矩陣的秩和行列式的幾何意義


今天在復習最優化方法時突然想知道矩陣的秩和行列式的幾何意義。

通過上網搜索,找到一篇不錯的講解。

原文http://mdsa.51cto.com/art/201707/544991.htm

首先

文章講解了面積的矢量表示方法:即兩個矢量映射出面積大小。第一個矢量是(1.0),第二個矢量是(0,1),也就是說兩個矢量分別是X軸和Y軸上的單位為正的單位向量,那么由這兩個矢量構成的四邊形,這個四邊形其實就是一個正方形,根據面積的定義,其實就是寬=11=1。

寫成矢量表示就是

由於兩矢量所對應的是兩條邊。所以矢量表達式也存在齊次性(e映射為r,常數k乘e映射為常數k乘r)和加法的線性映射。

齊次性:

加法的線性映射:

實際通過加法的線性映射,我們可以得到

這像不像把矩陣[[1,0],[0,1]]的上下兩行交換,所得到矩陣的行列式是原矩陣行列式的相反數。

行列式

現在我們假設用平面內的任意兩個矢量所張成的平行四邊形的面積,現在用公式來進行表示,好比兩個矢量(a,0),(0,d)組成的長方形面積減去兩個矢量(0,b),(c,0)組成的長方形面積,注意:減去是因為

在這里,其實我們不難看到,所謂的面積其實就是一個2*2的矩陣的行列式:

其實在這里,我們可以把各種維度所代表的東西來總結下,二維所代表的是平面內的面積,三維自然而然其實就是三維空間內的體積,四維其實就是四維空間內的超體積.依次類推.

A是一個N*N的矩陣,a向量是列向量,V是N維體的體積:

N維體的體積是(注意到,第二個等式實際上說明了幾何意義是如何定義矩陣乘法的,也就是NN矩陣A和另外一個N個列向量組成的NN矩陣的乘法):

A的行列式如果不為零,則代表這個變換后,N維體的體積不是NULL。又結合線性無關與體積的性質,我們可以說:

如果A的行列式不為零,那么A可以把一組線性無關的矢量,映射成一組新的,線性無關的矢量;A是可逆的(一對一的映射,保真映射,KERNEL是{0})

如果A的行列式為零,那么A就會把一組線性無關的矢量,映射成一組線性相關的矢量

如果A的行列式為負數,那么A將會改變原N維體體積的朝向。

注意:從線性無關到線性相關,其中丟失了部分信息(例如坍縮成共線或者共面)。

比如:一個秩為2為3*3的矩陣A,因為秩小於3,那么任何一個3維六面體(對應上面的V,我們已經知道三維矩陣的行列式代表體積,這個3維六面體的體積也就是V的行列式)經過他的變化(對應上面的V')后,體積變為0,退化一個面(對應上面V'的行列式,也就是|A|V,此時由於A不是滿秩,所以造成體積坍縮成共面),但是仍然存在一個面積不為0的面,在變換以后還是一個非零面積的面。

通過上邊理解了秩,行列式的幾何意義,我們就能隨意的構造一個線性變化的A,使得他要么保全所有的幾何體(也就是A滿秩),要么降維成為特定維度(秩的數值)特定結構的幾何體,壓縮成為更低維度的幾何體,所以說,可以看作為一個”降維打擊”


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