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乾貨|MIT線性代數課程精細筆記[第一課]

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1知識概要

本節開始,我們一起來學習線性代數的有關知識,首節我們從解方程談起,學習線性代數的應用之一就是求解複雜方程問題,本節核心之一即為從行影象與列影象的角度解方程

2方程組的幾何解釋基礎 

2.1 二維的行影象

我們首先通過一個例子來從行影象角度求解方程:

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我們首先按行將方程寫為矩陣形式:

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係數矩陣(A):將方程係數按行提取出來,構成一個矩陣。

未知向量(x):將方程未知數提取出來,按列構成一個向量。

向量(b):將等號右側結果按列提取,構成一個向量。

接下來我們通過行影象來求解這個方程:

所謂行影象,就是在係數矩陣上,一次取一行構成方程,在座標系上作圖。和我們在初等數學中學習的作圖求解方程的過程無異。


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2.2 二維的列影象

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接下來我們使用列影象求解此方程:

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即尋找合適的 x,y 使得 x 倍的(2,-1) + y 倍的(-1,2)得到最終的向量(0,3)。很明顯能看出來,1 倍(2,-1) + 2 倍(-1,2)即滿足條件。

反映在影象上,明顯結果正確。

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3方程組的幾何解釋推廣 

3.1 高維行影象 

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如果繪製行影象,很明顯這是一個三個平面相交得到一點,我們想直接看出這個點的性質可謂是難上加難。

比較靠譜的思路是先聯立其中兩個平面,使其相 交於一條直線,在研究這條直線與平面相交於哪個點,最後得到點座標即為方程 的解。

這個求解過程對於三維來說或許還算合理,那四維呢?五維甚至更高維數呢?直觀上很難直接繪製更高維數的影象,這種行影象受到的限制也越來越多。

3.2 高維列影象 

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左側是線性組合,右側是合適的線性組合組成的結果,這樣一來思路就清晰多了,“尋找線性組合”成為了解題關鍵。

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很明顯這道題是一個特例,我們只需要取 x = 0,y = 0,z = 1。就得到了結果,這在行影象之中並不明顯。

當然,之所以我們更推薦使用列影象求解方程, 是因為這是一種更系統的求解方法,即尋找線性組合,而不用繪製每個行方程的影象之後尋找那個很難看出來的點。

另外一個優勢在於,如果我們改變最後的結果 b,例如本題中,

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那麼我們 2 −1 1 0 −3 4 −3 就重新尋找一個線性組合就夠了,但是如果我們使用的是行影象呢?那意味著我 們要完全重畫三個平面圖像,就簡便性來講,兩種方法高下立判。

另外,還要注意的一點是對任意的 b 是不是都能求解 Ax = b 這個矩陣方程呢? 也就是對 3*3 的係數矩陣 A,其列的線性組合是不是都可以覆蓋整個三維空間呢?

 對於我們舉的這個例子來說,一定可以,還有我們上面 2*2 的那個例子,也可以 覆蓋整個平面,但是有一些矩陣就是不行的。

比如三個列向量本身就構成了一個 平面,那麼這樣的三個向量組合成的向量只能活動在這個平面上,肯定無法覆蓋 2 −1 1 一個三維空間,

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這三個向量就構成了一個平面。

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3.3 矩陣乘法

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4 學習感悟這部分內容是對線性代數概念的初涉,從解方程談起,引進列空間的概念,可以發現從列空間角度將求解方程變化為求列向量的線性組合,這個方式更加科學。 介紹了矩陣乘法,這部分內容重在理解。

希望對大家有幫助~