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03-乘法和逆矩阵.md

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03-乘法和逆矩阵

1、Overview(概述)

前面介绍了向量和矩阵的乘法,这一节我们要介绍一下两个矩阵之间的乘法。并讨论逆矩阵存在的条件。最后再介绍求解逆矩阵的方法。

2、矩阵乘法

2.1 矩阵乘法定义视角求解:矩阵乘法最常见的求解方式

矩阵乘法_1

矩阵乘法_2

矩阵乘法_3

2.2、矩阵行向量与列项量线性组合的视角求解

2.2.1、列组合

还记得在 【02-矩阵消元】中学过的 矩阵与列向量的乘积,得到一个列向量,如下:

列组合

2.2.2、行组合

行组合_1

同样,按照形式,这次将矩阵 A 看做行向量组合就行了:

行组合_2

2.3、扩展视角:列乘以行

列乘以行_1

列乘以行_2

2.4、分块做乘法

分块乘法就是宏观上的矩阵乘法,比如现在有一个 50 * 50 的矩阵与 50 * 50 矩阵相乘,一个一个进行运算很麻烦,尤其是如果矩阵在某一区域上有一定的性质, 那么我们可以将其分块,如:

分块乘法

3、矩阵的逆

3.1、矩阵的逆是否存在?不存在的条件是什么?

逆矩阵_1

逆矩阵_2

3.2、若存在,矩阵的逆如何求解?

逆矩阵求解_1

3.2.1、高斯-若尔当方法(Gauss-Jordan)

高斯-若尔当方法求解逆矩阵

接下来,我们论证一下它的合理性:

论证 高斯-若尔当方法

论证 高斯-若尔当方法

4、小结

本节具体内容如下:

矩阵乘法:AB = C

1.定义的视角

常规方法,行 * 列,即AB = sum of (rows of A) * (cols of B)

2.线性组合的视角:

(1) 列的线性组合:C的每一个列向量是A的每一个列向量的线性组合,而B说明了如何进行线性组合,即说明了线性组合的系数。

(2) 行的线性组合:C的每一个行向量是B的每一个行向量的线性组合,而A说明了线性组合的系数。

3.列 * 行的视角

扩展方法,列 * 行,即AB = sum of (cols of A) * (rows of B)

4.矩阵的分块乘法:满足以上所有的乘法方式

矩阵的逆(Inverses - For Square matrices)

1.矩阵的逆是否存在?如何判断不存在?

对于矩阵A, 若存在向量x,使得Ax = 0 (x != 0),则此矩阵为奇异矩阵(singular matrix),即矩阵A不可逆。即可以找到A的列向量的线性组合,使得其为0。

证明:记A的逆为B,若矩阵A可逆,则BA = I, 又Ax = 0, 因此 BAx= Ix = 0, 所以x = 0, 矛盾。#

注:若A为方阵,则AB = BA = I, 左逆 = 右逆。

2.若存在,矩阵的逆如何求解?(invertible, nonsingular(可逆,非奇异))

Gauss-Jordan (Solve 2 equs at once.)

  • AB = I (B为A的逆)
  • [A | I] -> [I | B]

证明: E [A | I] = [EA | E] = [I | ?], 因此EA = I, 因此E = B, 即E是A的逆。

在这个章节中,我们从不同的角度认识了矩阵的乘法,并介绍了逆矩阵的相关知识以及如何求解逆矩阵。

这个章节的内容很好地体现了线性代数这门课的优点之一: 少有繁琐的证明,更多的理解与类比。多多从向量、空间、线性组合的角度去认识矩阵之间的运算,这才是线性代数这门课的核心之一。

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