本文的理论知识基于系列视频: 线性代数的本质。侵删
阅读本文需要的前置知识:
假 设 A = [ 1 0 0 0 1 0 0 0 0 ] 假设A = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix} 假设A=⎣⎡100010000⎦⎤
假 设 x = [ 1 2 0 ] 假设 x = \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 0 \\ \end{bmatrix} 假设x=⎣⎡120⎦⎤
将三维空间中的向量x做线性变换。
A 的 线 性 变 换 是 一 个 不 可 逆 变 换 = > 发 生 了 降 维 = > A 不 满 秩 A的线性变换是一个不可逆变换 => 发生了降维 => A不满秩 A的线性变换是一个不可逆变换=>发生了降维=>A不满秩
某 一 个 直 线 上 的 所 有 向 量 被 压 缩 到 了 零 点 : 某一个直线上的所有向量被压缩到了零点: 某一个直线上的所有向量被压缩到了零点:
所以此时降维的A变换,作用于某一个直线上的所有向量,都会被压缩到零点,只要我们规定一个标量,x的取值是无限的。也就是此时x有无穷个解。如何写出标量,就是另外一个话题了
无穷个解分布在一条直线上,则只用一个基础解系就能表示这无穷个解,
可 记 为 x = k ξ 可记为 x = k ξ 可记为x=kξ
会 有 一 个 平 面 的 向 量 被 压 缩 到 了 原 点 会有一个平面的向量被压缩到了原点 会有一个平面的向量被压缩到了原点
同理,任取这个平面上的两个线性无关的向量可以组成一个基础解系,表示所有x。
可 记 为 x = k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 可记为 x = k1 ξ1 + k2 ξ2 可记为x=k1ξ1+k2ξ2
零空间定义在线性变换前的某一个空间,这个空间内的所有向量经过A的线性变化后,所有零空间的向量都会压缩至零点,所有线性变化都有零空间,对于三阶矩阵:
可逆矩阵:零空间为零点
秩为2的矩阵,零空间为直线
秩为1的矩阵,零空间为一个平面
惊奇的发现 三阶矩阵Ax=0基础解系所构成的 直线
或 平面
就是零空间
假 设 A = [ 1 0 0 0 1 0 0 0 0 ] 假设A = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix} 假设A=⎣⎡100010000⎦⎤
有唯一解,没有产生降维,向量x经过线性变换唯一确认成向量b。此时线性变换A张成在整个三维空间,b也在A张成的空间中,即b能被A中的向量表示,即A和b组成的向量组线性无关, 所以R(A | b) = n
线 性 变 换 A 一 定 是 可 逆 线性变换A一定是可逆 线性变换A一定是可逆 = > R ( A ) 满 秩 => R(A) 满秩 =>R(A)满秩 = > R ( A ) = R ( A ∣ b ) = n => R(A) = R(A | b) = n =>R(A)=R(A∣b)=n
A不可逆,线性变化产生降维。经过线性变换A, 矩阵的空间中全部向量张成在一条直线(R = 1)或者一个平面(R = 2)内。 对于方程是否有解的情况,主要取决于目标向量b是否在矩阵张成的空间中。如何检验b是否在矩阵张成的空间呢: 使 用 线 性 相 关 无 关 的 定 义 = > 用 R ( A ∣ b ) = ? = R ( A ) 判 断 使用线性相关无关的定义 => 用R(A|b) =?= R(A)判断 使用线性相关无关的定义=>用R(A∣b)=?=R(A)判断
线 性 变 化 A 一 定 不 可 逆 线性变化A一定不可逆 线性变化A一定不可逆 = > R ( A ) < R ( A ∣ b ) =>R(A) < R(A|b) =>R(A)<R(A∣b)
A x = b 有 解 { ξ ∗ + ( A x = 0 的 基 础 解 系 ) 有 无 穷 解 ξ 有 唯 一 解 Ax = b 有解 \begin{cases} ξ^* + (Ax=0的基础解系) &\text{} 有无穷解 \\ ξ &\text{} 有唯一解 \end{cases} Ax=b有解{ξ∗+(Ax=0的基础解系)ξ有无穷解有唯一解
特 解 ξ ∗ 可 以 举 出 很 多 个 , 因 为 线 性 变 换 降 维 , 则 b 可 以 映 射 多 个 x , 如 图 : 特解 ξ^* 可以举出很多个,因为线性变换降维,则b可以映射多个x,如图: 特解ξ∗可以举出很多个,因为线性变换降维,则b可以映射多个x,如图:
零空间,也就是Ax=0 基础解系张成的空间。
x = k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 x = k1 ξ1 + k2 ξ2 x=k1ξ1+k2ξ2
x = ξ ∗ + k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 x =ξ^* + k1 ξ1 + k2 ξ2 x=ξ∗+k1ξ1+k2ξ2
与常微分方程(考研的另外一个考点)不同,线代Ax=b 可以代表所有解
假 设 A = [ 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ] 假设A = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix} 假设A=⎣⎡100010001⎦⎤
已 知 A 矩 阵 可 以 表 示 为 x = k 1 [ 1 0 0 ] + k 2 [ 0 1 0 ] + k 3 [ 0 0 1 ] = > 整 个 三 维 空 间 的 向 量 已知A 矩阵可以表示为 x = k1 \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ \end{bmatrix} + k2 \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \\ \end{bmatrix} +k3 \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ \end{bmatrix} => 整个三维空间的向量 已知A矩阵可以表示为x=k1⎣⎡100⎦⎤+k2⎣⎡010⎦⎤+k3⎣⎡001⎦⎤=>整个三维空间的向量
A x = b 的 通 解 结 构 x = ξ ∗ + k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 = > 一 个 三 维 受 限 空 间 Ax = b 的通解结构 x =ξ^* + k1 ξ1 + k2 ξ2 => 一个三维受限空间 Ax=b的通解结构x=ξ∗+k1ξ1+k2ξ2=>一个三维受限空间
Ax = b 的基础解系是可以表示所有的解,这些解都在一个受限三维空间里,并不影响通解的无数种表达方式。就好像积分区域无限细分,f(ξ)取值是无穷的,但是积分区域是受限的
如 果 ξ ∗ 和 ξ 1 , ξ 2 线 性 相 关 如果 ξ^* 和 ξ1,ξ2 线性相关 如果ξ∗和ξ1,ξ2线性相关 = > ξ ∗ , ξ 1 , ξ 2 都 在 同 一 个 零 空 间 中 => ξ^*, ξ1,ξ2 都在同一个零空间中 =>ξ∗,ξ1,ξ2都在同一个零空间中 = > ξ ∗ , ξ 1 , ξ 2 经 过 线 性 变 换 会 压 缩 到 零 点 => ξ^*, ξ1,ξ2 经过线性变换会压缩到零点 =>ξ∗,ξ1,ξ2经过线性变换会压缩到零点 = > A x = b 无 解 , 与 A x = b 有 无 穷 个 解 相 悖 => Ax = b 无解,与Ax = b有无穷个解相悖 =>Ax=b无解,与Ax=b有无穷个解相悖 = > ξ ∗ 和 ξ 1 , ξ 2 线 性 无 关 => ξ^* 和 ξ1,ξ2 线性无关 =>ξ∗和ξ1,ξ2线性无关
先给出数学上的定义(摘至百度),后文再归纳一下具体的几何意义
最简单的情况:n个平行向量组成一个向量组时,我们说这n个向量线性相关。
稍微复杂点的情况:向量组α1 α2 α3 ....... αn
任意存在一对平行的向量,则该向量组线性相关。
兼容一维
一维空间中线性相关的向量组,在二维空间中同样成立
二维独有特性:
从一维推广而来,如果存在向量α
和 β
不平行,则这两个向量线性无关。同时,这两个向量可以张成为一个平面σ
。任意落在平面σ
的向量γ
与α 和 β
线性相关。若γ
未落在平面σ
上,三者线性无关,且三者能张成为一个三维空间。
线性相关是一个整体的概念。我们不能说某一个向量线性无关,我们仅能描述向量组中的向量是否线性相关。