曲线积分的长度元素和曲面积分的面积元素的一种统一的形式

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对一个 m×nm\times n 实矩阵 AA

m=nm=n,则

det(ATA)=detA\textstyle \sqrt{\det(A^\mathrm{T}A)}=\lvert\det A\rvert

det(ATA)\sqrt{\det(A^\mathrm{T}A)} 可视为相应 RnRn\R^n\rightarrow \R^n 线性变换的 nn 维测度缩放因子。

m<nm<n,显然 det(ATA)=0\sqrt{\det(A^\mathrm{T}A)}=0

m>nm>n,做奇异值分解 A=UΣVTA=U\Sigma V^\mathrm{T},则

det(ATA)=det(VΣTΣVT)=det(ΣTΣ)\sqrt{\det(A^\mathrm{T}A)}=\sqrt{\det(V\Sigma^\mathrm{T}\Sigma V^\mathrm{T})}=\left\lvert\det(\Sigma^\mathrm{T}\Sigma)\right\rvert

AA 列满秩,则 det(ATA)\sqrt{\det(A^\mathrm{T}A)} 即奇异值之积的绝对值,可视为相应 RnRm\mathbb{R}^n\rightarrow \mathbb{R}^m 线性变换的 nn 维测度缩放因子。


对一曲线 t(x,y)t\mapsto(x,y),雅克比矩阵为 J=[xy]J=\begin{bmatrix}x'\\y'\end{bmatrix},按上文的想法,有

ds=det(JTJ)dt=x2+y2dt\textstyle \dd s=\sqrt{\det(J^\mathrm{T}J)}\,\dd t=\sqrt{x'^2+y'^2}\,\dd t

这时来看曲面积分的面积元素 dS\dd S,曲面为 (u,v)(x,y,z)(u,v)\mapsto(x,y,z),雅克比矩阵为 JJ, 同样可写作

dS=det(JTJ)dudv\dd S=\sqrt{\det(J^\mathrm{T}J)}\,\dd u\dd v