方程組的幾何解釋

攻讀鑑於之前MIT的線代筆記沒有跟新完和很多童鞋希望pdf版本下載學習,這裡我把相關資源放到github上並重新更新完,希望對大家學習有所幫助。

pdf下載地址與Github地址:

https://github.com/yizhen20133868/MIT-Linear-Algebra-Notes

如有幫助,歡迎大家給個Star!!

該筆記總結了我們在學習MIT線性代數課程的學習經驗和過程。

課程順序是按照麻省理工公開課的 Linear Algebra. 記錄的學習筆記。

丁坤博 東北大學本科生,推免至北京大學攻讀碩士

覃立波 哈爾濱工業大學SCIR實驗室在讀博士生,導師車萬翔老師

一、知識概要

本節開始,我們一起來學習線性代數的有關知識,首節我們從解方程談起,學 習線性代數的應用之一就是求解複雜方程問題,本節核心之一即為從行圖像與列 圖像的角度解方程。

二.方程組的幾何解釋基礎

2.1 二維的行圖像

我們首先通過一個例子來從行圖像角度求解方程:

方程組的幾何解釋

係數矩陣(A):將方程係數按行提取出來,構成一個矩陣

未知向量(x):將方程未知數提取出來,按列構成一個向量。

向量(b) :將等號右側結果按列提取,構成一個向量

接下來我們通過行圖像來求解這個方程:

所謂行圖像,就是在係數矩陣上,一次取一行構成方程,在座標系上作圖。

和我們在初等數學中學習的作圖求解方程的過程無異。

方程組的幾何解釋

2.2 二維的列圖像

方程組的幾何解釋

接下來我們使用列圖像求解此方程:

方程組的幾何解釋

即尋找合適的 x,y 使得 x 倍的(2,-1) + y 倍的(-1,2)得到最終的向量(0,3)。在很 明顯能看出來,1 倍(2,-1) + 2 倍(-1,2)即滿足條件。反映在圖像上,明顯結果正確。

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三.方程組的幾何解釋推廣

3.1 高維行圖像

方程組的幾何解釋

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如果繪製行圖像,很明顯這是一個三個平面相交得到一點,我們想直接看出 這個點的性質可謂是難上加難,比較靠譜的思路是先聯立其中兩個平面,使其相 交於一條直線,在研究這條直線與平面相交於哪個點,最後得到點座標即為方程 的解。

這個求解過程對於三維來說或許還算合理,那四維呢?五維甚至更高維數 呢?直觀上很難直接繪製更高維數的圖像,這種行圖像受到的限制也越來越多。

3.2 高維列圖像

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左側是線性組合,右側是合適的線性組合組成的結果,這樣一來思路就清晰多 了,“尋找線性組合”成為了解題關鍵。

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很明顯這道題是一個特例,我們只需要取 x = 0,y = 0,z = 1。就得到了結 果,這在行圖像之中並不明顯。

當然,之所以我們更推薦使用列圖像求解方程, 是因為這是一種更系統的求解方法,即尋找線性組合,而不用繪製每個行方程的 圖像之後尋找那個很難看出來的點。

另外一個優勢在於,如果我們改變最後的結果 b,例如本題中,

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那麼我們 2 −1 1 0 −3 4 −3 就重新尋找一個線性組合就夠了,但是如果我們使用的是行圖像呢?那意味著我 們要完全重畫三個平面圖像,就簡便性來講,兩種方法高下立判。

另外,還要注意的一點是對任意的 b 是不是都能求解 Ax = b 這個矩陣方程呢?也就是對 3*3 的係數矩陣 A,其列的線性組合是不是都可以覆蓋整個三維空間呢?對於我們舉的這個例子來說,一定可以,還有我們上面 2*2 的那個例子,也可以 覆蓋整個平面,但是有一些矩陣就是不行的,比如三個列向量本身就構成了一個 平面,那麼這樣的三個向量組合成的向量只能活動在這個平面上,肯定無法覆蓋 2 −1 1 一個三維空間,

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這三個向量就構

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3.3 矩陣乘法

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四、學習感悟

這部分內容是對線性代數概念的初涉,從解方程談起,引進列空間的概念,可 以發現從列空間角度將求解方程變化為求列向量的線性組合,這個方式更加科學。介紹了矩陣乘法,這部分內容重在理解。


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