【B站视频】线性代数的本质.学习笔记

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如果问我什么是线性代数

我想到的就是各种行列式的计算、各种求解方程组,还有什么对角化之类印象中很难的转变。总之,就是一个个的数字。

如果再问我什么时候用到线性代数了?

我只能回答你,考试的时候。因为我真的不知道线性代数和工作、学习有什么关系。

但是!当看完这个系列的视频后,我一阵头皮发麻。

原来向量、矩阵、行列式、特征值等等,是这样理解的!

原来他们不是一个个的数值!

原来这门学科的应用这么广泛!

原来线性代数是这个样子的!

很多的学习笔记我没有一一列出来,下面是我再观看过程中遇到反复学习并理解的内容。我把它记录下来方便以后回顾。

矩阵与线性变换

现在有一个矩阵A

\left[
 \begin{matrix}
   4 & 3 \\
   0 & 2 \\
  \end{matrix}
  \right] \tag{A}

在没有看过这个系列的视频之前,如果问我矩阵A是什么?我会一脸懵逼的回到:“是2排数字?难道不是?”

从几何角度来说,矩阵是一种线性变换。这里把矩阵的每一列作为基向量变换后的位置来理解。[4,0]就是基向量[1,0]变换后的位置,[3,2]就是基向量[0,1]变换后的位置。这里的变换是空间的旋转、剪切、压缩。

现在,当我看到一个矩阵时,我脑海里已经不是一排数字了,取而代之的是变换后的空间。

另一个问题:什么是线性变换?

线性的性质(也适用于函数)

  1. 可加性 L(v + w) = L(v)+ L(w)

意思是:把两个向量相加,然后对他们的和做应用变换,得到的结果变换后的变量相加一致。

  1. 成比例 L(cv) = cL(v)

意思是:将一个向量乘某一个数然后应用变换,得到的结果和变换后的结果乘以这个数一致

满足以上2个性质的变换就称之为线性的。

对偶性

说道这个性质,还要从矩阵的乘法运算说起。

我在学习求解线性方程组时,理解并记忆如下方块图:

图1:y = Ax
图2:c = yTx
其中y和x都是列向量

简单的记忆就是:矩阵与列向量的乘积是一个列向量;行向量与列向量的乘积是一个数。

在记忆后一条结论时,我思考:一定要行向量和列向量的乘积是数吗?列向量和列向量的乘积是什么呢?

首先,矩阵的乘法有规模要求,需要Amxn X Bnxm,意思是A的列要与B的行数相同,否则不能做乘法。如果套用这个规则,列向量和列向量是不能做乘法的。

那么,应用向量的点乘法则呢?显然可以的,并且数值相当于把第一个向量转置成行向量,然后和第二个列向量做乘法。这不是又回到矩阵的乘法了吗?

这是偶然还是另有隐情?向量的点乘和一维矩阵的乘法到底有什么关系呢?

带着这个问题我反复观看视频第7-8节的内容,梳理了如下关于对偶性的理解。

定义

对偶性,粗略地说,是指两种数学事物之间自然而又出乎意料的对应关系。

上述问题就是对偶性的实例。它描述的就是向量的点积的对偶性。它可以描述为:

一个多维(空间)到一维(数轴)的线性变换时,它都与空间中的唯一一个向量v对应,即应用这个变换和向量v点乘等价。这里的向v量就称为此线性变换的对偶向量。

点积和差积的对偶性

  1. 假设 v = [v1,v2]Tw=[w1,w2]T, A=[v1,v2] 并有 p = v \cdot w

从对偶性来理解,p就是w通过线性变换A,投影到v所在的数轴上的长度乘以v本身的长度。A的对偶向量就是v

  1. 假设 v = [v1,v2,v3]Tw=[w1,w2,w3]Tp=[p1,p2,p3]Tu=[x,y,z]T 并有 p= v \times w, 线性变换
\left[
 \begin{matrix}
   x & v1 & w1 \\
   y & v2 & w2 \\
   z & v3 & w3
  \end{matrix}
  \right] \tag{A}

根据点积的投影意义、差积的面积意义可以得出:p \cdot u = det(A) (A的行列式)
即:A的对偶向量就是p