矩阵空间理解

最近学习了矩阵的空间,以及各个空间的关系,为了以后查阅方便,便做个笔记,有错误的地方请大家指正一下。

数学符号

符号 意义
Rn n维实空间
Rm×n mxn的实矩阵集合
T 转置
det(A) 行列式
C(A) 列空间
N(A) 零空间
A−1 逆
diag(a) 将向量转化为对角矩阵
Tr 迹
rank 秩

重新看待矩阵和Ax=b

[21−11]A∈R2×2[xy]x∈R2=[15]b∈R2(1)

Ax=b的行视图

行视图:凸优化中的超平面

2x−y=1x+y=5(2)

可以将(2)理解为两个直线相交与一点
这里写图片描述

2u+v+w=54v−6v=−2−2u+7v+2w=5(3)

可以将(3)理解为三个平面相交与一点:
这里写图片描述

Ax=b的列视图

列视图:矩阵列的线性组合。
(2)可以理解为以下形式:

x[21]+y[−11]=[15](4)

(3)可以理解为以下形式:
u⎡⎣⎢24−2⎤⎦⎥+v⎡⎣⎢1−67⎤⎦⎥+w⎡⎣⎢102⎤⎦⎥=⎡⎣⎢5−29⎤⎦⎥(5)

(4)与(5)可以理解为向量相加得到向量,我们将(4)用图(3),(5)用图(4)示意:
图(3)如下:
这里写图片描述

图(4)如下:
这里写图片描述

线性相关与线性无关

线性相关:矢量集[a1,a2,⋯,an]是线性相关的,如果∑nk=1ckak=0,当且仅当c1,c2,⋯,cn≠0。即,至少有一个向量,al可以由其他向量线性表出:

al=−1cl∑k=1,k≠lnckak(5)

线性无关:矢量集[a1,a2,⋯,an]是线性无关的(即不是线性相关的),如果∑nk=1ckak=0,当且仅当c1,c2,⋯,cn=0。

思考:对于线性相关的理解可以参考图(3)理解;将[21] 设置为a1,x 设置为c1,[−11] 设置为a2,y 设置为c2,[15] 设置为a3;那么(4)可以改写为c1a1+c2a2=a3;通过图(3)可以展示他们的关系,知道[a_1,a_2,a_3]是线性相关的。图4也可以这样理解。

性质:定义A=[a1,a2,⋯,an],则Ax=0只有x=0,没有其他线性组合能产生0(即A线性无关的),此时矩阵A是可逆的。

Span、基和子空间(Subspace)

Span:生成子空间

span=[a1,a2,⋯,an]={y∈Rm|y=∑n=1nckak}=S


  • A=[a1,a2,⋯,an]的所有线性组合。此时,如果[a1,a2,⋯,an]是线性无关的,则他们是S的一组基。正交基满足条件是aTiaj=0;也可以理解为向量ai与向量aj夹角是90度。

  • S可以有不同的一组基,但是基向量的的个数是相同的,被称为S的维数,等于rank(A)。一个子空间用一组基就可以表示了。

  • 例子:
    A=⎡⎣⎢100230330⎤⎦⎥,则S=span⎡⎣⎢⎡⎣⎢100⎤⎦⎥,⎡⎣⎢230⎤⎦⎥⎤⎦⎥ 是R3的子空间,同时S还具有其他基。

四个基本的子空间

(1)列空间:C(A)是Rm (not Rn) 的子空间。


  • 定义:包含所有列的线性组合,即C(A)={y=Ax,x∈Rn}

A=⎡⎣⎢142033⎤⎦⎥,C(A)=span⎡⎣⎢⎡⎣⎢142⎤⎦⎥,⎡⎣⎢033⎤⎦⎥⎤⎦⎥,构成一个R3的子空间。

如图5
这里写图片描述


(2) 零空间:N(A)是Rn (not Rm) 的子空间。


  • 定义:N(A)包含Ax=0的所有解的集合。
  • 注意:Ax=b的解并不形成一个子空间。
  • 例子:求A的零空间的基

A=[132826416]→U=[10222044] 经过初等变化
即Ux=0,于是有s1=⎡⎣⎢⎢⎢0−201⎤⎦⎥⎥⎥,s2=⎡⎣⎢⎢⎢−2010⎤⎦⎥⎥⎥;
因此N(A)=C⎛⎝⎜⎜⎜⎡⎣⎢⎢⎢0−201⎤⎦⎥⎥⎥,⎡⎣⎢⎢⎢−2010⎤⎦⎥⎥⎥⎞⎠⎟⎟⎟,是R4 的子空间。


(2) 行空间:N(A)是Rn (not Rm) 的子空间。

待续。。。

posted @ 2017-08-16 11:01  弘一  阅读(1419)  评论(0)    收藏  举报