重温线性代数-程序员宅基地

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前言

对于普通的数学工作者而言,掌握矩阵、线性空间的基本性质和用法比领会抽象的概念更实用。数学专业的同学需要全面深入学习近世代数的理论和演绎法则,例如模的概念和运算。
总之,我个人认为,不论是微积分、还是线性代数,或者是统计学,多从有形的例子着手,学习最核心最实用的部分,辅以一定数量的习题练习,是一种有效的学习方法。

向量空间->线性变换->线性变换的表示:矩阵

矩阵是二维的,二维相对于三维以及更高维有什么特殊性吗?为什么我们更多地在研究矩阵,而不是更高维张量?

什么是线性代数?

近世代数的主要内容是集合及这些集合上的代数运算。这个代数运算主要是加法和数乘(注意这里不叫乘法)。加法和数乘都具有线性特征,所以这种代数就叫线性代数。

研究代数结构的性质就是近世代数的内容与任务。主要的代数结构有:群、环、体、域、模等。

线性代数是研究线性空间(向量空间)、模和其上的线性变换以及与
之有关的问题(如线性、双线性、二次函数等)的数学学科

线性代数的核心思想

任何一个n维空间中的元素,都可以通过一个向量 ( x 1 , x 2 , . . . , x n ) (x_1, x_2, ...,x_n) (x1,x2,...,xn)来定位,或者说n维空间中每个点,都有一个坐标。有的书上也把这种n维空间叫向量空间。

矩阵是什么?以下几种理解都是正确的:

  • 一个矩阵可以表示从n维空间到m维空间的线性变换,或者叫映射
  • 一个矩阵对应了一个运动
  • 一个矩阵对应了一个坐标系。因为运动既可以看成是点的运动,也可以看成是坐标系的运动。如果选取了某个坐标系作为标准坐标系(或者叫参照坐标系),那其它坐标系的基就可以表示成这个参照系的线性组合,也就是每个基对应一个向量,那所有基的坐标就构成了一个矩阵。

所以,一个矩阵乘以一个向量: A ∗ x A*x Ax 就是把一个向量映射到一个新的向量。这个矩阵的每一行对应的是新的坐标系的基的坐标。为什么矩阵乘法定义为向量内积的方式?因为内积代表着新的向量在旧的向量上的投影。

这里需要举个例子才能说得更明白。

基本概念

向量空间,基,维数,坐标。线性变换。
特征值,特征向量,行列式,trace。

矩阵的乘法

为何按照行乘列的方式定义矩阵乘法,而不是对应元素的相乘?
因为矩阵乘法表示为运动的复合,要达到这个目的,唯有按行列相乘的方式定义方可。它的本质是投影和分解。

最典型的例子就是仿射变换。它包括平移、旋转、放缩、剪切、反射。平面上的每个仿射变换可以表示为一个3x3矩阵,多个矩阵的乘积代表多个变换的复合。

基本性质

  • 行列式为0 = 不满秩 = 不可逆
  • 行列式等于特征值的乘积
  • 二维矩阵的行列式等于平行四边形的面积,三维矩阵的行列式对应的是平行六面体的体积…更高维度上也可以延伸出同样的类似于“体积”的定义。
  • 对称矩阵的特征向量相互之间正交
  • 矩阵的迹(trace)等于特征值之和

特征值和特征向量

特征值与特征向量是矩阵的精妙之处

一个矩阵可由它的所有特征向量完全表示,而每一个向量所对应的特征值,就代表了矩阵在这一向量上的贡献率,叫振幅或能量。

特征值与特征向量绝不像我们在数学书本上看到的那么单调,它蕴含丰富,在图像处理、物理,材料,力学上都有很好的应用。

图像A和图像B的相似程度可以用A和B的特征向量的距离来度量。在谱系图论中,一个图的特征值定义为图的邻接矩阵A的特征值,或者(更多的是)图的拉普拉斯算子矩阵。

著名的图像处理中的PCA方法,选取特征值最高的k个特征向量来表示一个矩阵,从而达到降维分析+特征显示的方法,还有图像压缩的K-L变换。K-L变换是图象分析与模式识别中的重要工具,用于特征抽取,降低特征数据的维数。

还有MIT-Media Lab基于特征脸的人脸识别方法,数据流模式挖掘分析等方面。
有振动的地方就有特征值和特征向量。

如果把全球的网页链接做成邻接矩阵,那么特征向量就是pagerank,就是对全球网页的一种结构描述。

矩阵的相似

相似矩阵是同一个线性映射,在不同基下的表达形式。
(Jordan)任何复方阵比相似于分块对角阵

矩阵的计算

矩阵的分解可以简化矩阵的运算。

  • A 有n 个相异的特征值, 则A 可对角化。
  • 任何n阶酉方阵可以分解为一个酉方阵乘以一个上三角阵

处理矩阵问题方法尽管多种多样,但关键的基本方法有六个,它门是:
第一,矩阵分块的方法;
第二,初等变换的方法;
第三,降阶与升阶的方法;
第四,运用标准单位向最的方法;
第五,运用特征值的方法;
第六,运用矩阵标准形的方法。
这六者之中,核心的思想方法是降阶法。

书籍推荐

  • 线性代数五讲
  • 线性代数方法导引-屠伯埙
  • 高等代数-屠伯埙: 我本科时的线性代数教材,屠伯埙亲自指导上课。
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