二阶行列式的几何意义

本课继续来学习向量的运算。让我们从开始,这是《马同学图解线性代数》课程中的重要知识点,本课程不会讲解其中的细节,只是介绍一些相关内容。

1 平行四边形的面积

《马同学图解线性代数》中学习过,下图中由围成的蓝色平行四边形,其面积

围成的平行四边形面积

为了更好的说明,这里给出上图中的具体数值,即。可以算出它们围成的蓝色平行四边形的面积为:

2 朝“上面”和朝“下面”的平行四边形

但,如果行列式的第一列是,第二列是,即像下面这样计算,此时得到的结果就是负数:

要理解有正有负的几何意义,需要进入三维空间来观察上述由围成的平行四边形,如下图所示,此时的该平行四边形就有两个朝向,朝向“上面”和朝向“下面”。

在三维空间中观察由围成的平行四边形

可通过右手法则来区分“上面”和“下面”,具体来说就是,右手从握拳,如下图左侧所示,此时大拇指朝向轴的正方向,则大拇指所在这一面就是“上面”。右手从握拳,如下图右侧所示,此时大拇指朝向轴的负方向,则大拇指所在这一面就是“下面”。

右手从握拳,大拇指朝向“上面”

右手从握拳,大拇指朝向“下面”

因此所谓的“上面”就是轴的正方向,即单位向量所指的方向;而“下面”就是所指的方向。结合上的正负以及“右手法则”,我们就可以表示出朝向“上面”的平行四边形、以及朝向“下面”平行四边形:

  • 构造第一列为、第二列为的行列式(表示从握拳),将之和相乘得到如下

    这表示的就是:面积为、朝向“上面”(即所指的方向)的平行四边形,也就是上图左侧

  • 构造第一列为、第二列为的行列式(表示从握拳),将之和相乘得到如下

    这表示的就是:面积为、朝向“下面”(即所指的方向)的平行四边形,也就是上图右侧

所以的正负代表了平行四边形的朝向,而其模长代表了平行四边形的面积,所以的几何意义就是 有向 平行四边形的面积。

3 更多的朝向

除了所指方向,还有所指方向以及所指方向,如下图所示。

更多朝向的平行四边形

根据上面的分析可知,结合上就可表示这些朝向的平行四边形,比如:

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