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KnowledgeHive/The-Essence-of-Linear-Algebra

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The-Essence-of-Linear-Algebra

线性代数的本质笔记完整版

线性代数的本质这个课程我大概已经完整的看过两遍以上了,但是当我想要找找当年的笔记,去回顾回顾里面的直观的动画时,发现已经基本上对里面的内容完全忘光了。

目前仅仅有一些笔记的记录,后续可能会上传一些动图的展示,看个人的时间吧。

回顾几个本质性的动画:

  • chapter3: 二维矩阵 $$\begin{pmatrix}a & b\ c &d\end{pmatrix}$$实际上就是一个坐标系的变换:原来的横坐标$$\hat{i} = \begin{pmatrix} 1\ 0 \end{pmatrix}$$ 变换为$$\begin{pmatrix} a\ c \end{pmatrix}$$。纵坐标$$\hat{j}$$同理。

$$ \begin{pmatrix} a & b\\ c &d \end{pmatrix} * \begin{pmatrix} x\\ y \end{pmatrix} = x*\begin{pmatrix} a\\ c \end{pmatrix} + y*\begin{pmatrix} b\\ d \end{pmatrix} $$

  • chapter4: 二维矩阵的乘法实际上就是一系列坐标系变换。

$$ \begin{pmatrix} a & b\\ c &d \end{pmatrix} * \begin{pmatrix} e & f\\ g & h \end{pmatrix}\\ 可以看成是对基向量\begin{pmatrix} e\\ g \end{pmatrix}和\begin{pmatrix} f\\ h \end{pmatrix}的变换。\\ \begin{pmatrix} a & b\\ c &d \end{pmatrix} * \begin{pmatrix} e\\ g \end{pmatrix}\\ \begin{pmatrix} a & b\\ c &d \end{pmatrix} * \begin{pmatrix} f\\ h \end{pmatrix}\\ 最后将这两个向量合并,形成结果矩阵\begin{pmatrix} ae+bg & af+bh\\ ce+dg & cf+dh \end{pmatrix} $$

  • chapter5: 二维行列式的值实际上就是带有方向的向量围成的面积,同理三维的表示体积。

  • chapter6: $$ Ax=b $$要有解必须$$det(A)\ne 0$$,原因是若为0,那么就会将二维的坐标压成一条直线,或者是原点,那么若压成一条直线与$$b$$不同方向,那么肯定是无解的。

    当然$$Ax=0$$想要有非0解必须$$det(A) = 0$$,原因很形象,若不为0,那么显然A可逆,对应的变换唯一,只能是0向量。只有为$$det(A)=0$$,才会使二维的向量压缩到一维,那么,才会有非零解向量压缩到零向量。

  • chapter7: 点积的直观解释 $$ \begin{bmatrix} a\ b \end{bmatrix}· \begin{bmatrix} y\ y \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} a & b \end{bmatrix}*\begin{bmatrix} x\ y \end{bmatrix} = ax+by $$ 其中$$\begin{bmatrix} a & b \end{bmatrix}$$看成是$$\hat{i} 和 \hat{j}$$从二维的向量投影到一维的数轴的坐标。$$\begin{bmatrix} x\ y \end{bmatrix}$$实际上也是往数轴上进行投影。

  • chapter8: 叉积

二维的叉积就是矩阵行列式的值。

三维叉积是一个向量,大小为围成的面积,方向根据右手定则进行确定。

$$\overrightarrow{v}\times \overrightarrow{w} = \overrightarrow{p}$$,至于结果p为什么是面积大小,且垂直于四边形,且看下面的直观解释。

定义下面的运算: $$ \begin{bmatrix} p_1\ p_2\ p_3 \end{bmatrix}·\begin{bmatrix} x\ y\ x \end{bmatrix} = det(\begin{pmatrix} x & v_1 & w_1\ y & v_2 & w_2\ z & v_3 & w_3 \end{pmatrix}) $$ 等式的右边就是一个立方体的体积,三条边就是竖着的三个向量。那么体积怎么算呢?就是$$\overrightarrow{v}$$和$$\overrightarrow{w}$$构成的四边形面积*x向量在高度上的投影长度。

我们之前知道__点积其实就是投影长度的积__。

那么很显然,p长度就是$$\overrightarrow{v}$$和$$\overrightarrow{w}$$构成四边形面积大小,方向与平面垂直。

至于具体怎么计算,则 $$ \overrightarrow{p} = \begin{pmatrix} \overrightarrow{i} & v_1 & w_1\ \overrightarrow{j} & v_2 & w_2\ \overrightarrow{k} & v_3 & w_3 \end{pmatrix} $$

  • chapter9: 基变换

$$Ax = b$$, $$x$$是变换后坐标系的观察,$$b$$是正常坐标系。

至于为什么$$x$$是变化后坐标系的视野,根据前面的运算: $$ \begin{pmatrix} a & b\ c &d \end{pmatrix} * \begin{pmatrix} x\ y \end{pmatrix} = x*\begin{pmatrix} a\ c \end{pmatrix} + y*\begin{pmatrix} b\ d \end{pmatrix} $$ $$\begin{pmatrix} a\ c \end{pmatrix}$$和$$\begin{pmatrix} b\ d \end{pmatrix}$$分别是新的__基底__,那么(x, y)就是新坐标视野下的坐标。

  • chapter10:特征向量和特征值

就是找到那么坐标变换后方向没有改变的向量,对应的特征值就是变化后的放缩值。

注意如何使用该特性对任意的矩阵进行幂运算。