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線性代數一階矩陣相乘

圖文 更新时间:2024-12-01 05:33:05

筆者繼續來講線性代數,今天我們主要深入講解矩陣乘法矩陣和矩陣相乘,矩陣和向量相乘意義和數學實質。

線性代數一階矩陣相乘(線性代數的秘密)1

老規矩,讓我們開門見山,先舉個矩陣相乘的例子:

線性代數一階矩陣相乘(線性代數的秘密)2

線性代數一階矩陣相乘(線性代數的秘密)3

線性代數一階矩陣相乘(線性代數的秘密)4

這個乘法究竟有什麼意義呢?為什麼要這樣乘呢?乘出來的向量或者矩陣又代表什麼呢

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線代教育家 吉爾伯特.斯特朗

這件事情要從線代這門課做的其中一項工作“線性變換”說起,線性變換實際上指的是坐标系的拉伸,旋轉之類的變換,但不包括扭曲,扭曲可就成非線性了。

我們先來看二維坐标系:

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i,j是這個坐标系基底向量,意思就是說這個坐标系所有向量用這兩個基底 i 和 j來表示

線性代數一階矩陣相乘(線性代數的秘密)7

該坐标中所有的向量都能用這個簡單的式子表述

線性代數主要是幹什麼事情呢?,它要你把這個直角坐标系變成不一定是直角的斜坐标系(斜坐标系原點0不能變,單位尺度間隔不變,必須具有線性),然後用這個新的坐标系表示出新的向量:

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黑色坐标系變成紅色坐标系,基底發生了改變

那這個線性變換究竟是改變了什麼呢——表述新坐标系基底發生了改變

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新的i’和j’描述的是斜二維坐标

新的i’j’描述的是斜的二維坐标。

線性代數一階矩陣相乘(線性代數的秘密)10

于是說法就出來了:

線性代數一階矩陣相乘(線性代數的秘密)11

第一列的 (1,3)向量可以被認為是新的i向量i’,隻不過它是二元的,比之前的i基底向量長,還多了個j方向:

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第二列的 (2,4)向量可以被認為是新的j向量j’,隻不過它是二元的,比之前的j基底向量長,還多了個i方向:

線性代數一階矩陣相乘(線性代數的秘密)13

那麼這個結果是什麼意思呢?

線性代數一階矩陣相乘(線性代數的秘密)14

你應該已經大緻有這種感覺了:在我們的直角坐标系裡的(2,3),放進斜坐标系就成了(8,18)了。我們把直角坐标的向量放進斜坐标裡,原來的向量的大小和方向都發生了改變。

那這個是什麼意思呢?

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按照上面的理解,它其實是兩種不同的線性變換的疊加,最終得到一種新的複合線性變換。

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于是你大概猜到了:三階矩陣的意義就是空間向量的拉伸。原來在某個坐标系裡的(4,5,0)通過某個斜的三維坐标系變成了(9,18,32)

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歪斜的線性變換空間坐标

因此,矩陣和矩陣相乘的本質是坐标系的線性變換,矩陣和向量相乘的本質是向量的線性變換。

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