學習筆記 線性代數基礎

2022-09-09 07:03:09 字數 2255 閱讀 2835

注:下文若不宣告,統一為三維向量。

定義:一般地,向量為一條從原點出發的一條有向線段。

通過終止點的座標來表示: \(\beginx\\y\\z\end\)

性質:加法:\(\vec+\vec=\beginx_1\\y_1\\z_1\end+\beginx_2\\y_2\\z_2\end=\begin x_1 +x_2\\y_1 + y_2\\z_1 + z_2\end\)

可以把向量視為從起點到終點的運動,則加法的結果與原來的運動效果是一樣的。

將它們平移使得 \(\vec\) 和 \(\vec\) 首尾相接,則加法之後的向量的終點即為平移後路徑的終點。

數乘:\(k\vec=\beginkx\\ky\\kz\end\)

即向量 \(\vec\) 乘 \(k\) 為在向量的每一維乘 \(k\) 。

可以視為將 \(\vec\) 代表的線段伸縮 \(k\) 倍,其中,當 \(k<0\) 時,向量方向相反,長度相同。

線性組合:

\(\vec\) 和 \(\vec\) 的線性組合為:\(a\vec+b\vec\)

這是在向量的加法和數乘基礎之上的。

可以發現的是,大部分情況下, \(\vec\) 和 \(\vec\) 的線性組合可以到達三維空間中的所有點,但有幾種特殊情況:

\(1.\) 其中乙個向量處在另外兩個向量所形成的平面中,這時,只能到達這個平面中的點。

\(2.\) 其中兩個向量處在另外乙個向量所形成的線上,這時,只能到達這個線段中的點。

對於第 \(1\) 種情況,即為乙個向量可以被其他向量線性組合表示出來

對於第 \(2\) 種情況,同理。

把 \(\vec\) 和 \(\vec\) 線性組合所構成的向量集合成為張成的空間

當一組向量中,至少有乙個向量能被其他向量表示出來,則稱其為線性相關,否則,稱為線性無關

基向量:

描述每乙個維度的單位向量。

例:三維向量中的基向量為:\(\vec\) , \(\vec\) 和 \(\vec\) ,各代表 \(x\) ,\(y\) 和 \(z\) 軸向量對應的長度。

可以發現,在基向量所能張成的空間中,所有向量都可以由基向量的線性組合所表示

秩:最大線性無關組的向量數。

行秩 \(=\) 列秩。

當矩陣線性無關時,稱做滿秩

線性變換:

最通俗的說法:輸入乙個向量,輸出乙個向量。

由基向量的性質,可以直到,給出原始向量,基向量線性變換後的位置,就可以求出原始向量線性變換後的位置。

可以把向量 \(\vec\) ,\(\vec\) 和 \(\vec\) 按列組合成乙個矩陣,稱作變換矩陣(從右到左,於初始列向量相乘,就得到線性變換後的初始向量,

復合線性變換:

當有多個變換矩陣時,它們具有結合律,即:

\((ab)c=a(bc)\)

如果直接算,很麻煩,可以通過變換矩陣的從右到左的運算順序求解。

那麼可以將其合併為乙個變換矩陣。

行列式:

符號:\(\det\) 。

線性變換後,向量 \(\vec\) 和 \(\vec\) 所形成的平行四邊形的面積放縮比例。

在二維平面中,基向量 \(\vec\) 和 \(\vec\) 所組成的正方形面積為 \(s_1\) ,線性變換後,\(\vec\) 和 \(\vec\) 所組成的平行四邊形的面積為 \(s_2\) ,則 \(\det\) 為 \(\dfrac\) 。

二維平面的行列式 \(\det\begina&b\\c&d\end=ad-bc\) 。

其中,\(\vec=\begina\\c\end\) ,\(\vec=\beginb\\d\end\) 。

證明:考慮將 \(\vec\) 和 \(\vec\) 形成的平行四邊形補成矩形,長為 \(a+b\) ,寬為 \(c+d\) 。

\(\det\begina&b\\c&d\end=(a+b)(c+d)-2\dfrac-2\dfrac-2bc=ad-bc\) 。

對於任何矩陣的行列式,當 \(\det a=0\) 時,代表 \(a\) 是線性相關的。

點積:\(\vec\cdot \vec=\sum\limits_v_i\cdot w_i\)

由對偶性可以證明。

也可以將其視為從多維向量變成一維向量的線性變換,也即矩陣向量乘法。

目前只看到了點積部分,叉積以及後面的部分等看完了再補上來。

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