線性代數的本質#0x01 - 矩陣與線性變換

Topic:線性變化的思想以及它同矩陣的關系
線性變換是操縱空間的一種手段;
矩陣·向量乘法就是計算線性變換作用于給定向量的一種途徑;

1、線性變換在二維空間中長什么樣子?

1.1、線性變化需滿足的2+1個條件

  • 直線依舊是直線
  • 原點保持固定
  • 網絡線平行并等距分布
滿足線性的兩個條件

反例如下:

非線性

原點移動


還有一種特殊情況,就是原點沒動,直線也依舊是直線,但是直線間不是等距的,因此對角線變為非線性的了,如下圖所示:

網絡線平行但未等距分布

1.2、 用數值描述線性變換

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我們二維平面接觸最多的就是標準的(i,j)平面,這是一組正交基,但是假如我選擇隨意的某一組變量作為基就會相應地比較于(i,j)產生拉縮或者旋轉。

比如下面這個2X2矩陣,假設(x,y)=(3,-2)就是對應的變換后的i軸,j對應;
ps. (3,-2)是相對于(0,1),(1,0)正交基做了轉換的。


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因為這個矩陣是從標準的正交基轉換過來的,包含了轉換信息,因此把它當作新的基的時候,再對任意向量做乘法,就相當于:“把我自己承受過的痛楚也讓你來嘗試嘗試吧!”(金木研Vs白虎)


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這里的計算方式跟學校里面學的貌似不一樣啊,一般是左邊的行乘以右邊的列算出結果放到對應位置即可,但這里是右邊的行乘以左邊的然后做矩陣相加操作。
為什么這么操作?
個人感覺是這樣更容易理解,比如是對基向量做縮放再相加的操作。如下圖所示,其實兩種算法都是等價的,用視頻中這種方式更能只管理解矩陣的畫面效果。

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推廣到一般化,如下圖所示,用字母代替,這就表示了它包含了一個描述線性變換的信息。

因此我們可以把矩陣的列當作變換后的基向量,然后對它做拉伸就是計算結果。同時也是對該向量做了線性變換對比于正常基。


實例:??
現在有這么一個線性變換,就是逆時針旋轉九十度,那么我們首先把標準基轉個90度,得到了一個對應的矩陣:

現在我們有這么個目標向量(x,y)需要對其也做同樣的線性變換,因此我們直接將得到的矩陣跟這個向量做乘法就好了,操作轉移~

旋轉

這里有個剪切操作,i方向上不變,所以還是(1,0),j方向上斜著切了一下,因此變為(1,1),我們可以看到坐標系相對于原來的是斜了(但是為什么要說是剪切呢?),因此跟目標向量相乘就是將之做“剪切操作”。

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這個很簡單,但是很有趣,就是當兩個基是線性相關時,說明在一條直線上,因此二維平面就被壓縮成一維的了,這特么就是降維打擊啊!!!

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2、矩陣向量乘法

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