麻省理工 高等線性代數筆記1 方程組的幾何解釋

2022-09-21 01:54:05 字數 1779 閱讀 1768

考慮n個方程 n個未知數,從簡單的2個方程 2個未知數開始考慮。

這個方程的目的是考慮如何將(2,-1)和(-1,2)這兩個向量正確組合,從而構成(0,3)這個向量;

這就需要找到乙個正確的線性組合(圖中等號左側部分就叫做列向量的線性組合linear combination of columns

線性組合是貫穿該課程始終的基本方法。

上圖是其代數形式,其幾何形式如下:

對列影象考慮正確的組合,而正確的組合是為了得到(0,3)

根據行影象得出的x=1,y=2,考慮將其在列影象上繪製體現出來,也就是一倍的col 1,兩倍的col 2,最後得到b向量。

考慮所有的線性組合的情況,即x和y的情況。

此時得到的結果將會是得到任意的等號右側向量,左側這兩個向量的組合會布滿整個座標平面,以後碰到再深入研究。

這裡的係數矩陣(矩陣a)就是左側的係數組合起的矩陣;向量b就是(0,-1,4);

row picture(行影象)

3 x 3的情況下,乙個方程是乙個平面,而這三條方程不平行也不特殊,所以兩個方程相交於一條直線,三條方程必然交於一點,但是3 x 3 的行影象很難像2 x 2的行影象那樣繪製出來。

如果變成四維空間,甚至n維空間,問題會變得更複雜。

column picture(列影象)

左側是三個向量的線性組合,每個向量均為三維向量 ,這個方程的目的是考慮如何將這三個向量正確組合,從而得到右側向量;

很容易得到,x=0,y=0,z=1是這個線性方程組的解,(0,0,1)就是行影象中難以看出的、三平面的交點。

當然列影象方法並不能總是找到解,下一講將講到消元法(求解的系統方法,即求所有情況下的x,y,z的方法)

所有人,以及不管怎麼複雜的軟體都可以通過消元法求解方程組。

繼續回到本講的「大圖」(保持左側不變,改變右側向量)上,改變右側向量為(1,1,-3):

(1,1,-3)仍然是特殊的向量(簡單將列1和列2相加),故可以得到解為x=1,y=1,z=0.

對於行影象來說,需要重新繪製平面尋找交點;而對於列影象來說,三列向量沒有發生變化,只是需要重新組合。

現在考慮所有的右側向量b。這等價於代數問題:對任意b,是否能求解ax=b?。等價於用「線性組合」的方式問:列的線性組合是否能覆蓋整個三維空間?

對於這個例子2(非奇異矩陣,可逆矩陣)來說,答案是yes。

但是對於另一些其他矩陣,答案可能是no。(如這三個列向量處於同一平面時,那麼其組合必然也處於該平面上,此時這三個列向量的線性組合不能覆蓋整個三維空間——這種情形被稱作奇異,矩陣不可逆

想象九維空間中9個向量的組合,是線性代數中必須掌握的中心內容,雖然難以具象化,但是可以想象。九維空間中九個向量的組合,將能夠覆蓋整個九維空間,此時取得所有右側向量b的答案就是yes。

但如果第九列碰巧等於第八列,那麼此時的線性組合就不能覆蓋整個九維空間,此時想要取得所有右側向量b的答案就是no。

對於非奇異矩陣的情況,只要正確組合,就可以得到任何的向量b。

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