Tensor #25. Review of Determinants텐서 #25. 행렬식 복습

Tensor series, part 25: reading the determinant as a signed volume, the Levi-Civita symbol and the generalized Kronecker delta, minors and cofactors, Laplace expansion, and the invariants of the characteristic polynomial, a review of the determinant tools the exterior algebra needsTensor 시리즈 25편: 행렬식을 부호 있는 부피로 읽는 법, 레비치비타 기호와 일반화된 크로네커 델타, 소행렬식과 여인수, 라플라스 전개, 특성다항식의 불변량까지 외대수에 필요한 행렬식 도구 복습

Tensor series텐서 시리즈Part 25 of 4040편 중 25번째
  1. Tensor #1. Elementary Vector Space텐서 #1. 기초적인 벡터 스페이스
  2. Tensor #2. Einstein Notation and Maps텐서 #2. 아인슈타인 표기법과 맵
  3. Tensor #3. Dual Spaces텐서 #3. 듀얼 스페이스
  4. Tensor #4. Cartesian Products텐서 #4. 카테시안 프로덕트
  5. Tensor #5. Tensor Products텐서 #5. 텐서 프로덕트
  6. Tensor #6. Tensor Product Spaces텐서 #6. 텐서 프로덕트 스페이스
  7. Tensor #7. Rank of Tensor Product Spaces텐서 #7. 텐서 프로덕트 스페이스의 랭크
  8. Tensor #8. Linear Transformations텐서 #8. 선형 변환
  9. Tensor #9. Transformations of Tensor Product Spaces텐서 #9. 텐서 프로덕트 스페이스의 변환
  10. Tensor #10. Metric Spaces텐서 #10. 메트릭 스페이스
  11. Tensor #11. The Metric Tensor텐서 #11. 메트릭 텐서
  12. Tensor #12. Contraction and Index Gymnastics텐서 #12. 컨트랙션과 인덱스 짐내스틱스
  13. Tensor #13. Realization of a Vector Space텐서 #13. 벡터 스페이스의 리얼라이제이션
  14. Tensor #14. Vector and Tensor Fields텐서 #14. 벡터장과 텐서장
  15. Tensor #15. Coordinate Transformations텐서 #15. 좌표 변환
  16. Tensor #16. The Metric Tensor Field텐서 #16. 메트릭 텐서장
  17. Tensor #17. The Covariant Derivative (Elementary Pedagogy)텐서 #17. 공변 미분 (초보적인 방법)
  18. Tensor #18. The Covariant Derivative, Continued텐서 #18. 공변미분 이어서
  19. Tensor #19. Algebraic Structures I텐서 #19. 대수 구조 I
  20. Tensor #20. Algebraic Structures II: Modules to Algebras텐서 #20. 대수 구조 II: 모듈에서 대수까지
  21. Tensor #21. The Lie Derivative텐서 #21. 리 미분
  22. Tensor #22. Invitation to p-forms텐서 #22. p-형식으로의 초대
  23. Tensor #23. Operations on p-forms: The Exterior Algebra텐서 #23. p-형식의 연산과 외대수
  24. Tensor #24. The Exterior Derivative: A Formal Introduction텐서 #24. 외미분의 형식적 도입
  25. Tensor #25. Review of Determinants텐서 #25. 행렬식 복습
  26. Tensor #26. P-vectors and P-forms Recap텐서 #26. P-벡터와 P-형식 복습
  27. Tensor #27. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 1텐서 #27. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 1
  28. Tensor #28. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 2텐서 #28. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 2
  29. Tensor #29. Transformations of Tensors and p-forms텐서 #29. 텐서와 p-형식의 변환
  30. Tensor #30. Transformation of Forms (Part I)텐서 #30. 형식의 변환 법칙 (1부)
  31. Tensor #31. Tensor Densities텐서 #31. 텐서 밀도
  32. Tensor #32. Tensor Density Examples텐서 #32. 텐서 밀도의 예
  33. Tensor #33. Duality and the Hodge Dual (Part 1)텐서 #33. 쌍대성과 호지 쌍대 (1부)
  34. Tensor #34. Elementary Hodge Dual Calculations텐서 #34. 호지 쌍대 계산 예
  35. Tensor #35. Other Notions of Duality텐서 #35. 또 다른 쌍대
  36. Tensor #36. Visualization of Forms: Arrows and Stacks텐서 #36. 형식의 시각화: 화살표와 스택
  37. Tensor #37. Tacks and Sheaves, Honeycombs텐서 #37. 압정, 다발, 벌집
  38. Tensor #38. All Possible Operations텐서 #38. 가능한 모든 연산
  39. Tensor #39. The End텐서 #39. 마지막 강의
  40. Tensor #40. Special Lecture: Tangent Spaces and Coordinate Basis텐서 #40. 특별 강의: 탄젠트 스페이스와 좌표 기저
Contents목차

XylyXylyX의 What is Tensor 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 25강 Review of Determinants에 해당합니다. 지난 편까지 외대수와 외미분을 세웠는데, 외대수의 규칙에는 행렬식determinant이 계속 나옵니다. 그래서 더 나가기 전에 행렬식을 한 번 정리하고 갑니다.

행렬식은 부호 있는 부피

학교에서는 행렬식을 곱을 더하고 빼는 계산법으로 배웠습니다. 이 강의는 의미부터 봅니다. 평면에서 벡터 a=(a1,a2)a = (a^1, a^2)와 b=(b1,b2)b = (b^1, b^2)를 두 변으로 하는 평행사변형을 생각합니다. aa가 xx축과 이루는 각을 θ\theta, bb가 이루는 각을 φ\varphi라 하면, 밑변은 ∣a∣|a|이고 높이는 ∣b∣sin⁡(φ−θ)|b| \sin(\varphi - \theta)입니다. 따라서 넓이는 이렇게 됩니다.

∣a∣∣b∣(sin⁡φcos⁡θ−cos⁡φsin⁡θ)=a1b2−a2b1|a| |b| \left( \sin\varphi \cos\theta - \cos\varphi \sin\theta \right) = a^1 b^2 - a^2 b^1

∣a∣cos⁡θ=a1|a| \cos\theta = a^1 같은 관계를 넣으면 길이가 모두 약분되고 성분만 남습니다. 이 값이 두 벡터를 행으로 쌓은 2×22 \times 2 행렬의 행렬식입니다. 3차원에서 벡터 셋이 이루는 평행육면체parallelepiped의 부피는 3×33 \times 3 행렬식이고, nn차원에서는 벡터 nn개가 이루는 부피가 n×nn \times n 행렬식입니다.

이 읽기는 직관과도 맞습니다. 벡터 bb를 aa 쪽으로 가져가 두 벡터가 평행해지면 한 차원이 사라지고 부피는 0입니다. 행렬에서는 한 행이 다른 행의 상수배가 된 경우이고, 이때 행렬식이 0이라는 것이 이미 아는 사실입니다. 이 벡터들은 시공간의 한 점에 붙은 접공간의 벡터이고, 성분은 좌표 기저 ∂i\partial_i로 적은 값입니다. 계산에서 길이를 잠깐 썼지만 약분되어 결과식에는 내적이 남지 않으므로, 이 양은 내적이 없어도 의미가 있습니다.

Q. 행렬식이 음수이면 넓이가 음수인가요?
A. 행렬식은 넓이 자체가 아니라 방향을 포함한 부호 있는 넓이입니다. bb가 aa에서 반시계 방향에 있으면 양수이고 시계 방향이면 음수입니다. 실제 넓이는 절댓값입니다. 두 행을 맞바꾸면 부호만 뒤집힙니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

순열과 레비치비타 기호

행렬식을 nn차원에서 쓰려면 곱의 부호를 일일이 정해야 합니다. 그 부호는 순열permutation에서 나옵니다. 순열 σ\sigma는 1,2,…,n1, 2, \ldots, n을 다시 늘어놓는 사상입니다. 예를 들어 σ(1)=2, σ(2)=1, σ(3)=4, σ(4)=3\sigma(1) = 2,\ \sigma(2) = 1,\ \sigma(3) = 4,\ \sigma(4) = 3이고 나머지는 그대로인 경우입니다. 같은 순열을 ik=σ(k)i_k = \sigma(k)로 놓고 번호열 (i1,i2,…,in)(i_1, i_2, \ldots, i_n)으로 적기도 합니다. 앞의 표기는 첨자에 다시 첨자를 달아 보기 불편하고 뒤의 표기는 옆으로 길어지므로, 두 표기를 상황에 따라 섞어 씁니다.

두 개를 맞바꾸는 일을 교환이라 하면, 어떤 순열이든 몇 번의 교환으로 만들 수 있고 그 횟수가 짝수인지 홀수인지는 순열마다 하나로 정해집니다. 위 예는 1↔21 \leftrightarrow 2와 3↔43 \leftrightarrow 4 두 번이라 짝순열이고, 아무것도 바꾸지 않은 항등 순열은 0번이라 짝순열입니다. 교환이 한 번이면 홀순열입니다.

레비치비타 기호Levi-Civita symbol는 이 홀짝을 숫자로 적습니다.

εi1i2⋯in={+1(i1,…,in)이 짝순열−1(i1,…,in)이 홀순열0순열이 아님 (같은 번호가 겹침)\varepsilon_{i_1 i_2 \cdots i_n} = \begin{cases} +1 & (i_1, \ldots, i_n) \text{이 짝순열} \\ -1 & (i_1, \ldots, i_n) \text{이 홀순열} \\ 0 & \text{순열이 아님 (같은 번호가 겹침)} \end{cases}

지표를 위에 쓴 εi1⋯in\varepsilon^{i_1 \cdots i_n}도 같은 값을 갖습니다. 이렇게 정의하는 까닭은 합 안에서 부호를 따로 챙기지 않고 지표만 적으면 부호가 저절로 붙게 하려는 것입니다.

(예를 들어 n=3n = 3이면 ε123=ε231=ε312=+1\varepsilon_{123} = \varepsilon_{231} = \varepsilon_{312} = +1, ε132=ε213=ε321=−1\varepsilon_{132} = \varepsilon_{213} = \varepsilon_{321} = -1이고, ε112\varepsilon_{112}처럼 번호가 겹치면 0입니다. 이 예는 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

이것은 기호이지 텐서가 아닙니다. 그래서 메트릭으로 지표를 올릴 수 없습니다.

Q. 레비치비타 기호의 아래 지표를 메트릭으로 올리면 위 지표판이 되나요?
A. 되지 않습니다. gi1i1′⋯ginin′εi1′⋯in′g^{i_1 i_1'} \cdots g^{i_n i_n'} \varepsilon_{i_1' \cdots i_n'}은 εi1⋯in\varepsilon^{i_1 \cdots i_n}과 같지 않습니다. 이 기호는 공변도 반변도 아니고 위와 아래가 같은 값이라는 것은 약속일 뿐입니다. 메트릭의 음의 고유값 개수 tt에 따라 (−1)t(-1)^t를 곱하는 다른 약속도 있지만 지금은 쓰지 않습니다. 기호가 정확히 어떻게 변하는지는 뒤에서 다룹니다.

일반화된 크로네커 델타

보통의 크로네커 델타Kronecker delta δab\delta^a{}_b는 a=ba = b이면 1이고 아니면 0입니다. 이것을 지표 nn개씩으로 늘린 것이 일반화된 크로네커 델타generalized Kronecker delta δi1⋯inj1⋯jn\delta^{i_1 \cdots i_n}{}_{j_1 \cdots j_n}입니다. 위 번호열을 아래 번호열로 옮기는 사상 σ(ik)=jk\sigma(i_k) = j_k를 생각하면 값은 이렇습니다. 그 사상이 짝순열이면 +1+1, 홀순열이면 −1-1, 순열이 아니면 0입니다. 순열이 아니라는 것은 위 열이나 아래 열에 같은 번호가 겹치거나 두 열이 서로 다른 번호들로 이루어져 있다는 뜻입니다.

곱 두 개로 같은 말을 할 수 있습니다.

δi1⋯inj1⋯jn=εi1⋯in εj1⋯jn\delta^{i_1 \cdots i_n}{}_{j_1 \cdots j_n} = \varepsilon^{i_1 \cdots i_n} \, \varepsilon_{j_1 \cdots j_n}

곱의 인자 둘이 각각 두 열의 부호를 나타내므로 결과가 두 열 사이의 순열 부호가 됩니다. 이 기호는 위 곱을 한 글자로 줄여 쓰는 표기입니다.

행렬식의 정의

선형변환 Λ\Lambda를 행렬 Λij\Lambda^i{}_j로 적습니다. 한 기저에서 다른 기저로 가는 변환이므로 정사각 행렬입니다. 지금까지 행렬을 피해 왔지만, 행렬식은 본래 행렬에 대한 것입니다. 정의는 다음과 같습니다.

det⁡Λ=εi1i2⋯in Λi11 Λi22⋯Λinn\det \Lambda = \varepsilon_{i_1 i_2 \cdots i_n} \, \Lambda^{i_1}{}_1 \, \Lambda^{i_2}{}_2 \cdots \Lambda^{i_n}{}_n

모든 iki_k에 대해 합합니다. 번호가 겹치는 항은 ε=0\varepsilon = 0이라 사라지고 순열인 n!n!개 항만 남습니다. 각 항은 서로 다른 행에서 열마다 원소 하나씩을 골라 곱한 것이고, 부호는 고른 행 번호가 순열로서 짝인지 홀인지로 정해집니다. 열 번호를 1,…,n1, \ldots, n으로 못 박지 않고 둘 다 합하는 꼴도 있습니다.

det⁡Λ=1n! δj1⋯jni1⋯in Λi1j1⋯Λinjn\det \Lambda = \frac{1}{n!} \, \delta^{j_1 \cdots j_n}{}_{i_1 \cdots i_n} \, \Lambda^{i_1}{}_{j_1} \cdots \Lambda^{i_n}{}_{j_n}

앞의 1n!\frac{1}{n!}은 같은 항이 n!n!번씩 겹쳐 나오는 것을 보정합니다. 책마다 지표를 올리고 내리는 자리가 달라도 ε\varepsilon의 지표 자리만 맞추면 같은 식입니다. 2×22 \times 2나 3×33 \times 3에 넣으면 학교에서 배운 식이 그대로 나옵니다.

아래 장난감에서 확인해 보세요. 차원을 고르고 − + 단추로 행 벡터의 성분을 바꾸면, 그 행이 만드는 평행사변형이나 평행육면체가 그려집니다. 아래에는 순열마다 부호를 붙인 곱이 한 줄씩 나오고 합이 행렬식과 같아집니다. 두 행을 맞바꾸면 부호가 뒤집히고, 한 행을 다른 행에 복사하면 0이 되는 것도 볼 수 있습니다.

부분행렬과 소행렬식

행렬식은 정사각 행렬에만 있습니다. 그런데 뒤에서 정사각이 아닌 행렬이 나옵니다. 예를 들어 차원이 9인 벡터 스페이스에서 5차 외부 거듭제곱을 다루면 벡터 5개의 성분을 세로로 쌓은 9×59 \times 5 배열이 생깁니다. 이 배열에는 행렬식이 없지만, 행과 열을 지워 가면 정사각 부분행렬submatrix들이 그 안에 들어 있습니다. 9×59 \times 5에서는 행 9개 중 5개를 남겨서 5×55 \times 5를 만들 수 있고, 더 지우면 4×44 \times 4부터 1×11 \times 1까지 있습니다.

부분행렬의 행렬식을 소행렬식minor이라 합니다. 남긴 행 번호 I=(i1<⋯<ik)I = (i_1 < \cdots < i_k)와 남긴 열 번호 J=(j1<⋯<jk)J = (j_1 < \cdots < j_k)로 이름을 붙입니다. 이 글에서는 m[I∣J]m[I \mid J]로 적습니다. 예를 들어 3×33 \times 3 행렬 MM에서 행 1, 3과 열 2, 3을 남기면 이렇습니다.

M=(abcdefghk),m[(1,3)∣(2,3)]=det⁡(bchk)=bk−chM = \begin{pmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & k \end{pmatrix}, \qquad m[(1,3) \mid (2,3)] = \det \begin{pmatrix} b & c \\ h & k \end{pmatrix} = bk - ch

여소행렬식과 여인수

정사각 n×nn \times n 행렬 MM에서는 소행렬식마다 짝이 있습니다. 소행렬식에서 남긴 행과 열을 지우고 지운 행과 열을 남긴 여소행렬식complementary minor입니다. 위 예에서 m[(1,3)∣(2,3)]m[(1,3) \mid (2,3)]의 여소행렬식은 행 2와 열 1만 남긴 1×11 \times 1 값 dd입니다. 남긴 행이 kk개이면 여소행렬식은 (n−k)×(n−k)(n-k) \times (n-k)입니다.

여인수cofactor는 학교에서 원소 하나를 지우고 부호 (−1)i+j(-1)^{i+j}를 붙여 남은 행렬식을 구한 값입니다. 강의는 이것을 소행렬식 전체로 일반화합니다. 앞의 kk개 지표를 고른 행과 열로 고정하고 뒤의 n−kn-k개만 합하는 식입니다.

C[I∣J]=1(n−k)! δi1⋯ik ik+1⋯inj1⋯jk jk+1⋯jn Mik+1jk+1⋯MinjnC[I \mid J] = \frac{1}{(n-k)!} \, \delta^{i_1 \cdots i_k \, i_{k+1} \cdots i_n}{}_{j_1 \cdots j_k \, j_{k+1} \cdots j_n} \, M^{i_{k+1}}{}_{j_{k+1}} \cdots M^{i_n}{}_{j_n}

곱은 여소행렬식을 전개한 꼴이고 δ\delta가 부호를 맞춥니다. 결과는 여소행렬식에 (−1)(i1+⋯+ik)+(j1+⋯+jk)(-1)^{(i_1 + \cdots + i_k) + (j_1 + \cdots + j_k)}를 곱한 값과 같습니다. k=1k = 1이면 학교에서 배운 여인수가 그대로 나옵니다. 이렇게 정의하는 까닭은 소행렬식 하나가 행렬식에 얼마나 기여하는지를 부호까지 담아 한 번에 말하기 위해서입니다.

(위 예에서 확인합니다. δ132231\delta^{1 3 2}{}_{2 3 1}은 1→2, 3→3, 2→11 \to 2,\ 3 \to 3,\ 2 \to 1인 교환 한 번짜리 순열이라 −1-1이고, C[(1,3)∣(2,3)]=−dC[(1,3) \mid (2,3)] = -d입니다. 부호 공식 (−1)1+3+2+3=−1(-1)^{1+3+2+3} = -1과 맞습니다. 이 확인은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

정사각 행렬에서만 이 짝이 성립합니다. 남긴 행과 열의 개수 kk와 지운 행과 열의 개수 n−kn-k가 모두 정사각을 이루려면 전체가 n×nn \times n이어야 하기 때문입니다.

라플라스 전개와 소행렬식의 역행렬 관계

여인수로 행렬식을 구하는 식이 라플라스 전개Laplace expansion입니다. 열 jj를 하나 고정하면 그 열의 원소마다 자기 여인수를 곱해 더한 것이 행렬식입니다.

det⁡M=∑i=1nMij C[i∣j]\det M = \sum_{i=1}^{n} M^i{}_j \, C[i \mid j]

어느 열을 고르든 같은 값이라서 jj는 문자로 남겨 둡니다. 효율은 좋지 않지만, 먼저 행렬을 삼각 꼴로 바꾸면 빨라집니다. 여기서 쓰는 여인수는 원소 하나의 것이므로 (n−1)×(n−1)(n-1) \times (n-1) 행렬식에 (−1)i+j(-1)^{i+j}를 곱한 학교의 식이 그대로입니다. 이 전개는 뒤의 증명에 다시 나옵니다.

하나 더, 증명에서 쓰게 될 관계가 있습니다. 가역 행렬 MM의 k×kk \times k 소행렬식은 역행렬의 여인수로 쓸 수 있습니다.

m[I∣J]=det⁡M⋅CM−1[J∣I]m[I \mid J] = \det M \cdot C_{M^{-1}}[J \mid I]

오른쪽은 M−1M^{-1}의 소행렬식 가운데 행 JJ, 열 II로 고른 것의 여인수로, 행과 열의 역할이 서로 바뀐 전치 모양입니다. 특별한 경우 k=1k = 1이면 MM의 원소가 역행렬의 여인수로 쓰인다는 익숙한 사실(수반행렬)이 됩니다. 소행렬식을 직접 계산하기 어려울 때 이 식으로 바꿔 쓸 수 있습니다.

레비치비타 기호의 변환 공식

정의와 비슷하지만 아래 지표가 1,…,n1, \ldots, n으로 고정되지 않은 식이 하나 더 있습니다.

εi1⋯in Λi1j1⋯Λinjn=det⁡Λ  εj1⋯jn\varepsilon_{i_1 \cdots i_n} \, \Lambda^{i_1}{}_{j_1} \cdots \Lambda^{i_n}{}_{j_n} = \det \Lambda \; \varepsilon_{j_1 \cdots j_n}

Λ\Lambda를 좌표 변환으로 보면, ii 좌표계의 레비치비타 기호를 jj 좌표계의 기호로 바꾸는 식입니다. 기호가 텐서처럼 변하지 않고 det⁡Λ\det \Lambda라는 인자가 붙는 것이 요점이고, 레비치비타 텐서를 만들 때 이 식이 쓰입니다.

(왜 성립하는지 짧게 봅니다. 왼쪽은 j1,…,jnj_1, \ldots, j_n을 두 개 맞바꾸면 부호가 뒤집히는 반대칭 양이어서 εj1⋯jn\varepsilon_{j_1 \cdots j_n}의 상수배입니다. (j1,…,jn)=(1,…,n)(j_1, \ldots, j_n) = (1, \ldots, n)을 넣으면 왼쪽이 행렬식의 정의이므로 그 상수가 det⁡Λ\det \Lambda입니다. 이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

특성다항식과 정리

정사각 행렬 Λ\Lambda는 특성다항식characteristic polynomial을 가집니다.

P(λ)=det⁡(Λ−λ 1)=(−λ)n+μ1(−λ)n−1+⋯+μn−1(−λ)+μnP(\lambda) = \det \left( \Lambda - \lambda \, \mathbb{1} \right) = (-\lambda)^n + \mu_1 (-\lambda)^{n-1} + \cdots + \mu_{n-1} (-\lambda) + \mu_n

n×nn \times n 행렬이면 nn차 다항식입니다. 계수 μ1,…,μn\mu_1, \ldots, \mu_n은 기저를 바꿔도 변하지 않는 불변량invariant이라서, 선형변환 자체가 가진 nn개의 수입니다. 가장 앞의 μ1\mu_1은 대각합(트레이스trace)이고 가장 뒤의 μn\mu_n은 det⁡Λ\det \Lambda입니다. 가운데 계수들은 이 둘보다 복잡한 조합이고, 앞으로 중요한 것은 대각합과 행렬식 두 불변량입니다.

강의는 지금까지를 되짚으며 마칩니다. 행렬식의 핵심은 부호 있는 부피라는 점이고, 한 벡터가 다른 벡터에 겹치면 0이 됩니다. 레비치비타 기호는 순열의 부호를 적는 기호로 텐서가 아니며, 일반화된 크로네커 델타는 그 곱을 줄여 쓴 것입니다. 이 둘로 모든 차원의 행렬식을 쓸 수 있습니다. 정사각이 아닌 행렬에서는 소행렬식을 만들 수 있고, 정사각 행렬에서는 소행렬식마다 여소행렬식과 여인수가 짝지어집니다. 라플라스 전개, 역행렬과 소행렬식의 관계, 레비치비타 기호의 변환 공식은 외대수를 더 깊이 다룰 때 쓰입니다. 다음 편에서는 p-벡터와 p-형식을 되짚습니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 25 of the playlist, Review of Determinants. We have built the exterior algebra and the exterior derivative up to the previous post, and the rules of the exterior algebra keep bringing in the determinant. So before going further we tidy up the determinant.

The determinant as a signed volume

At school we learned the determinant as a recipe of adding and subtracting products. This lecture starts from the meaning. In the plane take vectors a=(a1,a2)a = (a^1, a^2) and b=(b1,b2)b = (b^1, b^2) as two sides of a parallelogram. Let θ\theta be the angle of aa with the xx axis and φ\varphi the angle of bb. The base is ∣a∣|a| and the height is ∣b∣sin⁡(φ−θ)|b| \sin(\varphi - \theta), so the area is as follows.

∣a∣∣b∣(sin⁡φcos⁡θ−cos⁡φsin⁡θ)=a1b2−a2b1|a| |b| \left( \sin\varphi \cos\theta - \cos\varphi \sin\theta \right) = a^1 b^2 - a^2 b^1

Insert relations like ∣a∣cos⁡θ=a1|a| \cos\theta = a^1 and the lengths all cancel, leaving only components. This value is the determinant of the 2×22 \times 2 matrix whose rows are the two vectors. In three dimensions the volume of the parallelepiped spanned by three vectors is a 3×33 \times 3 determinant, and in nn dimensions the volume spanned by nn vectors is an n×nn \times n determinant.

This reading agrees with intuition. Bring bb toward aa until the two are parallel and one dimension disappears, so the volume is 0. In the matrix this is the case where one row is a constant multiple of another, and that the determinant is 0 is something we already know. These vectors live in the tangent space at one point of spacetime, and their components are values written in the coordinate basis ∂i\partial_i. The calculation used lengths for a moment, but they cancel and no inner product remains in the final formula, so this quantity makes sense without an inner product.

Q. If the determinant is negative, is the area negative?
A. The determinant is not the area itself but a signed area that includes orientation. It is positive if bb lies counterclockwise from aa and negative if clockwise. The actual area is the absolute value. Swapping the two rows only flips the sign. (This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

Permutations and the Levi-Civita symbol

To write the determinant in nn dimensions we must fix the sign of every product, and that sign comes from permutations. A permutation σ\sigma is a map that rearranges 1,2,…,n1, 2, \ldots, n. For example, σ(1)=2, σ(2)=1, σ(3)=4, σ(4)=3\sigma(1) = 2,\ \sigma(2) = 1,\ \sigma(3) = 4,\ \sigma(4) = 3, with everything else unchanged. We also set ik=σ(k)i_k = \sigma(k) and write the same permutation as the index list (i1,i2,…,in)(i_1, i_2, \ldots, i_n). The first notation puts subscripts on subscripts and is awkward to read, and the second grows long sideways, so we move between the two notations as needed.

Call swapping two entries an interchange. Any permutation can be built from some number of interchanges, and whether that number is even or odd is fixed for each permutation. The example above takes two, 1↔21 \leftrightarrow 2 and 3↔43 \leftrightarrow 4, so it is even, and the identity permutation that changes nothing takes 0 and is even. One interchange gives an odd permutation.

The Levi-Civita symbol writes this parity as a number.

εi1i2⋯in={+1(i1,…,in) is an even permutation−1(i1,…,in) is an odd permutation0not a permutation (a number repeats)\varepsilon_{i_1 i_2 \cdots i_n} = \begin{cases} +1 & (i_1, \ldots, i_n) \text{ is an even permutation} \\ -1 & (i_1, \ldots, i_n) \text{ is an odd permutation} \\ 0 & \text{not a permutation (a number repeats)} \end{cases}

The version with indices up, εi1⋯in\varepsilon^{i_1 \cdots i_n}, has the same values. We define it this way so that, inside a sum, we only write indices and the sign attaches itself without separate bookkeeping.

(For example, for n=3n = 3, ε123=ε231=ε312=+1\varepsilon_{123} = \varepsilon_{231} = \varepsilon_{312} = +1 and ε132=ε213=ε321=−1\varepsilon_{132} = \varepsilon_{213} = \varepsilon_{321} = -1, and ε112\varepsilon_{112} with a repeated number is 0. This example is added for understanding and was not covered in the lecture.)

This is a symbol, not a tensor. So its indices cannot be raised with the metric.

Q. If we raise the lower indices of the Levi-Civita symbol with the metric, do we get the upper-index version?
A. No. gi1i1′⋯ginin′εi1′⋯in′g^{i_1 i_1'} \cdots g^{i_n i_n'} \varepsilon_{i_1' \cdots i_n'} is not equal to εi1⋯in\varepsilon^{i_1 \cdots i_n}. The symbol is neither covariant nor contravariant, and that the up and down versions have the same values is only a convention. There is another convention that multiplies by (−1)t(-1)^t, where tt is the number of negative eigenvalues of the metric, but we do not use it now. Exactly how the symbol transforms comes later.

The generalized Kronecker delta

The ordinary Kronecker delta δab\delta^a{}_b is 1 if a=ba = b and 0 otherwise. Extending it to nn indices at a time gives the generalized Kronecker delta δi1⋯inj1⋯jn\delta^{i_1 \cdots i_n}{}_{j_1 \cdots j_n}. Consider the map σ(ik)=jk\sigma(i_k) = j_k taking the upper index list to the lower one. The value is +1+1 if that map is an even permutation, −1-1 if odd, and 0 if it is not a permutation. Not being a permutation means that a number repeats in the upper or lower list, or that the two lists are made of different numbers.

The same statement can be made with a product of two symbols.

δi1⋯inj1⋯jn=εi1⋯in εj1⋯jn\delta^{i_1 \cdots i_n}{}_{j_1 \cdots j_n} = \varepsilon^{i_1 \cdots i_n} \, \varepsilon_{j_1 \cdots j_n}

The two factors each carry the sign of one list, so the result is the sign of the permutation between the two lists. This symbol is a notation that packs the product above into one letter.

The definition of the determinant

Write the linear transformation Λ\Lambda as a matrix Λij\Lambda^i{}_j. It is a transformation from one basis to another, so it is a square matrix. We have avoided matrices so far, but the determinant is by nature about matrices. The definition is the following.

det⁡Λ=εi1i2⋯in Λi11 Λi22⋯Λinn\det \Lambda = \varepsilon_{i_1 i_2 \cdots i_n} \, \Lambda^{i_1}{}_1 \, \Lambda^{i_2}{}_2 \cdots \Lambda^{i_n}{}_n

Sum over every iki_k. Terms with a repeated number vanish since ε=0\varepsilon = 0, and only the n!n! terms that are permutations remain. Each term picks one entry per column from distinct rows and multiplies them, and the sign is decided by whether the chosen row numbers form an even or odd permutation. There is also a form that sums over both index lists instead of fixing the column numbers to 1,…,n1, \ldots, n.

det⁡Λ=1n! δj1⋯jni1⋯in Λi1j1⋯Λinjn\det \Lambda = \frac{1}{n!} \, \delta^{j_1 \cdots j_n}{}_{i_1 \cdots i_n} \, \Lambda^{i_1}{}_{j_1} \cdots \Lambda^{i_n}{}_{j_n}

The factor 1n!\frac{1}{n!} corrects for each term appearing n!n! times. Books differ on where the indices go up or down, but if you match the index positions of ε\varepsilon it is the same formula. Put it into 2×22 \times 2 or 3×33 \times 3 and the school formula comes out exactly.

Check it in the toy below. Pick the dimension and change the entries of the row vectors with the − + buttons, and the parallelogram or parallelepiped spanned by the rows is drawn. Below, one line per permutation shows the signed product, and their sum equals the determinant. You can also see the sign flip when two rows are swapped, and the value become 0 when one row is copied onto another.

Submatrices and minors

The determinant exists only for square matrices. But non-square matrices appear later. For example, in a vector space of dimension 9, the fifth exterior power gives a 9×59 \times 5 array when the components of 5 vectors are stacked in columns. This array has no determinant, but if we cross out rows and columns it contains square submatrices. From 9×59 \times 5 we can keep 5 of the 9 rows to make a 5×55 \times 5, and crossing out more gives everything from 4×44 \times 4 down to 1×11 \times 1.

The determinant of a submatrix is called a minor. We name it by the kept row numbers I=(i1<⋯<ik)I = (i_1 < \cdots < i_k) and the kept column numbers J=(j1<⋯<jk)J = (j_1 < \cdots < j_k). In this post we write it as m[I∣J]m[I \mid J]. For example, in a 3×33 \times 3 matrix MM, keeping rows 1, 3 and columns 2, 3 gives the following.

M=(abcdefghk),m[(1,3)∣(2,3)]=det⁡(bchk)=bk−chM = \begin{pmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & k \end{pmatrix}, \qquad m[(1,3) \mid (2,3)] = \det \begin{pmatrix} b & c \\ h & k \end{pmatrix} = bk - ch

Complementary minors and cofactors

In a square n×nn \times n matrix MM, every minor has a partner. The complementary minor crosses out the rows and columns the minor kept and keeps the ones it crossed out. In the example above, the complementary minor of m[(1,3)∣(2,3)]m[(1,3) \mid (2,3)] keeps only row 2 and column 1, the 1×11 \times 1 value dd. If the minor keeps kk rows, the complementary minor is (n−k)×(n−k)(n-k) \times (n-k).

The cofactor, at school, was the determinant that remains after crossing out one entry’s row and column, with the sign (−1)i+j(-1)^{i+j}. The lecture generalizes it to any minor. Fix the first kk indices to the chosen rows and columns and sum only over the last n−kn-k.

C[I∣J]=1(n−k)! δi1⋯ik ik+1⋯inj1⋯jk jk+1⋯jn Mik+1jk+1⋯MinjnC[I \mid J] = \frac{1}{(n-k)!} \, \delta^{i_1 \cdots i_k \, i_{k+1} \cdots i_n}{}_{j_1 \cdots j_k \, j_{k+1} \cdots j_n} \, M^{i_{k+1}}{}_{j_{k+1}} \cdots M^{i_n}{}_{j_n}

The product is the expansion of the complementary minor, and δ\delta supplies the sign. The result equals the complementary minor times (−1)(i1+⋯+ik)+(j1+⋯+jk)(-1)^{(i_1 + \cdots + i_k) + (j_1 + \cdots + j_k)}. For k=1k = 1 the school cofactor comes out as it is. We define it this way to say, sign included and in one go, how much one minor contributes to the determinant.

(Let us check this on the example above. δ132231\delta^{1 3 2}{}_{2 3 1} is the permutation 1→2, 3→3, 2→11 \to 2,\ 3 \to 3,\ 2 \to 1, a single interchange, so it is −1-1, and C[(1,3)∣(2,3)]=−dC[(1,3) \mid (2,3)] = -d. This agrees with the sign formula (−1)1+3+2+3=−1(-1)^{1+3+2+3} = -1. This check is added for understanding and was not covered in the lecture.)

This pairing holds only for square matrices. The number kk of kept rows and columns and the number n−kn-k of crossed-out ones can both form squares only when the whole matrix is n×nn \times n.

Laplace expansion and the relation between minors and the inverse

The formula that computes the determinant from cofactors is the Laplace expansion. Fix one column jj, multiply each entry in that column by its cofactor, and add: that is the determinant.

det⁡M=∑i=1nMij C[i∣j]\det M = \sum_{i=1}^{n} M^i{}_j \, C[i \mid j]

The value is the same for whichever column we pick, so we leave jj as a letter. It is not efficient, but it speeds up if we first reduce the matrix to triangular form. The cofactor used here belongs to a single entry, so it is the school formula, an (n−1)×(n−1)(n-1) \times (n-1) determinant times (−1)i+j(-1)^{i+j}. This expansion returns in later proofs.

There is one more relation we will use in proofs. For an invertible matrix MM, a k×kk \times k minor can be written with a cofactor of the inverse.

m[I∣J]=det⁡M⋅CM−1[J∣I]m[I \mid J] = \det M \cdot C_{M^{-1}}[J \mid I]

The right side is the cofactor of the minor of M−1M^{-1} chosen with rows JJ and columns II, so the roles of rows and columns are swapped, a transposed form. In the special case k=1k = 1, it becomes the familiar fact that an entry of MM is given by a cofactor of the inverse (the adjugate). When a minor is hard to compute directly, this formula lets us rewrite it.

The transformation formula for the Levi-Civita symbol

There is one more formula that looks like the definition but whose lower indices are not fixed to 1,…,n1, \ldots, n.

εi1⋯in Λi1j1⋯Λinjn=det⁡Λ  εj1⋯jn\varepsilon_{i_1 \cdots i_n} \, \Lambda^{i_1}{}_{j_1} \cdots \Lambda^{i_n}{}_{j_n} = \det \Lambda \; \varepsilon_{j_1 \cdots j_n}

If we regard Λ\Lambda as a coordinate transformation, this converts the Levi-Civita symbol of the ii coordinate system into the symbol of the jj system. The point is that the symbol does not transform like a tensor but picks up a factor det⁡Λ\det \Lambda, and this formula is used when we build the Levi-Civita tensor.

(Here is a short reason it holds. The left side is antisymmetric, flipping sign when two of j1,…,jnj_1, \ldots, j_n are swapped, so it is a constant multiple of εj1⋯jn\varepsilon_{j_1 \cdots j_n}. Put (j1,…,jn)=(1,…,n)(j_1, \ldots, j_n) = (1, \ldots, n) and the left side is the definition of the determinant, so the constant is det⁡Λ\det \Lambda. This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

The characteristic polynomial and a summary

A square matrix Λ\Lambda has a characteristic polynomial.

P(λ)=det⁡(Λ−λ 1)=(−λ)n+μ1(−λ)n−1+⋯+μn−1(−λ)+μnP(\lambda) = \det \left( \Lambda - \lambda \, \mathbb{1} \right) = (-\lambda)^n + \mu_1 (-\lambda)^{n-1} + \cdots + \mu_{n-1} (-\lambda) + \mu_n

For an n×nn \times n matrix this is a polynomial of degree nn. The coefficients μ1,…,μn\mu_1, \ldots, \mu_n are invariants that do not change when the basis changes, so they are nn numbers belonging to the linear transformation itself. The first, μ1\mu_1, is the trace and the last, μn\mu_n, is det⁡Λ\det \Lambda. The middle coefficients are more complicated combinations than these two, and the ones to remember going forward are the trace and the determinant.

The lecture ends by retracing what we covered. The heart of the determinant is that it is a signed volume, and it becomes 0 when one vector falls onto another. The Levi-Civita symbol writes the sign of a permutation, it is not a tensor, and the generalized Kronecker delta abbreviates the product of two such symbols. With these two we can write the determinant in any dimension. A non-square matrix still has minors, and in a square matrix every minor is paired with a complementary minor and a cofactor. The Laplace expansion, the relation between minors and the inverse, and the transformation formula of the Levi-Civita symbol will be used as we go deeper into the exterior algebra. In the next post we recap p-vectors and p-forms.

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