c 矩陣出現奇怪的數 矩陣等價的幾何意義

2021-10-13 18:15:17 字數 2721 閱讀 6625

對兩個矩陣a,b,最硬的關係就是「相等」,a=b。相等就是矩陣裡的每乙個元素「一模一樣」。無論a,b是幾維的,也不論它們秩是多少,只要元素都一一相同,就是相等。

不過,構成矩陣的基本單位不是元素,是向量,嚴格講是列向量,所以,矩陣相等的定義就是每個對應位置的向量都是相等的(行向量也必然相等了)。

「對應位置」很重要,同樣的幾個向量,位置排序不同,就是不同的矩陣了。所以,同一組向量,可以搭成不同的矩陣,向量對排序沒講究,矩陣是對排序很較真的同一組向量。

扯遠了,拉回來。「相等」這種關係鐵硬,很容易懂,也就沒啥說頭了。

另乙個關係是可以互表(相互線性表達)。比如對於矩陣a,b,若有可逆矩陣x,使:b=ax(b被a表),並a=bx⁻¹(a被b表),則a,b就是可互表的了。這個比相等關係要「間接」一些。是你我雖不等,但你我相互在對方的張成的空間裡,是「相互包含」的關係。雖不可同好的跟乙個人似的,但咱們可以相互罩著麼。

若a,b是兩個同階滿秩矩陣,則不管長啥樣,裡面元素多少不同,互表關係是必定的,「相互包含」就是必然的,也就沒啥說頭了。

但若a,b不滿秩(但同秩),那有沒有這個「相互包含」的關係就不一定了,各種差別就出來了,就可以說道說道了。我們在這裡的要聊的重點是:若沒了「相互包含」的關係,它們有啥更退一步(不那麼親密)的關係麼?有的,就是等價的關係。

我們以乙個3階秩2為例。秩2表示矩陣只能張成乙個平面子空間,a矩陣張成乙個,b矩陣張成另乙個。滿秩時,a,b必可互表,就是必然有「相互包含」的關係(各自都張成3維維空間,自然相互包含),但秩為2了,若a,b張成的平面不重合,a,b就不能互表了,就相互不能包含了。

沒有包含關係了,那有沒有乙個再退而求其次的關係呢,就像沒有相等關係,但可以相互包含麼。有的,那就是「等價」關係。

下面來聊「等價」關係。等價關係是一種「弱化」了的互表(包含)關係,但它不是矩陣之間的直接互表,而是乙個矩陣可以線表另乙個矩陣在本平面的「影子」,而本矩陣在那個矩陣平面上也有可被那乙個矩陣線表的影子。本尊與影子之間的互表(包含)關係,就是等價關係。

咋說?來,看公式。

若對矩陣a,b,有可逆矩陣p,q,使得b=paq,則a,b等價。是這麼說的吧?好,如果a,b滿秩,必可有b=aq和a=bq⁻¹,可互表的。對吧?這時,令p=i,則b=iaq和a=ibq⁻¹是必定有的,妥妥的等價關係式。

所以,a,b滿秩,必定有互表關係,也必定有等價關係。那麼,如果a,b等秩,但不滿秩,它們也必定有等價和互表關係麼?

先上答案:若有互表關係,就必定有等價關係,此處解說與滿秩時類似。但若沒有互表關係(兩矩陣不在乙個平面裡),等價關係一般還是有的,但在乙個特殊狀態下就沒有了(最後這話有錯,後有訂正20201009)。

怎麼講?上公式!從b=paq可以得到:

p⁻¹b=aq,和pa=bq⁻¹,設y=aq,x=bq⁻¹,就有y=x

y是啥?是a矩陣以q為係數組合出來的乙個矩陣,y就一定是在a平面裡的乙個矩陣了。從另外一邊看,又有y=p⁻¹b,這裡,y是以p⁻¹為基,以b為係數組合出來的乙個矩陣,它又在a平面上(不是在b平面上噢)。看出「幾何」關係來了了沒有?p⁻¹把b投影到了a平面上,這個投影被a線性組合(線表)出來了。

而在x=bq⁻¹裡,則是a被p「投影」到了b平面上,然後投影被b線表出來了。

a,b各自所在的平面不重合,不能互表,但它們能相互把對方在自己平面上的投影給線表出來,本尊之間不能互表,但本尊能線表對方在本方主場的「影子」,這就是不滿秩矩陣之間的等價關係。

這裡說過兩種情況了:能互表時必然等價,不能互表時,也是等價。還有一種情況,既不能互表,也不能等價(看訂正,此話錯)。

啥情況?前面說了,等價就是可以相互線表對方的「影子」。那如果沒有影子呢?當然就沒啥等價關係了。咋才會沒影子呢?就是這個平面上的線條投影到另乙個平面上啥也沒有唄,都是零了(看訂正,此話錯)。咋才會出現這樣的情況呢?

對頭!兩個平面垂直(正交)了唄。a,b平面正交了,你就咋也找不到p,q來幫你辦事,讓a,b相互投影了,人家垂直著呢,哪投的出啥影啊?(看訂正,此話錯)

不滿秩時才論等價關係,此時,等價就是相互有投影。投影是一種幾何關係吧?投影幾何。

相等:a=b,好的跟乙個人似的。這個關係一旦確定,則與秩的大小無關。

互表:b=aq,a=bq⁻¹,雖然不能融為一體,咱們相互罩著。若滿秩,必能互表,;若非滿秩,則必須都處在同乙個子空間裡才能繼續互表。

等價:b=paq,咱們天各一方(不滿秩時,處在不同的空間裡),但我罩著你的影子,你罩著我的影子。等價關係是普遍的,a,b即便不滿秩,又不在乙個子空間裡,它們可以頑強地保持等價關係。

但萬一它們所處的各自子空間「正交」的話,那就都沒影了,就「兩處茫茫都不見」,就罩(等價)不成了(看訂正,這句話錯)。

本解說可能是首創。你若看見過,請知會一聲,免得文主孤陋寡聞,沾沾自喜,自得之中,貽笑大方。

(改來還去的,或有重複的表達。能明白就好,勿嫌囉嗦。之後或還會更新,認知和表達都要與時俱進麼)。

訂正20201009:

a與b即使正交,b中向量在a平面上還有有投影的,因為在b中的向量並不是都與a垂直的,b中向量的所有投影都在b與a交的直線上,其中只有與a垂直的那個「直線」上的向量們在a上的投影才為零。

所以,只要b與a等秩,a,b等價是普適的,不存在特殊的a,b相對位置使得a,b不等價的情況出現。

為啥做訂正,但不去掉之前的錯?這可以把思考中的錯誤展示一下,事各位看清:原來還可以這樣錯。

如果你細心,之前就可以看出破綻。比如,兩個平面正交,「投影」就是零,這句顯然錯。**是零,明明是直線麼,b平面與a正交並不意味著b中的向量都與a垂直麼。實際上b中的向量絕大部分都不與a垂直,只有在與a垂直的那根直線上的向量才在a上的投影為零,這根直線就是齊次性方程組ax=0的非零解系所在的空間啊。

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