回顾

通过上一章,大家应该对点乘,叉乘和行列式的数学和几何含义已经非常了解,知道如何去表示一个平面,这里是传送门,不熟悉的内容可以去恶补一下,这一章会多次的使用这些概念:

五分钟MIT公开课-多元微积分:向量,行列式和平面


为什么要使用矩阵,使用矩阵的动机是什么

在生活中,我们接触的很多东西都是线性的,或者需要简化成线性的。多个等式的联立得到的就是矩阵了。联立方程就是矩阵乘法。

Matrix Multiplication 矩阵乘法

举个熟悉的鸡兔同笼的问题. 鸡和兔共有 a 只,共有脚 b 个,用矩阵的思想去表述这个问题。

假设有鸡x只,兔y只

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(1)

用矩阵乘法表示:

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(2)

通用的数学符号表达方式为:

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(3)

AB的乘积代表先做变换B再做变换A。我们习惯从左往右,但是矩阵计算是从右往左。直观的解释就是如果有两个连续的方程 f(g(x)) ,先要计算 g(x), 再计算 f(x)。

矩阵的结合律(associativity)

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(4)

补充

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(5)

Identity matrix 单位矩阵

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(6)

单位矩阵即对角全为一的矩阵。是一种“可有可无”的矩阵,单位矩阵的变换叫做恒等变换。

在平面上,做90度逆时针旋转的变换

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(7)

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(8)

变换矩阵的每一列说明了对要变换的对象进行什么操作。

R的第一列就是对第一个基向量做R变换的结果,第二列是对第二个基向量做R变换后的结果。

最有意思的是,通过矩阵计算大大简化了需要用公式计算的计算量,如果考虑连续做两次90度逆时针变换:

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(9)

Matrix Inverses 逆矩阵

如果定义A的逆矩阵为M,则有

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(10)

这里A需要是 n×n的方阵,如果不是方阵的情况不在这里讨论。

对线性系统 AX=B的解可以使用逆矩阵。等式两边同时乘A的逆矩阵

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(11)

公式(适合小矩阵)

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(12)

adj(adjoint)是 伴随矩阵

步骤(3*3矩阵)

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(13)

1.首先要做的是,是找一个叫 余子式(minors) 的东西。

余子式是去除了一些元素的行列式。要找到A矩阵一行一列的余子式,去掉这个元素所在的行和列,计算剩余部分的行列式,即

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(14)

得到矩阵A的余子式:

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(15)

2.找到另外一个矩阵,叫做 代数余子式(cofactors)

代数余子式就是给余子式加上符号。根据棋盘图所示, 表示保留余子式值,-表示反转余子式的值。顺便一提,棋盘法可以同样用来做叉乘的符号判定。

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(16)

得到代数余子式:

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(17)

3.转置(transpose),得到伴随矩阵

行列互换

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(18)

4.除以行列式

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(19)

Equations of planes 平面的方程再探

之前学习点积的时候就知道如何去检测正交或者垂直。平面的公式是:

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(20)

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(21)

第一种情况,平面过原点,知道法向量 N=⟨1,5,10⟩ , 对于在平面上的点 P(x,y,z) , 有

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(22)

第二种情况,同样的法向量,平面过 P0(2,1,−1)

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(23)

总结下两种情况下的特点:

  • 不同情况等式右边常数项不同

  • 常数项是平面的平移距离的一个表示

  • 等式左边的系数刚好和法向量对应

一个有意思的事情是,这里又和叉乘联系起来了。平面方程的系数就是法向量,如何得到法向量呢?叉乘。 点乘,平面,叉乘就这么在一起了。

举个例子:向量 v=⟨1,2,−1⟩和平面方程 x y 3z=5是什么关系?

快速确定平面方程的法向量,发现和已知向量不成比例,但是点积为0,说明向量垂直于法向量,所以和平面是平行的。如果把平面移到原点,如果向量和平面平行,向量的末端就在被移动到原点的平面上。

Linear Systems and Planes 线性系统和平面

线性方程组的几何意义。

线性方程组,对于三纬空间来说(3*3线性方程组),方程组的每一个方程决定一个平面。解方程组的本质就是找平面的交点。

一般会有这三种情况:

三条交线交于一点:有唯一解

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(24)

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(25)

平面交线平行:没有解,条件矛盾,无法同时满足

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(26)

平面交线重叠:有无数解,条件不足

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(27)

讨论下平面方程关于常数项d,d的数值并不是平移的距离,常数项除以法向量的长度才是平面到原点的距离。

将这个问题回归到从代数上,矩阵不一定能够求逆是因为行列式有可能为0(矩阵的求逆公式)。所以,矩阵的行列式不为0,矩阵可求逆,方程组有解。

行列式不为0是三个平面有唯一交点的情况,行列式为0是交线平行的情况。

Solutions to Square Systems 方阵系统的解

这一节从另一个角度去认识行列式为0,为什么方程会没有解。

有一种方程组叫做 齐次方程组(homogeneous systems), 特点是常数项全部为0。方程组各项次数整齐,在数乘运算下不变。

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(28)

齐次方程总是存在一个平凡解(trivial solution),即原点。几何学表示三个平面都过原点。

第一种情况,A的行列式不为0

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(29)

原点是唯一解。

第二种情况,A的行列式为0

我们知道A中的项是方程组的系数,而方程组的系数又是平面的法向量。行列式为0,说明三个平面的法向量的行列式为0:

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(30)

这就意味着三个法向量共面(coplanar)(参考上一章)。用这三个法向量围成了一个不占任何体积的平行六面体。

证明有无穷多解:

存在一条垂直于三个法向量所在平面且过原点的直线,平行于三个平面,而且现在面上,所以存在无穷多解。

如何求出这些解:

对法向量做叉乘,这就是方程的非平凡解(nontrivial solution)


如果是一般情况,系统不再是齐次方程。

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(31)

if det(A)≠0

微积分基本定理教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(32)

if det(A)=0 无解或无穷多解

,