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002【数学篇】矩阵与方程组基础

002【数学篇】矩阵与方程组基础

作者: 七哥The7 | 来源:发表于2020-01-28 20:58 被阅读0次

方程组的向量思维

这是一个重要的概念,改变了以往我对多元一次方程组的理解。让我们来看这样一个方程组。
\begin{cases} x-2y=1\\ 3x+2y=11 \end{cases}
行视角思维row

这应该是大家最熟悉的一种思维了,也是学校教给大家的东西……就是两个变量的方程组,然后解方程嘛。

通过计算可以得出方程组的解为:x=3,y=1,如果直观一些表示,可能是酱紫滴:

image-20190728165416256.png

此时大家可能觉得这没什么嘛……但是就此打住,如果现在变成3个变量,用作图的方式会是怎么样的呈现?

可以想像这是3维空间中的3个平面的相交,这恐怖场景请大家自行脑补再往上一个层次,如果是4个、5个……n个变量呢?呵呵哒,n维空间中的n-1维超平面的相交,反正我是想像不出来了

所以碰到这种问题,学校老师一般不会教你作图,只会教你变量代入来解方程而已,因为实在是画不出来

但是任何事物的存在都应有其应用场景,一味的解方程也蛮无趣的,那么多元一次方程的几何意义又是什么呢?

列视角思维column

根据上一讲的内容,我们可以引入向量来解决,上例其实就是2个二维向量的线性组合。
Ax=\left[ \begin{matrix} 1&-2\\ 3&2\\ \end{matrix} \right]\cdot\left[ \begin{matrix} x\\ y \end{matrix} \right]=\left[ \begin{matrix} 1\\ 11 \end{matrix} \right]=b
具体的应用可以参考一下鲁班、亚瑟、王昭君的组合,针对n维向量,无法再多几个属性嘛,比如:移动速度、法防、攻击范围等

具体的直观图例应该是这样的:

image-20190728170037508.png

同理可以推广到n维空间的m个向量线性组合,脑补场景虽然依然复杂,但是只需要考虑向量这样一个箭头就够了,不用再考虑超高维平面啦

初识矩阵

什么是矩阵Matrix?简单理解就是多个向量的线性组合。

举个栗子,鲁班、亚瑟和王昭君三人组队打排位,为了分析比赛的胜率,我们针对攻击、法强、物防三个维度的属性对三个人做了向量分析,三人的基本线性组合为:

A=\left[ \begin{matrix} 2&1&-1\\ -1&1&3\\ 1&2&0 \end{matrix} \right]
另外三人出装对属性有加成,我们假定三人的综合加成值分别为:2,2,1,则加成系数为:
x=\left[ \begin{matrix} 2\\ 2\\ 1 \end{matrix} \right]
于是我们得出三人总的能力(鲁瑟君)为:
Ax=\left[ \begin{matrix} 2&1&-1\\ -1&1&3\\ 1&2&0 \end{matrix} \right]\cdot\left[ \begin{matrix} 2\\ 2\\ 1 \end{matrix} \right]=\left[ \begin{matrix} 5\\ 3\\ 6 \end{matrix} \right]=b
上面的计算表示,经过鲁班、亚瑟、王昭君三个向量,经过参数x控制之后,形成了线性组合b(鲁瑟君),也就是三个人的综合能力,能不能打败对手就是双方这个b之间的较量啦

线性相关性

通过上面的例子,我们可以看出来,在x确定的情况下能够直接找出三个向量的映射组合b。

我们来进一步反思这个问题,在b一定的情况下,能否找到合适的x?(简单来说,为了争取胜率,预先设计一个能力值鲁瑟君b,三个人能否通过x来达到?)

如果能达到,说明什么问题?说明在A确定的情况下,给定的b能够还原出x,也就是说矩阵A是可逆的(各位自行脑补一下:压缩/解压缩、图像压缩等)

如果无法达到,又说明什么呢?说明矩阵A是不可逆的……说明压缩后的文件无法解压缩,晓得伐?

为什么会有无法还原的情况呢……真相只有一个:三个向量线性相关,组合后的鲁瑟君出现属性坍塌,某个维度被降维打击给归零了,自然无法还原

方程组的解

矩阵消元来源于高斯消元法(Guass Elimination),具体做法不多作描述,只说方程组解的几种不同情况。

唯一解

还是拿上面的方程组。
\begin{cases} x-2y=1\\ 3x+2y=11 \end{cases}
具体的直观图例应该是这样的,两个向量有唯一的组合:

image-20190728170512108.png

无解

方程组如下:
\begin{cases} x-2y=1\\ 3x-6y=11 \end{cases}
具体的直观图例应该是这样的

image-20190728170740656.png

左侧两个向量在一条直线上,而组合向量不在这条线上,所以无法形成这样的一个线性组合。

同理可推广至N维向量空间,具体场景可自行脑补。

多个解

方程组如下:
\begin{cases} x-2y=1\\ 3x-6y=3 \end{cases}
具体的直观图例应该是这样的:

image-20190728170858226.png

向量在一条直线上,而组合向量也在这条线上(上图显示),那么就对应有N个线性组合可以满足。

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