线性代数之矩阵

矩阵

数学中的矩阵是指方括号扩起来的一组数据,如下

矩阵

通常我们用维数来描述矩阵行数和列数,如上例就是一个2x2维的矩阵,

2x2维矩阵

我们用中括号或者下标来表示对应位置的数值,如下:

表示第一行第二列的数值

矩阵的加法和减法

先看一个例子:

矩阵A+矩阵B

矩阵的加法就是对应位置的数值相加,比如A[1, 1] + B[1,1] = 1 +2 = 3,相加的结果作为新矩阵同样位置的数值。相减同样道理不再赘述。
需要注意的是,相加和相减运算的两个矩阵需要保证维数相同,本例中它们都是2x3维的矩阵

矩阵的乘法

矩阵的乘法不像加法理解起来那么直观,而且乘法的两个矩阵是有顺序的,还是先看例子:

AxB

计算过程如下:
1,取出矩阵A的第一行得到一个行向量,即[1, 2, 3]
2,取出矩阵B的第一列得到一个列向量,即[2, 3, -1]
3,让这两个向量的对应位置的值相乘,然后求和,即1x2 + 2x3 + 3x(-1),结果为5,这个值作为结果矩阵[1, 1]位置的值。
4,以此类推,计算出其它位置的值。

注意:从计算过程我们可以看出要想两个矩阵相乘,必须满足前一个矩阵(这里是A)的列数等于后一个矩阵(这里是B)的行数,A是一个2x3矩阵,B是一个3x2矩阵,最后得出是2x2矩阵(A的行数xB的列数)。从计算过程我们也可以知道AxB和BxA结果是不同的,所以矩阵的乘法是有顺序的,这一点跟跟普通的数字相乘不同,需要注意。

矩阵的逆

在讲矩阵的逆之前,我们先要了解方阵单位矩阵的概念。
方阵是指行数和列数相等的矩阵,顾名思义就是方的。假设我们有如下方阵:

方阵A

单位矩阵是指如下形式的矩阵形式:

单位矩阵

假设我们用I来表示单位矩阵,单位矩阵可以使得AxI = IxA = A,即如下:

单位矩阵公式

假设存在另一个矩阵与矩阵A相乘可以得到单位矩阵,我们就称它们互为逆矩阵,如下:

逆矩阵

那么我们如何可以得到某一个矩阵的逆矩阵呢?在解答这个问题之前,我们再引入一个概念叫做行列式(determinant),假设有一个矩阵A,那么A的行列式记作|A|,我们以二阶行列式(二维)为例,计算方法如下:

二阶行列式计算

关于高阶行列式的计算会相对复杂,主要涉及余子式概念(minors),感兴趣的同学可以自己搜索下。
这里我们以二阶为例来说明如何计算逆矩阵,以上图中的A矩阵为例,其逆矩阵计算方法如下:

逆矩阵计算

图中的矩阵我们叫作A的伴随矩阵(adjugate of matrix A),可以记作adj(A),关于高阶伴随矩阵如何计算,将在以后的文章中再继续讨论,现在需要知道的就是A的逆矩阵可以通过如下公式计算:

逆矩阵计算

下面我们来看一个实际的例子

逆矩阵计算过程

感兴趣的同学可以验证下是否A和A的逆矩阵相乘为单位矩阵。本次关于矩阵的一些基本概念先介绍到这,后续会再进一步介绍高阶矩阵的相关计算过程。

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