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行列式の幾何的な解釈:体積拡大率

2つのベクトルが四角形を表すとみなす。この四角形を変形させる行列AAがあったとき、変換後の四角形の面積はもとの面積のdet(A)\text{det}(A)倍である、と解釈できる

(行列式の値が正の値のとき。負の場合は軸が反転して裏返しになる。det(A)=0\text{det}(A)=0ならぺちゃんこに潰れている状態)

例えばI∈R2×2I \in \mathbb{R}^{2\times 2}が構成する四角形にAAを乗じてAI=AAI=Aとするときの拡大率ともいえるし、AAの面積とも言える

Source
<Figure size 288x288 with 1 Axes>

適当な行列AAで変換するとこうなる

Source
<Figure size 460.8x345.6 with 1 Axes>

平行四辺形の面積は底辺×高さ。今回は底辺も高さも1なので、面積は変わっていない。

この行列AAの行列式は1になる

1.0

(例)次のような行列の場合は…?

A=(1213),B=(11021103)det(A)=3−2=1,det(B)=103−102=1A = \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 1 & 3 \end{pmatrix} , \hspace{2em} B = \begin{pmatrix} 1 & 102\\ 1 & 103 \end{pmatrix} \\ \text{det}(A) = 3 - 2 = 1 , \hspace{2em} \text{det}(B) = 103 - 102 = 1
<Figure size 576x288 with 2 Axes>

どうしてそうなるのか

a,b\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b} を平面 R2\boldsymbol{R}^2 の 2 つのベクトルとする。 OO を座標の原点とし、 A,BA, B を OA→\overrightarrow{O A} =a,OB→=b=\boldsymbol{a}, \overrightarrow{O B}=\boldsymbol{b} であるような点とする。 OA,OBO A, O B を 2 辺とする平行四辺形 OAPBO A P B を、a,b\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}を2辺とする平行四辺形という。その面積Sを求めたい。

もしa,b\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}が1次従属なら、OAPBは1つの線分になるのでS=0S=0

a,b\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}が1次独立のとき、a,b\boldsymbol{a}, \boldsymbol{b}のなす角をθ\thetaとすれば、 BBから辺OAOAに下した垂線の長さは∥b∥sin⁡θ\|\boldsymbol{b}\| \sin \thetaであるから、面積は底辺×高さで

S=∥a∥∥b∥sin⁡θS = \|\boldsymbol{a}\| \|\boldsymbol{b}\| \sin \theta

両辺を2乗にする

S2=∥a∥2∥b∥2sin⁡2θS^2 = \|\boldsymbol{a}\|^2 \|\boldsymbol{b}\|^2 \sin^2 \theta

sin⁡2θ=1−cos⁡2θ\sin ^2 \theta=1-\cos ^2 \theta であり cos⁡θ=a⋅b∥a∥∥b∥\cos \theta = \frac{ \boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b} }{ \|\boldsymbol{a}\| \|\boldsymbol{b}\| }なので

S2=∥a∥2∥b∥2sin⁡2θ=∥a∥2∥b∥2(1−cos⁡2θ)=∥a∥2∥b∥2(1−(a⋅b)2∥a∥2∥b∥2)=∥a∥2∥b∥2−(a⋅b)2\begin{align} S^2 &= \|\boldsymbol{a}\|^2 \|\boldsymbol{b}\|^2 \sin^2 \theta\\ &= \|\boldsymbol{a}\|^2 \|\boldsymbol{b}\|^2 (1 - \cos ^2 \theta)\\ &= \|\boldsymbol{a}\|^2 \|\boldsymbol{b}\|^2 \left(1 - \frac{ (\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b})^2 }{ \|\boldsymbol{a}\|^2 \|\boldsymbol{b}\|^2 }\right)\\ &= \|\boldsymbol{a}\|^2 \|\boldsymbol{b}\|^2 - (\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b})^2 \end{align}

a=(a1,a2)T,b=(b1,b2)T\boldsymbol{a} = (a_1, a_2)^T, \boldsymbol{b}=(b_1, b_2)^Tとすれば、

S2=∥a∥2∥b∥2−(a⋅b)2=(a12+a22)(b12+b22)−(a1b1+a2b2)2=(a1b2−a2b1)2\begin{align} S^2 = \|\boldsymbol{a}\|^2 \|\boldsymbol{b}\|^2 - (\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b})^2 &= \left(a_1^2 + a_2^2\right)\left(b_1^2 + b_2^2\right)-\left(a_1 b_1+a_2 b_2\right)^2 \\ &= \left(a_1 b_2-a_2 b_1\right)^2\\ \end{align}

ゆえに

S=∣a1b2−a2b1∣S = |a_1 b_2-a_2 b_1|
Source
<Figure size 400x400 with 1 Axes>
1.0000000000000002
1.0000000000000002