矩阵的相似推导及其意义

前言

  这篇文章从上一篇文章李宏毅《Linear Algebra》学习笔记中单摘出来的一部分,由于上一篇篇幅较长,所以单拿出来记录在这里。
  本文从坐标系 → 函数在不同坐标系的不同表示 来引入similar(相似)的概念。

正文

1.Coordinate System(坐标系)

坐标系就相当于基准,便于将一个向量变得有意义,同一个向量在不同的基准下表示的内容自然不同。
拿下图举例,在左图中表示为 [ 8    4 ] [8\ \ 4] [8  4]的向量,在右图的坐标系中却被表示为 [ 6    − 2 ] [6\ \ -2] [6  2].
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满足下面两条的向量才可以被作为一个坐标系的基准

  1. 此向量组 B \mathcal{B} B 张成 R n R^n Rn
  2. 此向量组线性无关

将这两个条件结合在一起,不难发现这其实就是子空间的基的定义。因此,子空间的基就是子空间的坐标系的基准。

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之所以使用子空间的基作为坐标系的基准,是因为这样才能保证每个向量都有唯一的表示方法。
证明:
假设对每个向量都有两个不同的表示方法,那么将这两种不同的表示方法代入得出的结果应该是相等的,又因为基 B \mathcal B B是线性无关的,当且仅当 a n = b n a_n=b_n an=bn时成立,因此不存在两种不同的表示。也就是以basis作为基准的坐标系中,每个向量只存在唯一的表示方法。
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B B B为子空间的基, [ v ] B [v]_{\mathcal{B}} [v]B为笛卡尔坐标系下的 v v v 向量在其他坐标系 B \mathcal{B} B 下的表示。
笛卡尔坐标系与其他坐标系间的转换

(1)其他坐标系 → 直角坐标系: v = B [ v ] B v=B[v]_{\mathcal{B}} v=B[v]B

(2)直角坐标系 → 其他坐标系: [ v ] B = B − 1 v [v]_{\mathcal{B}}=B^{-1}v [v]B=B1v

可以这样类比理解:
k k k位的 N N N进制转化为十进制需要从低位开始依次用系数乘以 N k N^k Nk
又因为基 B \mathcal B B 一定线性无关,所以可以用与矩阵的逆相乘的方式求出反向的解。

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2.similar(相似)

这里是以坐标系的变换来引入“相似”这个概念的。
假设在笛卡尔坐标系中的一个点 [ x 1   x 2 ] [x_1\ x_2] [x1 x2],经过一条已知直线 L \boldsymbol L L 的翻转对应的点为 T ( [ x 1   x 2 ] ) T([x_1\ x_2]) T([x1 x2]),求翻转的线性关系(一个矩阵)。
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  对于求一个点关于直线 L \boldsymbol L L 翻转的线性关系,由于这条直线并非 x x x轴或者 y y y轴,因此翻转对应的线性关系很难得出。
  假设我们以 x x x 轴为镜面进行翻转,线性关系是很容易得到的。 因为笛卡尔坐标系可以理解为是二维的单位矩阵: [ 1 0 0 1 ] \begin{bmatrix} 1& 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} [1001];翻转后,相当于 x x x轴元素不变, y y y轴变为 − y -y y,因此线性关系可以表示为: T = [ 1 0 0 − 1 ] T=\begin{bmatrix}1&0\\0&-1\end{bmatrix} T=[1001].

基于这种思想,可以利用上一小节学到的知识,通过变换坐标系的方法来求解关系 T T T

  1. 将直线 L \boldsymbol L L 作为新的坐标系的 x x x轴,取与之垂直向上的向量作为 y y y轴,建立新坐标系。
  2. 新坐标系下,翻转关系 [ T ] B = [ 1 0 0 − 1 ] [T]_{\boldsymbol B}=\begin{bmatrix}1&0\\0&-1\end{bmatrix} [T]B=[1001]
  3. 根据新坐标系下的 [ T ] B [T]_{\boldsymbol B} [T]B,求出笛卡尔坐标系的 T T T.

那么,笛卡尔坐标系下的 T T T 应该怎么求呢?下面是分析过程:
  对照下面的图,位于下方的是笛卡尔坐标系,位于上方的是 B \boldsymbol B B坐标系,笛卡尔坐标系中的 v v v 通过关系 [ T ] [T] [T] 变为输出结果 T ( v ) T(v) T(v).
  对于其他坐标系,在上一小节提到过二者的变换关系,即: [ v ] B = B − 1 v [v]_{\boldsymbol B}={\boldsymbol B}^{-1}v [v]B=B1v,根据这个变换关系,进而求得笛卡尔坐标系到其他坐标系的函数变换。

事实上, v → T ( v ) v→T(v) vT(v) v → [ v ] B → [ T ( v ) ] B → T ( v ) v→[v]_{\boldsymbol B}→[T(v)]_{\boldsymbol B}→T(v) v[v]B[T(v)]BT(v) 是殊途同归的,因此, [ T ] [T] [T]可以表示为:
[ T ] = B − 1 [ T ] B B [T]={\boldsymbol B}^{-1}[T]_{\boldsymbol B}{\boldsymbol B} [T]=B1[T]BB写成一般情况也就是:
[ T ] B = B − 1 A B [T]_{\boldsymbol B}={\boldsymbol B}^{-1}{\boldsymbol A}{\boldsymbol B} [T]B=B1AB  不难发现, [ T ] B [T]_{\boldsymbol B} [T]B [ T ] [T] [T] 虽然所处的坐标系不同,但是它们想要实现的作用是相同的——参考上面的例子,二者均实现翻转的功能。对于这样的变换 [ T ] [T] [T] [ T ] B [T]_{\boldsymbol B} [T]B,就将它们叫做相似(similar)。
  简单地说,一个用来表示某线性变换的矩阵,它的相似矩阵也就是此线性关系在另一个新坐标系中的表示。
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