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)
将
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)
由
(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=2√2(−11−1−1),可得运算结果如下图所示:

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
2√2(−1,1)和2个
2√2(−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=2√2(−11−1−1),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=2√2(−11−1−1)(12)=2√2(−3−1)
此时小红认为,自己看到的向量是
b,但其实
x和
b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
A−1=[2√2(−11−1−1)]−1=2√2(−1−11−1)
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
(−32√2,−2√2)。此时小蓝会认为该向量的坐标为:
y′=A−1y=2√2(−1−11−1)⎛⎝⎜⎜⎜−32√2−2√2⎞⎠⎟⎟⎟=(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