【轉】【數學】矩陣求逆的幾何意義


向量:[a1, a2, a3, ..., an]
矩陣:
a11, a12, a13, ..., a1n
a21, a22, a23, ..., a2n
...
an1, an2, an3, ..., ann


現只討論這個n階非奇異方陣,如果一組向量彼此線性無關——它們就可以成為度量這個線性空間的一組基→成為一個坐標系體系,其中每一個向量都躺在一根坐標軸上,並且成為那根坐標軸上的基本度量單位(長度1)。


比如把點(1, 1)變到點(2, 3),可以有兩種做法:①坐標系不動,點動,把(1, 1)點挪到(2, 3);②點不動,坐標系動,讓x軸的度量(單位向量)變成原來的1/2,讓y軸的度量(單位向量)變成原先的1/3,這樣點還是那個點,可是點的坐標就變成(2, 3)了。 方式不同,結果一樣。

第①種方式即把矩陣看成是運動描述,矩陣與向量相乘就是使向量(點)運動的過程。在這個方式下,“Ma = b”的意思是:向量a經過矩陣M所描述的變換,變成了向量b;而從第②種方式來看,矩陣M描述了一個坐標系,姑且也稱之為M。那么“Ma = b”的意思是:有一個向量,它在坐標系M的度量下得到的度量結果向量為a,那么它在坐標系I的度量下,這個向量的度量結果是b。
這里的I是指單位矩陣。而這兩個方式本質上是等價的。在M為坐標系的意義下,如果把M放在一個向量a的前面,形成Ma的樣式,我們可以認為這是對向量a的一個環境聲明。它相當於是說: “注意了!這里有一個向量,它在坐標系M中度量,得到的度量結果可以表達為a。可是它在別的坐標系里度量的話,就會得到不同的結果。為了明確,我把M放在前面,讓你明白,這是該向量在坐標系M中度量的結果。那么我們再看孤零零的向量b:
b 多看幾遍,你沒看出來嗎?它其實不是b,它是:
Ib
也就是說:“在單位坐標系,也就是我們通常說的直角坐標系I中,有一個向量,度量的結果是b。”
而 Ma = Ib的意思就是說:
“在M坐標系里量出來的向量a,跟在I坐標系里量出來的向量b,其實根本就是一個向量啊!”這哪里是什么乘法計算,根本就是身份識別嘛。從這個意義上我們重新理解一下向量。向量這個東西客觀存在,但是要把它表示出來,就要把它放在一個坐標系中去度量它,然后把度量的結果(向量在各個坐標軸上的投影值)按一定順序列在一起,就成了我們平時所見的向量表示形式。你選擇的坐標系(基)不同,得出來的向量的表示就不同。向量還是那個向量,選擇的坐標系不同,其表示方式就不同。因此,按道理來說,每寫出一個向量的表示,都應該聲明一下這個表示是在哪個坐標系中度量出來的。表示的方式,就是 Ma,也就是說,有一個向量,在M矩陣表示的坐標系中度量出來的結果為a。我們平時說一個向量是[2 3 5 7]T,隱含着是說,這個向量在 I 坐標系中的度量結果是[2 3 5 7]T,因此,這個形式反而是一種簡化了的特殊情況。

注意到,M矩陣表示出來的那個坐標系,由一組基組成,而那組基也是由向量組成的,同樣存在這組向量是在哪個坐標系下度量而成的問題。也就是說,表述一個矩陣的一般方法,也應該要指明其所處的基准坐標系。所謂M,其實是 IM,也就是說,M中那組基的度量是在 I 坐標系中得出的。從這個視角來看,M×N也不是什么矩陣乘法了,而是聲明了一個在M坐標系中量出的另一個坐標系N,其中M本身是在I坐標系中度量出來的。
回過頭來說變換的問題。我剛才說,“固定坐標系下一個對象的變換等價於固定對象所處的坐標系變換”,那個“固定對象”我們找到了,就是那個向量。但是坐標系的變換呢?我怎么沒看見?
請看:
Ma = Ib
我現在要變M為I,怎么變?對了,再前面乘以個M-1,也就是M的逆矩陣。換句話說,你不是有一個坐標系M嗎,現在我讓它乘以個M-1,變成I,這樣一來的話,原來M坐標系中的a在I中一量,就得到b了。
我建議你此時此刻拿起紙筆,畫畫圖,求得對這件事情的理解。比如,你畫一個坐標系,x軸上的衡量單位是2,y軸上的衡量單位是3,在這樣一個坐標系里,坐標為(1,1)的那一點,實際上就是笛卡爾坐標系里的點(2, 3)。而讓它原形畢露的辦法,就是把原來那個坐標系:
2 0
0 3
的x方向度量縮小為原來的1/2,而y方向度量縮小為原來的1/3,這樣一來坐標系就變成單位坐標系I了。保持點不變,那個向量現在就變成了(2, 3)了。
怎么能夠讓“x方向度量縮小為原來的1/2,而y方向度量縮小為原來的1/3”呢?就是讓原坐標系:
2 0
0 3
被矩陣:
1/2 0
0 1/3
左乘。而這個矩陣就是原矩陣的逆矩陣

下面我們得出一個重要的結論:
對坐標系施加變換的方法,就是讓表示那個坐標系的矩陣與表示那個變化的矩陣相乘。”矩陣的乘法變成了運動的施加。只不過,被施加運動的不再是向量,而是另一個坐標系

 


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