線性代數(shù)學(xué)習(xí)總結(jié)-矩陣求解

線性方程的row picture和column picture

對(duì)于一個(gè)二維具有2個(gè)未知數(shù)或者三維的具有3個(gè)未知數(shù)的的線性方程

x - 2y = 1
3x + 2y = 11

求解未知數(shù)妙真。
用二維的例子來說明,很簡(jiǎn)單荚守,小學(xué)都學(xué)過的課程珍德,2個(gè)方程代表兩條直線,相交的點(diǎn)就是解(row pic)矗漾。


row pic

那么將方程式用線性組合的方式表示呢锈候?

x\begin{bmatrix}1\\3\end{bmatrix} + y\begin{bmatrix}-2\\2\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}1\\11\end{bmatrix} = b

最終的解就是滿足得到向量b的乘數(shù)因子。(col pic)


column pic

以上推廣到三維的話敞贡,對(duì)于row pic而言泵琳,可能是平面與直線的交點(diǎn)為解,對(duì)于col pic而言誊役,解則是滿足目標(biāo)向量的三個(gè)向量的乘數(shù)因子获列。更高維的以此類推。

消元

這是小學(xué)就學(xué)過的東西蛔垢。消元的目的是將原來的矩陣A變?yōu)樯先蔷仃?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=U" alt="U" mathimg="1">击孩,右邊同樣變化,最終通過回代逐個(gè)解出未知數(shù)鹏漆。

Before x-2y=1\\3x+2y=11Afterx-2y=1\\8y=8

對(duì)角上的非0元素稱為主元巩梢。
如果主元位置上的元素為0怎么辦?通過行置換艺玲,并不會(huì)改變矩陣的性質(zhì)括蝠。如果始終存在為0的元素,則可能出現(xiàn)無解或者是很多解的情況饭聚。

0x = n
(n = 0很多解\quad n\neq 0則無解 )

Guass-Jordan消元求逆

假設(shè)矩陣A可逆忌警,Guass-Jordan消元求逆基于如下公式

\begin{bmatrix}A &I\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}I & A^{-1}\end{bmatrix}

經(jīng)過變換,將原矩陣變?yōu)閱挝痪仃?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=I" alt="I" mathimg="1">秒梳,而原單位矩陣I同步變換法绵,最終變?yōu)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=A" alt="A" mathimg="1">的逆矩陣A^{-1}

A = LU

關(guān)于消元,如果我們用矩陣記錄下來每一次的消元端幼、交換步驟礼烈,再用他們的逆矩陣相乘,則會(huì)得到一個(gè)很有意思的結(jié)果婆跑。A=LU

例如A=\begin{bmatrix}2 &1 & 0\\1 & 2 & 1\\0 & 1 & 2\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}1 &0 & 0\\\frac{1}{2} & 1 & 0\\0 & \frac{2}{3} & 1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}2 &1 & 0\\0 &\frac{3}{2} & 0\\0 & 0 & \frac{4}{3} \end{bmatrix} = LU
步驟
首先是IA = A
row(2)減去\frac{1}{2}row(1)消去第一個(gè)元素此熬,對(duì)應(yīng)的消元矩陣為E_{21}=\begin{bmatrix}1&0&0\\-\frac{1}{2}&1&0\\0&0&1\end{bmatrix} 且 \quad A=\begin{bmatrix}2&1&0\\0&\frac{3}{2}&1\\0&1&2\end{bmatrix}
row(3)減去\frac{2}{3}row(2)消去第二個(gè)元素,對(duì)應(yīng)的消元矩陣為E_{32}=\begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&-\frac{2}{3}&1\end{bmatrix} 且\quad A =\begin{bmatrix}2&1&0\\0&\frac{3}{2}&1\\0&0&\frac{4}{3}\end{bmatrix}
那么我們實(shí)際可以得到EA=(E_{32}E_{21})A=U\quad有\(zhòng)quad E^{-1}EA=E^{-1}U \quad 即\quad E^{-1} = L
E_{21}^{-1}與E_{32}^{-1}相乘的結(jié)果就是E^{-1}了,記住順序要相反哦
L=E^{-1}=(E_{21}^{-1}E_{32}^{-1})=\begin{bmatrix}1 &0 & 0\\\frac{1}{2} & 1 & 0\\0 & \frac{2}{3} & 1\end{bmatrix}

這節(jié)基本上都是關(guān)于矩陣運(yùn)算的相關(guān)內(nèi)容犀忱,沒有太多概念性的東西募谎。

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