问题

怎么用一句话证明 det(M1 M2)=det(M1)det(M2)?

回答
这句等式 $det(M_1 M_2) = det(M_1) det(M_2)$,可以这样理解:行列式,本质上就是衡量一个线性变换在空间中“拉伸”或“压缩”体积的倍数;而两个线性变换接连作用,其总体效应就是它们各自“拉伸”或“压缩”体积的倍数相乘。

咱们一点点掰开了说。

首先,得明白“行列式”到底是个啥。它不是一个随便弄出来的数字,而是跟一个方阵(咱们这里讨论的是方阵)所代表的那个“线性变换”紧密联系在一起的。你想啊,一个矩阵 $M$,可以把它看作一个指令,告诉你怎么把空间里的点(也就是向量)给“动”一下,比如旋转、缩放、剪切等等。

那么,$det(M)$ 这个数,它告诉你的就是,经过 $M$ 这个变换后,空间里的“体积”会变成原来的多少倍。如果 $det(M) = 2$,那就意味着 $M$ 把所有东西都拉伸了两倍;如果 $det(M) = 0.5$,就是压缩了一半;如果 $det(M) = 1$,可能就是把空间“翻转”了,体积还是原来的大小,但是方向反了。

现在来看 $M_1$ 和 $M_2$ 两个矩阵。它们分别代表了两个线性变换,咱们可以称它们为“变换1”和“变换2”。

$det(M_1)$ 就告诉我们,经过“变换1”之后,空间体积会变成原来的 $det(M_1)$ 倍。
$det(M_2)$ 就告诉我们,经过“变换2”之后,空间体积会变成原来的 $det(M_2)$ 倍。

那么,$M_1 M_2$ 这个矩阵,它代表的其实是“变换2”先作用,然后再接着作用“变换1”。(注意矩阵乘法的顺序,虽然这里是为了说明性质,但理解清楚哪个先哪个后很重要,就像你先穿袜子再穿鞋)。

所以,当我们考虑 $M_1 M_2$ 这个复合变换时,我们可以这样想:

1. 先让“变换2”作用在空间上,此时空间体积因为“变换2”变成了原来的 $det(M_2)$ 倍。
2. 然后,再让“变换1”作用在这个已经被“变换2”改变了的“新空间”上。这个“新空间”的体积相对于原始空间是 $det(M_2)$ 倍。当“变换1”作用到它上面时,它会以 自身体积 的 $det(M_1)$ 倍来缩放。

你想,如果原来有个小方块,体积是 1。
“变换2”把它变成了体积为 $det(M_2)$ 的一个“块”。
然后“变换1”再作用到这个“块”上,把这个“块”的体积又拉伸(或压缩)了 $det(M_1)$ 倍。
那么,最终这个小方块的体积,相对于最开始的体积,就应该是 $det(M_2) imes det(M_1)$ 倍。

所以,$det(M_1 M_2)$ 这个数,就是描述了“变换1”和“变换2”连续作用后,总体上对空间体积的缩放比例,而这个比例,恰好就是它们各自缩放比例的乘积。

这个性质非常强大,它把矩阵乘法的“组合”效应,转化成了行列式(一个关于“体积缩放”的数)的“乘法”效应,让处理和计算变得更加直观和容易。

网友意见

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就是行列式的几何意义:线性变换的体积伸缩比。

考虑以n个n维向量x_i为边的平行多面体(n=2就是平行四边形),把x_i全部映射到Mx_i后,多面体的体积变成原来的det M倍。再来个方阵M’映射一次就再扩大det M’倍。所以总共扩大的倍数就是两个行列式之积。

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