如果矩阵 A 有逆矩阵,那么我们可以解出 $Ax = b$ 中的 $x$。这就引出了一个要事:我们怎么知道一个矩阵是否有逆矩阵呢?并非所有矩阵都可逆,尝试用不可逆矩阵求解方程组可能会出问题。我们用来检查此事的工具就是行列式。行列式是一个从方阵元素计算得出的单一标量值。这个数字能反映矩阵及其所代表的线性变换的许多信息。行列式的几何视角明白行列式的一种有效方法是思考它的几何意义。当矩阵 A 乘以一个向量时,它会变换这个向量。如果我们把同样的变换应用于构成一个形状(比如简单的单位正方形)的所有向量,那么形状本身也会被变换。2x2 矩阵的行列式表示该变换对区域的缩放因子。例如,二维空间中的单位正方形面积为 1。如果我们对其施加一个矩阵变换,并且得到的形状(通常是平行四边形)面积为 5,那么该变换矩阵的行列式就是 5。如果面积是 0.5,行列式就是 0.5。最需要注意的情况是行列式为零时。行列式为零表示变换将原始形状压缩成了没有面积的东西,比如一条线或一个点。这是一种会丢失维度的破坏性变换。digraph G { rankdir=TB; node [shape=plaintext, fontname="Arial"]; subgraph cluster_0 { label = "非零行列式(可逆)"; bgcolor="#f8f9fa"; style="rounded"; node [shape=polygon, sides=4, style=filled, label=""]; a [pos="0,0!", width=1, height=1, fillcolor="#a5d8ff"]; b [pos="3,0!", skew=0.5, width=1.58, height=1.26, fillcolor="#74c0fc"]; a -> b [label=" 变换\n det(A) ≠ 0"]; } subgraph cluster_1 { label = "零行列式(不可逆)"; bgcolor="#f8f9fa"; style="rounded"; node [shape=polygon, sides=4, style=filled, label=""]; c [pos="0,0!", width=1, height=1, fillcolor="#ffc9c9"]; d [pos="3,0.5!", width=2, height=0.05, fillcolor="#ff8787"]; c -> d [label=" 变换\n det(A) = 0"]; } }非零行列式表明变换会缩放空间,这是可逆的。零行列式表明变换会压缩空间,这是不可逆的。如果一个变换将二维正方形压缩成一维直线,你就丢失了信息。没有办法“解压缩”那条线并完美地恢复原始正方形。这种信息丢失就是零行列式的矩阵不可逆的原因。计算行列式对于一个简单的 2x2 矩阵,行列式的计算公式很直接。给定一个矩阵 $A$:$$ A = \begin{bmatrix} a & b \ c & d \end{bmatrix} $$行列式,通常写作 det(A) 或 $|A|$,计算方式如下:$$ \text{行列式}(A) = ad - bc $$让我们看一个例子:$$ A = \begin{bmatrix} 4 & 1 \ 2 & 3 \end{bmatrix} $$行列式是:$$ \text{行列式}(A) = (4 \times 3) - (1 \times 2) = 12 - 2 = 10 $$因为行列式是 10(非零),我们知道这个矩阵是可逆的。对于大于 2x2 的矩阵,计算会变得更繁琐,但道理相同。实际应用中,你几乎总是会使用像 NumPy 这样的库来计算行列式,而不是手动计算。可逆性规则这引出了连接行列式与逆矩阵的核心规则:一个方阵可逆当且仅当其行列式非零。这是线性代数中的一个基本性质。在尝试找到矩阵的逆矩阵或求解依赖于逆矩阵的方程组之前,你可以先计算行列式。如果 det(A) ≠ 0,则存在逆矩阵,且 $Ax = b$ 有唯一解。如果 det(A) = 0,则逆矩阵不存在。方程组可能无解或有无数解,但不会有唯一解。奇异矩阵与非奇异矩阵这个性质引出了一些你将常遇到的正式术语:非奇异矩阵:行列式非零的方阵。非奇异矩阵可逆。奇异矩阵:行列式为零的方阵。奇异矩阵不可逆(也称为退化矩阵)。因此,“这个矩阵有逆矩阵吗?”这个问题与“这个矩阵是非奇异的吗?”是相同的。通过计算行列式,你可以回答这两个问题。