转置-置换-向量空间R

首先是置换(Permutation),前面的A=LU分解中消元都是假设没有行交换,但是有时为了防止主元为0,行交换总是不可避免的,所以如果存在行交换,那么上一篇中的A=LU就变成了PA=LU(A是可逆阵)。对于n*n的矩阵,其所有可能的置换阵个数为n!(包括置换其中2行,3行…n行),而且所有这些置换阵都是可逆阵,因为各行还原后就可以得到单位阵,而且其逆矩阵与其转置相等,所以这是一类不常见但很重要的矩阵,以3*3的矩阵为例,首先是单位阵I,虽然其不作任何置换,但也将其归入置换阵,然后是交换两行的置换阵


最后是交换所有3行的置换阵 ,总共是6个置换阵。

对于转置(transpose),大家都比较容易理解,在转置里面有一种性质很好的特殊矩阵,它应用很广,那就是对称矩阵(symmetric matrix),上面我们曾提到其逆等于其转置的矩阵很稀少,但是对称阵相对就比较常见了,我们甚至可轻易的用任意一个矩阵构造出对称矩阵。

比如矩阵A= ,其对称阵AT= ,两个都不是对称阵,但只要将这两个矩阵相乘就可得到一个对称阵,这个结论不仅仅适用于矩阵A,对所有的矩阵R,其转置乘以本身都是对称的,因为(RTR)T =RT(RT)T= RTR ,这个性质在实际应用中使用的很多。

接下来简单介绍一下什么是向量空间(space of vectors)和子空间(subspace)。

向量可以进行的两个基本操作为相加和数乘,并不是任意向量的组合都能称为空间,向量空间必须对向量的加法和数乘具有封闭性,即向量空间中任意两个向量的线性组合结果必须还在这个空间。很明显我们常见的R2是(R表示该空间中的向量都是实数表示,2表示每个向量由两个实数表示)向量空间,因为R2中包含了所有2维向量,同理R3 …Rn也是向量空间。所有向量空间都必须包括零向量,因为数乘中允许用0乘以向量,而0数乘任何向量等于零向量。

虽然Rn是很重要的向量空间,但是毕竟其包含了所有的向量,因此在实际使用中我们更关心的是包含在R2里面的那些向量空间,这些空间满足既定规则,但又无需包含所有向量,这些空间就称为Rn的子空间,例如R2的子空间有:R2本身(本身也算其子空间),一系列过原点且两端无线延长的直线,单独的零向量。同理,R3有4个子空间:R3本身,过原点的平面,过原点的直线以及单独的零向量。

对于矩阵,我们可以选取其各个列构造向量空间,下面选取某个矩阵,如A= ,A中的向量都是R3中的向量,用这些列来构造R3的子空间,则这两个向量的所有线性组合构成了一个子空间,我们称之为列空间,记作C(A),C表示Column。

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