矩陣乘法的理解(轉)


大多數人在高中,或者大學低年級,都上過一門課《線性代數》。這門課其實是教矩陣。

剛學的時候,還蠻簡單的,矩陣加法就是相同位置的數字加一下。

矩陣減法也類似。

矩陣乘以一個常數,就是所有位置都乘以這個數。

但是,等到矩陣乘以矩陣的時候,一切就不一樣了。

這個結果是怎么算出來的?

教科書告訴你,計算規則是,第一個矩陣第一行的每個數字(2和1),各自乘以第二個矩陣第一列對應位置的數字(1和1),然后將乘積相加( 2 x 1 + 1 x 1),得到結果矩陣左上角的那個值3。

也就是說,結果矩陣第m行與第n列交叉位置的那個值,等於第一個矩陣第m行與第二個矩陣第n列,對應位置的每個值的乘積之和。

怎么會有這么奇怪的規則?

我一直沒理解這個規則的含義,導致《線性代數》這門課就沒學懂。研究生時發現,線性代數是向量計算的基礎,很多重要的數學模型都要用到向量計算,所以我做不了復雜模型。這一直讓我有點傷心。

前些日子,受到一篇文章的啟發,我終於想通了,矩陣乘法到底是什么東西。關鍵就是一句話,矩陣的本質就是線性方程式,兩者是一一對應關系。如果從線性方程式的角度,理解矩陣乘法就毫無難度。

下面是一組線性方程式。

矩陣的最初目的,只是為線性方程組提供一個簡寫形式。

老實說,從上面這種寫法,已經能看出矩陣乘法的規則了:系數矩陣第一行的2和1,各自與 x 和 y 的乘積之和,等於3。不過,這不算嚴格的證明,只是線性方程式轉為矩陣的書寫規則。

下面才是嚴格的證明。有三組未知數 x、y 和 t,其中 x 和 y 的關系如下。

x 和 t 的關系如下。

有了這兩組方程式,就可以求 y 和 t 的關系。從矩陣來看,很顯然,只要把第二個矩陣代入第一個矩陣即可。

從方程式來看,也可以把第二個方程組代入第一個方程組。

上面的方程組可以整理成下面的形式。

最后那個矩陣等式,與前面的矩陣等式一對照,就會得到下面的關系。

矩陣乘法的計算規則,從而得到證明。

矩陣乘法的本質是什么?

作者:知乎用戶
鏈接:https://www.zhihu.com/question/21351965/answer/31050145
來源:知乎
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權,非商業轉載請注明出處。

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本題目前下面的解釋都是線性代數教材上的各種定義,但都太過復雜了。我嘗試寫一個淺顯的解釋:

小明今天要做飯,消耗2斤肉,1斤蔬菜。肉每斤20元,蔬菜每斤5元,則一共需多少花費?
這個問題的答案很簡單:


我們用向量相乘的方法寫出來:
         如果小明第二天有另一種做飯的方法,需要消耗1斤肉,4斤蔬菜,那么這兩種方法的花費各是多少呢?我們顯然需要另算這第二種方法的花費。把這個做飯方式寫在第二個矩陣(向量是寬度或長度為1的矩陣)里:
           小明家附近還有另一個菜市場,那里肉每斤15元,蔬菜每斤10元。那么,小明如果去這個菜市場,花費又是多少呢(分別計算上述兩種做飯方式)?我們把這另外的一種價格寫進第一個矩陣里:
            這樣我們看到了一個矩陣乘法的例子。在左邊的這個矩陣的每一行,都代表了一種價目表;在右邊的矩陣的每一列,都代表了一種做飯方式。那么所有可能的組合所最終產生的花費,則在結果矩陣中表示出來了。

 

小明有一天成為了餐廳大廚,小紅做掌櫃兼管算賬。我們假設物價不變。小紅發現,如果今天買10斤肉花了A元,明天買20斤肉就得花2A元。如果買一斤肉要花C元,買1斤菜要花D元,那么買一斤肉和一斤菜就要花(C+D)元。每天小明匯報今日的材料消耗之后,小紅便會將材料消耗轉為需要花的錢數。如果材料消耗翻倍,花的錢數也翻倍。另外,如果去不同的菜市場,也會得到不同的花錢數量。

小明每月送來一張長列表,里面是每日的材料消耗;而經過小紅的處理,這張列表會轉為每日,在不同的菜市場購買這些材料的花費。材料消耗翻倍,花費也翻倍。我們管這種從材料列表轉為開銷表的過程,就叫做一個線性映射。這也即是矩陣乘法的意義。

最后補充一點。線性代數的引入方式因教材不同而不同。從代數學自身的體系來講,可能從線性空間引入是相對完備的;但是從一般我們學習知識的理解順序來講,從線性方程組引入最為合適。因為只要還記得雞兔同籠,就很容易理解線性方程組,從而推廣到矩陣,然后是線性變換,線性空間。按這樣順序講授的教材推薦華章數學譯叢的:
線性代數.原書第8版.Leon.S.J.著.張文博譯.機械工業出版社.2010

 


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