矩阵乘法和矩阵的逆的意义

注:目前开通个人网站朝思录,之后的博文将在上面更新,****博客会滞后一点


矩阵乘法的意义

考虑最基本的矩阵乘法公式:

b=Ax(1)

A按列分块为A={α1,α2,...,αn},并将x按行分块为x={x1,x2,...,xn}T ,则(1)式可表示为:
b=(α1α2...αn)x1x2...xn=x1α1+x2α2+...+xnαn(2)

(2)式可以看出,b为列向量A={α1,α2,...,αn}的线性组合。若将{α1,α2,...,αn}视为空间中的一组基,则b={b1,b2,...,bn}T表示向量x={x1,x2,...,xn}T(该坐标定义在空间基本正交基上,即E(单位矩阵))在基A={α1,α2,...,αn}下的向量,其坐标数值为其在基E下的坐标。
上面的语言可能不是很好理解。这里举一个二维空间中的例子,设点x在基E下的坐标为x={1,2}T;并对x={1,2}T执行运算b=Ax,其中A=22(1111),可得运算结果如下图所示:
矩阵乘法和矩阵的逆的意义
其中红色箭头为单位矩阵E对应的基,在该基下,向量x的坐标为(1,2);现在,将基E转变为基A(图中蓝色箭头代表基A),此时向量x在基A下的坐标仍为(1,2),我们用符号b来表示这个向量,可以看到向量b由1个22(1,1)和2个22(1,1)线性叠加而成。
不严谨地说,如果没有原始的基的参照,向量是无法“感觉”到基的变化的,x在基E下的坐标为(1,2),而b在基A下的坐标也为(1,2)。到现在为止我们还没有讨论运算b=Ax起到什么作用,这个矩阵乘法其实起到了一个“翻译”功能。正式的说,它将b的在基A下的坐标转化为基E的坐标。
打一个比喻:小蓝生活在基A下的世界,他看到的x坐标为(1,2),并且他认为自己所处的基为(1001);而小红生活在基E下的世界,并且她也认为自己所处的基为\left(\begin{array}{ccc} 1&0\\ 0&1 \end{array}\right)(1001)。两个世界是相互隔离的。但某一天,某种神秘力量打开了一个虫洞,两个世界得以相互观察。此时小红发现小蓝所处的世界的基相对于自己世界的基而言为\begin{equation}\boldsymbol A =\frac{\sqrt 2}{2} \left(\begin{array}{ccc}-1 &-1 \\1&-1\end{array}\right)\end{equation}A=22(1111),而那个世界中的向量\boldsymbol xx相对于自己世界的基而言为:\begin{equation} \boldsymbol x' = \boldsymbol A \boldsymbol x=\frac{\sqrt 2}{2} \left(\begin{array}{ccc}-1 &-1 \\1&-1\end{array}\right) \left(\begin{array}{ccc}1\\2\end{array}\right) \end{equation} =\frac{\sqrt 2}{2} \left(\begin{array}{ccc}-3\\-1\end{array}\right)
x=Ax=22(1111)(12)=22(31)

此时小红认为,自己看到的向量是b,但其实xb都是指同一个向量,只是从不同基的世界中看到的表现不一样而已。可以看出,矩阵乘法在这里起到了同一个向量基与基之间“翻译”的作用。
这里可以有一点造物主的感觉,毕竟我们可以知道小红和小蓝生活的世界的基的绝对坐标,但小红和小蓝都认为他们生活的世界的基为(1001)(不知道笔者处的世界的基是什么样子,但起码笔者认为是(1001))。他们对彼此世界的评判,都是基于自身所在世界的基。上面我们讨论了小红看小蓝世界的中向量b的坐标,但是如果是小蓝看小红的呢?

矩阵的逆的意义

小蓝看小红的世界,会发现小红世界的基,相对于自己的世界,其坐标为

A1=[22(1111)]1=22(1111)

假设小红的世界也有一个向量y,而小红认为该向量的坐标为(322,22)。此时小蓝会认为该向量的坐标为:
y=A1y=22(1111)32222=(12)

可以看出,矩阵及其逆为两个不同基的世界相互观察的结果。

感觉可以开一个矩阵运算说明的专题,有空整理一下吧