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【线性代数启示4】矩阵的代数运算和行列式

【线性代数启示4】矩阵的代数运算和行列式

作者: 东方胖 | 来源:发表于2022-08-12 12:06 被阅读0次

矩阵的乘法 AB 第 i 行 第 j 列的元素是
c_{ij} = \sum_{k = 1}^n a_{ik} \cdot b_{kj}
定义矩阵乘法之后,会发现 矩阵不满足交换律
AB \ne BA 一般不成立。

为什么我们不定义一种可以满足交换律的矩阵乘法?比如让 AB 对应每个位置的元素相乘?
这样的话,确实满足交换律,但是这种乘法的毛病也很明显

  • 对于线性方程组求解没什么实质的帮助
  • 对于线性变换而言,这样的矩阵和线性变换没啥关系
    背离了矩阵引入的初衷——它最终要服务于两个基本的场景,解方程组和处理向量空间上的线性变换。

事实上,矩阵从线性方程组抽象出来之后,它的乘法的定义就确定了,而方程组就是线性变换的具象形式。

对于矩阵的乘法运算,它有几个反直觉的特性

  • 第一个自然是不满足交换律
  • 第二个,它通常也不满足消去率,即 AB = AC 一般不能推倒出 B = C
  • 第三个 如果 AB = \boldsymbol 0 A B 未必会有一个是零矩阵
    这些特性说明矩阵空间在其乘法和一般的实数,整数,有理数系有重大的区别。

跟矩阵有关的其它运算

  • 矩阵的转置,A^{\mathrm{T}} 将矩阵A 的每个元素的行列置换位置
  • 矩阵的幂 只有方阵能幂运算,即 A^k = A \cdot A \cdot ... \cdot A
  • 矩阵的迹 tr(A) = \sum_{i=1}^n a_{ii} 将矩阵对角线上的数求和
  • 矩阵的逆。对于实数, a 的逆是与 a相乘等于 1 的数。

矩阵的逆

在矩阵家族里,有没有类似 1 这样的矩阵?有没有类似 0 这样的零矩阵?
如果有一种矩阵 I, 满足 IA = AI = A
那它好比实数1一样具有单位元的特性。
如果有一种矩阵 O 它满足
AO = OA = O
那么 O具有 实数 0 的特性。

从矩阵的乘法和 2 \times 2 维情况 出发,我们很容易发现
零矩阵应该是这样
\left (\begin{array}\\ 0 & 0 \\ 0 & 0 \\ \end{array} \right)

单位矩阵应该是这样
\left (\begin{array}\\ 1 & 0 \\ 0 & 1 \\ \end{array} \right)

然后把使得 AB = I_m 成立的 B 称为矩阵 A 的右逆,使得 BA = I_n 成立的 B称为右逆。若要统一 AA^{-1} = A^{-1}A 则需要规定 An\times n方阵
这样的话,对于方程
Ax = b
An\times n方阵 ,就能左乘 A 的逆而求得方程组的唯一解
x = A^{-1}b

问题

  1. 什么样的方阵存在逆矩阵,如何计算逆矩阵
  2. 逆矩阵和逆变换的关系?

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