是 ,翻译回新坐标需解 ,得 。
计算整体矩阵 ,乘 也得到 。这样你同时用逐步翻译与矩阵公式完成核验。
值得注意的是,在旧坐标里它看起来是单纯横向伸缩,在新坐标里出现混合项。机器没变,只是新的坐标轴没有对齐机器的伸缩方向。寻找特征基,就是设法让这种混合再次消失。
回头整理:定义、工具与练习
一小块面积被放大多少
把标准单位正方形的两条边送到 ,新平行四边形的有向面积就是二维行列式。若 ,则 。
高维中对应有向体积。绝对值衡量放大倍数,符号衡量方向是否翻转。 表示某些方向被压扁,输出落入更低维子空间。
为什么乘积的行列式相乘
连续做两个变换,体积先乘 ,再乘 ,所以 。严格证明可从行列式的多重线性、交替性和单位矩阵归一化推出。
交换两列使符号改变;某列乘 ,行列式乘 ;某列加上另一列的倍数不改变行列式。行也有对应性质。因此可用消元把矩阵化为三角形,再计算对角元之积并计入换行符号。
逆意味着能够完全恢复输入
方阵可逆的等价条件包括:行列式非零、列向量构成基、核只有零、任意右端 有唯一解。
逆满足 ,以及 。恢复串联操作时,必须先撤销最后一步。
计算方程时通常直接消元或分解矩阵,不必显式形成逆矩阵;“”是一种理论表达,不意味着总是最佳数值算法。
换基是一副新坐标眼镜
设 的列为新基在旧基下的坐标,则 。同一个算子在新坐标下的矩阵为
从右向左读:把新坐标换到旧坐标,实施变换,再把结果换回新坐标。相似矩阵拥有相同特征值、行列式和迹。
换基与主动改变向量是两件不同的事:前者只换描述,后者真正施加变换。写清每个矩阵输入输出采用哪组基,可以避免大多数顺序错误。
练习与解答
- 把面积放大多少?
- 正交矩阵的行列式可能是多少?
- 若 为对角矩阵, 的列有什么性质?
解答:1. 6 倍。2. ,因为 ,故 。3. 它们是 的一组特征向量,且必须线性无关。
几何伴读
3Blue1Brown:行列式。观察单位面积怎样被放大、翻转或压扁。