最原始出處：http://blog.csdn.net/myan/article/details/647511 （CSDN孟巖的博客）

本文轉(zhuǎn)自：http://www.fuqingchuan.com/2015/04/889.html

非常精彩的文章垂谢，對(duì)直觀理解矩陣的本質(zhì)很有幫助禁偎，文章標(biāo)題叫做矩陣的本質(zhì)可能更合適馅闽。

編者按：想要機(jī)器學(xué)習(xí)，線性代數(shù)必要先行软舌，至于為何，不如看看這篇文章绞铃，肯定會(huì)有所啟發(fā)的。
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同時(shí)推薦他的兩本教 材（號(hào)稱北美最流行）：《Introduction to Linear Algebra》, 4th Edition by Gilbert Strang, 《Linear Algebra and Its Applications》, 4th Edition by Gilbert Strang

線性代數(shù)課程，無(wú)論你從行列式入手還是直接從矩陣入手委造，從一開始就充斥著莫名其妙戳鹅。

比如說(shuō)，在全國(guó)一般工科院系教學(xué)中應(yīng)用最廣泛的同濟(jì)線性代數(shù)教材（現(xiàn)在到了第四版）昏兆，一上來(lái)就介紹逆序數(shù)這個(gè)古怪概念枫虏，然后用逆序數(shù)給出行列式的一 個(gè)極不直觀的定義，接著是一些簡(jiǎn)直犯傻的行列式性質(zhì)和習(xí)題——把這行乘一個(gè)系數(shù)加到另一行上爬虱，再把那一列減過(guò)來(lái)隶债，折騰得那叫一個(gè)熱鬧，可就是壓根看不出這 個(gè)東西有嘛用跑筝。

大多數(shù)像我一樣資質(zhì)平庸的學(xué)生到這里就有點(diǎn)犯暈：連這是個(gè)什么東西都模模糊糊的死讹，就開始鉆火圈表演了，這未免太無(wú)厘頭了吧曲梗！于是開始有人逃課赞警，更多 的人開始抄作業(yè)。這下就中招了虏两，因?yàn)槠浜蟮陌l(fā)展可以用一句峰回路轉(zhuǎn)來(lái)形容愧旦，緊跟著這個(gè)無(wú)厘頭的行列式的，是一個(gè)同樣無(wú)厘頭但是偉大的無(wú)以復(fù)加的家伙的出場(chǎng) ——矩陣來(lái)了定罢！多年之后忘瓦，我才明白，當(dāng)老師犯傻似地用中括號(hào)把一堆傻了吧嘰的數(shù)括起來(lái)引颈，并且不緊不慢地說(shuō)：“這個(gè)東西叫做矩陣”的時(shí)候，我的數(shù)學(xué)生涯掀開 了何等悲壯辛酸境蜕、慘絕人寰的一幕蝙场！自那以后，在幾乎所有跟“學(xué)問(wèn)”二字稍微沾點(diǎn)邊的東西里粱年，矩陣這個(gè)家伙從不缺席售滤。對(duì)于我這個(gè)沒能一次搞定線性代數(shù)的笨蛋來(lái)說(shuō)，矩陣?yán)洗蟮牟徽?qǐng)自來(lái)每每搞得我灰頭土臉台诗，頭破血流完箩。長(zhǎng)期以來(lái)，我在閱讀中一見矩陣拉队，就如同阿Q見到了假洋鬼子弊知，揉揉額角就繞道走。

事實(shí)上粱快，我并不是特例秩彤。一般工科學(xué)生初學(xué)線性代數(shù)叔扼，通常都會(huì)感到困難。這種情形在國(guó)內(nèi)外皆然漫雷。瑞典數(shù)學(xué)家Lars Garding在其名著Encounter with Mathematics中說(shuō)：“如果不熟悉線性代數(shù)的概念瓜富，要去學(xué)習(xí)自然科學(xué)，現(xiàn)在看來(lái)就和文盲差不多降盹。然而“按照現(xiàn)行的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)与柑，線性代數(shù)是通過(guò)公理化來(lái)表述的，它是第二代數(shù)學(xué)模型蓄坏，這就帶來(lái)了教學(xué)上的困難价捧。”事實(shí)上剑辫，當(dāng)我們開始學(xué)習(xí)線性代數(shù)的時(shí)候干旧，不知不覺就進(jìn)入了“第二代數(shù)學(xué)模型”的范疇當(dāng)中，這意味著數(shù)學(xué)的表述方式和抽象性有了一次全面的進(jìn)化妹蔽，對(duì)于從小一直在“第一代數(shù)學(xué)模型”椎眯，即以實(shí)用為導(dǎo)向的、具體的數(shù)學(xué)模型中學(xué)習(xí)的我們來(lái)說(shuō)胳岂，在沒有并明確告知的情況下進(jìn)行如此劇烈的paradigm shift编整，不感到困難才是奇怪的。

大部分工科學(xué)生乳丰，往往是在學(xué)習(xí)了一些后繼課程掌测，如數(shù)值分析、數(shù)學(xué)規(guī)劃产园、矩陣論之后汞斧，才逐漸能夠理解和熟練運(yùn)用線性代數(shù)。即便如此什燕，不少人即使能夠很熟練地以線性代數(shù)為工具進(jìn)行科研和應(yīng)用工作粘勒，但對(duì)于很多這門課程的初學(xué)者提出的、看上去是很基礎(chǔ)的問(wèn)題卻并不清楚屎即。比如說(shuō)：

• 1庙睡、矩陣究竟是什么東西？

• 2技俐、向量可以被認(rèn)為是具有n個(gè)相互獨(dú)立的性質(zhì)（維度）的對(duì)象的表示乘陪，矩陣又是什么呢？

• 3雕擂、我們?nèi)绻J(rèn)為矩陣是一組列（行）向量組成的新的復(fù)合向量的展開式啡邑，那么為什么這種展開式具有如此廣泛的應(yīng)用？特別是井赌，為什么偏偏二維的展開式如此有用谣拣？

• 4募寨、如果矩陣中每一個(gè)元素又是一個(gè)向量，那么我們?cè)僬归_一次森缠，變成三維的立方陣拔鹰，是不是更有用？

• 5贵涵、矩陣的乘法規(guī)則究竟為什么這樣規(guī)定列肢？為什么這樣一種怪異的乘法規(guī)則卻能夠在實(shí)踐中發(fā)揮如此巨大的功效？很多看上去似乎是完全不相關(guān)的問(wèn)題宾茂，最后 竟然都?xì)w結(jié)到矩陣的乘法瓷马，這難道不是很奇妙的事情？難道在矩陣乘法那看上去莫名其妙的規(guī)則下面跨晴，包含著世界的某些本質(zhì)規(guī)律欧聘？如果是的話，這些本質(zhì)規(guī)律是什 么端盆？

• 6怀骤、行列式究竟是一個(gè)什么東西？為什么會(huì)有如此怪異的計(jì)算規(guī)則焕妙？行列式與其對(duì)應(yīng)方陣本質(zhì)上是什么關(guān)系蒋伦？為什么只有方陣才有對(duì)應(yīng)的行列式，而一般矩陣 就沒有（不要覺得這個(gè)問(wèn)題很蠢焚鹊，如果必要痕届，針對(duì)mxn矩陣定義行列式不是做不到的，之所以不做末患，是因?yàn)闆]有這個(gè)必要研叫，但是為什么沒有這個(gè)必要）？而且璧针，行 列式的計(jì)算規(guī)則嚷炉，看上去跟矩陣的任何計(jì)算規(guī)則都沒有直觀的聯(lián)系，為什么又在很多方面決定了矩陣的性質(zhì)陈莽？難道這一切僅是巧合？

• 7虽抄、矩陣為什么可以分塊計(jì)算走搁？分塊計(jì)算這件事情看上去是那么隨意，為什么竟是可行的迈窟？

• 8私植、對(duì)于矩陣轉(zhuǎn)置運(yùn)算AT，有(AB)T=BTAT车酣，對(duì)于矩陣求逆運(yùn)算A-1曲稼，有(AB)-1=B-1A-1索绪。兩個(gè)看上去完全沒有什么關(guān)系的運(yùn)算，為什么有著類似的性質(zhì)贫悄？這僅僅是巧合嗎瑞驱？

• 9、為什么說(shuō)P-1AP得到的矩陣與A矩陣“相似”窄坦？這里的“相似”是什么意思唤反？

• 10、特征值和特征向量的本質(zhì)是什么鸭津？它們定義就讓人很驚訝彤侍，因?yàn)锳x=λx，一個(gè)諾大的矩陣的效應(yīng)逆趋，竟然不過(guò)相當(dāng)于一個(gè)小小的數(shù)λ盏阶，確實(shí)有點(diǎn)奇妙。但何至于用“特征”甚至“本征”來(lái)界定闻书？它們刻劃的究竟是什么名斟？

這樣的一類問(wèn)題，經(jīng)常讓使用線性代數(shù)已經(jīng)很多年的人都感到為難惠窄。就好像大人面對(duì)小孩子的刨根問(wèn)底蒸眠，最后總會(huì)迫不得已地說(shuō)“就這樣吧，到此為止”一樣杆融，面對(duì)這樣的問(wèn)題哼凯，很多老手們最后也只能用：“就是這么規(guī)定的，你接受并且記住就好”來(lái)搪塞道川。

然而逗旁，這樣的問(wèn)題如果不能獲得回答，線性代數(shù)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)就是一個(gè)粗暴的藕各、不講道理的池摧、莫名其妙的規(guī)則集合，我們會(huì)感到激况，自己并不是在學(xué)習(xí)一門學(xué) 問(wèn)作彤，而是被不由分說(shuō)地“拋到”一個(gè)強(qiáng)制的世界中，只是在考試的皮鞭揮舞之下被迫趕路乌逐，全然無(wú)法領(lǐng)略其中的美妙竭讳、和諧與統(tǒng)一。直到多年以后浙踢，我們已經(jīng)發(fā)覺這 門學(xué)問(wèn)如此的有用绢慢，卻仍然會(huì)非常迷惑：怎么這么湊巧？我認(rèn)為這是我們的線性代數(shù)教學(xué)中直覺性喪失的后果洛波。上述這些涉及到“如何能”胰舆、“怎么會(huì)”的問(wèn)題骚露，僅僅通過(guò)純粹的數(shù)學(xué)證明來(lái)回答，是不能令提問(wèn)者滿意的缚窿。比如棘幸，如果你通過(guò)一般的證明方法論證了矩陣分塊運(yùn)算確實(shí)可行，那么這并不能夠讓提問(wèn)者的疑惑得到解決滨攻。他們真正的困惑是：矩陣分塊運(yùn)算為什么竟然是可行的够话？ 究竟只是湊巧，還是說(shuō)這是由矩陣這種對(duì)象的某種本質(zhì)所必然決定的光绕？如果是后者女嘲，那么矩陣的這些本質(zhì)是什么？只要對(duì)上述那些問(wèn)題稍加考慮诞帐，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)欣尼，所 有這些問(wèn)題都不是單純依靠數(shù)學(xué)證明所能夠解決的。像我們的教科書那樣停蕉，凡事用數(shù)學(xué)證明愕鼓，最后培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生，只能熟練地使用工具慧起，卻欠缺真正意義上的理 解菇晃。

自從1930年代法國(guó)布爾巴基學(xué)派興起以來(lái)，數(shù)學(xué)的公理化蚓挤、系統(tǒng)性描述已經(jīng)獲得巨大的成功磺送，這使得我們接受的數(shù)學(xué)教育在嚴(yán)謹(jǐn)性上大大提高。然而數(shù)學(xué)公理化的一個(gè)備受爭(zhēng)議的副作用灿意，就是一般數(shù)學(xué)教育中直覺性的喪失估灿。數(shù)學(xué)家們似乎認(rèn)為直覺性與抽象性是 矛盾的，因此毫不猶豫地犧牲掉前者缤剧。然而包括我本人在內(nèi)的很多人都對(duì)此表示懷疑馅袁，我們不認(rèn)為直覺性與抽象性一定相互矛盾，特別是在數(shù)學(xué)教育中和數(shù)學(xué)教材 中荒辕，幫助學(xué)生建立直覺汗销，有助于它們理解那些抽象的概念，進(jìn)而理解數(shù)學(xué)的本質(zhì)抵窒。反之弛针，如果一味注重形式上的嚴(yán)格性，學(xué)生就好像被迫進(jìn)行鉆火圈表演的小白鼠一 樣估脆，變成枯燥的規(guī)則的奴隸钦奋。

對(duì)于線性代數(shù)的類似上述所提到的一些直覺性的問(wèn)題座云，兩年多來(lái)我斷斷續(xù)續(xù)地反復(fù)思考了四疙赠、五次付材，為此閱讀了好幾本國(guó)內(nèi)外線性代數(shù)、數(shù)值分析圃阳、代數(shù)和數(shù) 學(xué)通論性書籍厌衔，其中像前蘇聯(lián)的名著《數(shù)學(xué)：它的內(nèi)容、方法和意義》捍岳、龔昇教授的《線性代數(shù)五講》富寿、前面提到的Encounter with Mathematics（《數(shù)學(xué)概觀》）以及Thomas A. Garrity的《數(shù)學(xué)拾遺》都給我很大的啟發(fā)。不過(guò)即使如此锣夹，我對(duì)這個(gè)主題的認(rèn)識(shí)也經(jīng)歷了好幾次自我否定页徐。比如以前思考的一些結(jié)論曾經(jīng)寫在自己的 blog里，但是現(xiàn)在看來(lái)银萍，這些結(jié)論基本上都是錯(cuò)誤的变勇。因此打算把自己現(xiàn)在的有關(guān)理解比較完整地記錄下來(lái)，一方面是因?yàn)槲矣X得現(xiàn)在的理解比較成熟了贴唇，可以 拿出來(lái)與別人探討搀绣，向別人請(qǐng)教。另一方面戳气，如果以后再有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)链患，把現(xiàn)在的理解給推翻了，那現(xiàn)在寫的這個(gè)snapshot也是很有意義的瓶您。

今天先談?wù)剬?duì)線形空間和矩陣的幾個(gè)核心概念的理解麻捻。這些東西大部分是憑著自己的理解寫出來(lái)的，基本上不抄書览闰，可能有錯(cuò)誤的地方芯肤，希望能夠被指出。但我希望做到直覺压鉴，也就是說(shuō)能把數(shù)學(xué)背后說(shuō)的實(shí)質(zhì)問(wèn)題說(shuō)出來(lái)崖咨。

首先說(shuō)說(shuō)空間(space)，這個(gè)概念是現(xiàn)代數(shù)學(xué)的命根子之一油吭，從拓?fù)淇臻g開始击蹲，一步步往上加定義，可以形成很多空間婉宰。線形空間其實(shí)還是比較初級(jí) 的歌豺，如果在里面定義了范數(shù)，就成了賦范線性空間心包。賦范線性空間滿足完備性类咧，就成了巴那赫空間；賦范線性空間中定義角度，就有了內(nèi)積空間痕惋，內(nèi)積空間再滿足完 備性区宇，就得到希爾伯特空間≈荡粒總之议谷，空間有很多種。你要是去看某種空間的數(shù)學(xué)定義堕虹，大致都是：存在一個(gè)集合卧晓，在這個(gè)集合上定義某某概念，然后滿足某些性質(zhì)赴捞， 就可以被稱為空間逼裆。這未免有點(diǎn)奇怪，為什么要用“空間”來(lái)稱呼一些這樣的集合呢赦政？大家將會(huì)看到波附，其實(shí)這是很有道理的。我們一般人最熟悉的空間昼钻，毫無(wú)疑問(wèn)就 是我們生活在其中的（按照牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀）的三維空間掸屡，從數(shù)學(xué)上說(shuō)，這是一個(gè)三維的歐幾里德空間然评，我們先不管那么多仅财，先看看我們熟悉的這樣一個(gè)空間有些 什么最基本的特點(diǎn)。仔細(xì)想想我們就會(huì)知道碗淌，這個(gè)三維的空間：

• 1.由很多（實(shí)際上是無(wú)窮多個(gè)）位置點(diǎn)組成盏求；

• 2.這些點(diǎn)之間存在相對(duì)的關(guān)系；

• 3.可以在空間中定義長(zhǎng)度亿眠、角度碎罚；

• 4.這個(gè)空間可以容納運(yùn)動(dòng)，這里我們所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)是從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的移動(dòng)（變換）纳像，而不是微積分意義上的“連續(xù)”性的運(yùn)動(dòng)荆烈。

上面的這些性質(zhì)中，最最關(guān)鍵的是第4條竟趾。第1憔购、2條只能說(shuō)是空間的基礎(chǔ)，不算是空間特有的性質(zhì)岔帽，凡是討論數(shù)學(xué)問(wèn)題玫鸟，都得有一個(gè)集合，大多數(shù)還得在這 個(gè)集合上定義一些結(jié)構(gòu)（關(guān)系）犀勒，并不是說(shuō)有了這些就算是空間屎飘。而第3條太特殊妥曲，其他的空間不需要具備，更不是關(guān)鍵的性質(zhì)钦购。只有第4條是空間的本質(zhì)逾一，也就是 說(shuō)，容納運(yùn)動(dòng)是空間的本質(zhì)特征肮雨。認(rèn)識(shí)到了這些，我們就可以把我們關(guān)于三維空間的認(rèn)識(shí)擴(kuò)展到其他的空間箱玷。事實(shí)上怨规，不管 是 什么空間，都必須容納和支持在其中發(fā)生的符合規(guī)則的運(yùn)動(dòng)（變換）锡足。你會(huì)發(fā)現(xiàn)波丰，在某種空間中往往會(huì)存在一種相對(duì)應(yīng)的變換，比如拓?fù)淇臻g中有拓?fù)渥儞Q舶得，線性空 間中有線性變換掰烟，仿射空間中有仿射變換，其實(shí)這些變換都只不過(guò)是對(duì)應(yīng)空間中允許的運(yùn)動(dòng)形式而已沐批。因此只要知道纫骑，“空間”是容納運(yùn)動(dòng)的一個(gè)對(duì)象集合，而變換 則規(guī)定了對(duì)應(yīng)空間的運(yùn)動(dòng)九孩。下面我們來(lái)看看線性空間先馆。線性空間的定義任何一本書上都有，但是既然我們承認(rèn)線性空間是個(gè)空間躺彬，那么有兩個(gè)最基本的問(wèn)題必須首先 得到解決煤墙，那就是：

• 1.空間是一個(gè)對(duì)象集合，線性空間也是空間宪拥，所以也是一個(gè)對(duì)象集合仿野。那么線性空間是什么樣的對(duì)象的集合？或者說(shuō)她君，線性空間中的對(duì)象有什么共同點(diǎn)嗎脚作？

• 2.線性空間中的運(yùn)動(dòng)如何表述的？也就是缔刹，線性變換是如何表示的鳖枕？

我們先來(lái)回答第一個(gè)問(wèn)題，回答這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候其實(shí)是不用拐彎抹角的桨螺，可以直截了當(dāng)?shù)慕o出答案：線性空間中的任何一個(gè)對(duì)象宾符，通過(guò)選取基和坐標(biāo)的辦法，都可以表達(dá)為向量的形式灭翔。通常的向量空間我就不說(shuō)了魏烫，舉兩個(gè)不辣苏、那么平凡的例子：

• 1、L1是最高次項(xiàng)不大于n次的多項(xiàng)式的全體構(gòu)成一個(gè)線性空間哄褒，也就是說(shuō)稀蟋，這個(gè)線性空間中的每一個(gè)對(duì)象是一個(gè)多式。如果我們以 x0,x1,…,xn為基呐赡，那么任何一個(gè)這樣的多項(xiàng)式都可以表達(dá)為一組n+1維向量退客，其中的每一個(gè)分量ai其實(shí)就是多項(xiàng)式中x(i-1)項(xiàng)的系數(shù)。值 得說(shuō)明的是链嘀，基的選取有多種辦法萌狂，只要所選取的那一組基線性無(wú)關(guān)就可以。這要用到后面提到的概念了怀泊，所以這里先不說(shuō)茫藏，提一下而已。

• 2 L2是閉區(qū)間[a, b]上的n階連續(xù)可微函數(shù)的全體霹琼，構(gòu)成一個(gè)線性空間务傲。也就是說(shuō)，這個(gè)線性空間的每一個(gè)對(duì)象是一個(gè)連續(xù)函數(shù)枣申。對(duì)于其中任何一個(gè)連續(xù)函數(shù)售葡，根據(jù)魏爾斯特拉斯定 理，一定可以找到最高次項(xiàng)不大于n的多項(xiàng)式函數(shù)忠藤，使之與該連續(xù)函數(shù)的差為0天通，也就是說(shuō)，完全相等熄驼。這樣就把問(wèn)題歸結(jié)為L(zhǎng)1了像寒。后面就不用再重復(fù)了。

所以說(shuō)瓜贾，向量是很厲害的诺祸，只要你找到合適的基，用向量可以表示線性空間里任何一個(gè)對(duì)象祭芦。這里頭大有文章筷笨，因?yàn)橄蛄勘砻嫔现皇且涣袛?shù)，但是其實(shí)由于它 的有序性龟劲，所以除了這些數(shù)本身攜帶的信息之外胃夏，還可以在每個(gè)數(shù)的對(duì)應(yīng)位置上攜帶信息。為什么在程序設(shè)計(jì)中數(shù)組最簡(jiǎn)單昌跌，卻又威力無(wú)窮呢仰禀？根本原因就在于此。 這是另一個(gè)問(wèn)題了蚕愤，這里就不說(shuō)了答恶。

下面來(lái)回答第二個(gè)問(wèn)題饺蚊，這個(gè)問(wèn)題的回答會(huì)涉及到線性代數(shù)的一個(gè)最根本的問(wèn)題。線性空間中的運(yùn)動(dòng)悬嗓，被稱為線性變換污呼。 也就是說(shuō)，你從線性空間中的一個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到任意的另外一個(gè)點(diǎn)包竹，都可以通過(guò)一個(gè)線性變化來(lái)完成燕酷。那么，線性變換如何表示呢周瞎？很有意思苗缩，在線性空間中，當(dāng)你選定 一組基之后堰氓，不僅可以用一個(gè)向量來(lái)描述空間中的任何一個(gè)對(duì)象，而且可以用矩陣來(lái)描述該空間中的任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)（變換）苹享。而使某個(gè)對(duì)象發(fā)生對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)的方法双絮，就 是用代表那個(gè)運(yùn)動(dòng)的矩陣，乘以代表那個(gè)對(duì)象的向量得问。簡(jiǎn)而言之囤攀，在線性空間中選定基之后，向量刻畫對(duì)象宫纬，矩陣刻畫對(duì)象的運(yùn)動(dòng)焚挠，用矩陣與向量的乘法施加運(yùn)動(dòng)。是的漓骚，矩陣的本質(zhì)是運(yùn)動(dòng)的描述蝌衔。如果以后有人問(wèn)你矩陣是什么，那么你就可以響亮地告訴他蝌蹂，矩陣的本質(zhì)是運(yùn)動(dòng)的描述噩斟。

可是多么有意思啊，向量本身不是也可以看成是n x 1矩陣嗎孤个？這實(shí)在是很奇妙剃允，一個(gè)空間中的對(duì)象和運(yùn)動(dòng)竟然可以用相類同的方式表示。能說(shuō)這是巧合嗎齐鲤？如果是巧合的話斥废，那可真是幸運(yùn)的巧合！可以說(shuō)给郊，線性代數(shù)中大多數(shù)奇妙的性質(zhì)牡肉，均與這個(gè)巧合有直接的關(guān)系。

接著理解矩陣淆九，上面說(shuō)“矩陣是運(yùn)動(dòng)的描述”荚板，到現(xiàn)在為止凤壁，好像大家都還沒什么意見。但是我相信早晚會(huì)有數(shù)學(xué)系出身的網(wǎng)友來(lái)拍板轉(zhuǎn)跪另。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)這個(gè)概 念拧抖，在數(shù)學(xué)和物理里是跟微積分聯(lián)系在一起的。我們學(xué)習(xí)微積分的時(shí)候免绿，總會(huì)有人照本宣科地告訴你唧席，初等數(shù)學(xué)是研究常量的數(shù)學(xué)，是研究靜態(tài)的數(shù)學(xué)嘲驾，高等數(shù)學(xué)是 變量的數(shù)學(xué)淌哟，是研究運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)。大家口口相傳辽故，差不多人人都知道這句話徒仓。但是真知道這句話說(shuō)的是什么意思的人，好像也不多誊垢。簡(jiǎn)而言之掉弛，在我們?nèi)祟惖慕?jīng)驗(yàn) 里，運(yùn)動(dòng)是一個(gè)連續(xù)過(guò)程喂走，從A點(diǎn)到B點(diǎn)殃饿，就算走得最快的光，也是需要一個(gè)時(shí)間來(lái)逐點(diǎn)地經(jīng)過(guò)AB之間的路徑芋肠，這就帶來(lái)了連續(xù)性的概念乎芳。而連續(xù)這個(gè)事情，如果 不定義極限的概念帖池，根本就解釋不了奈惑。古希臘人的數(shù)學(xué)非常強(qiáng)，但就是缺乏極限觀念睡汹，所以解釋不了運(yùn)動(dòng)携取，被芝諾的那些著名悖論（飛箭不動(dòng)、飛毛腿阿喀琉斯跑不 過(guò)烏龜?shù)人膫€(gè)悖論）搞得死去活來(lái)帮孔。

因?yàn)檫@篇文章不是講微積分的雷滋，所以我就不多說(shuō)了。有興趣的讀者可以去看看齊民友教授寫的《重溫微積分》文兢。我就是讀了這本書開頭的部分晤斩，才明白“高等 數(shù)學(xué)是研究運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)”這句話的道理。不過(guò)在我這個(gè)《理解矩陣》的文章里姆坚，“運(yùn)動(dòng)”的概念不是微積分中的連續(xù)性的運(yùn)動(dòng)澳泵，而是瞬間發(fā)生的變化。比如這個(gè)時(shí)刻 在A點(diǎn)兼呵，經(jīng)過(guò)一個(gè)“運(yùn)動(dòng)”兔辅，一下子就“躍遷”到了B點(diǎn)腊敲，其中不需要經(jīng)過(guò)A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的任何一個(gè)點(diǎn)。這樣的“運(yùn)動(dòng)”维苔，或者說(shuō)“躍遷”碰辅，是違反我們?nèi)粘５慕?jīng) 驗(yàn)的。不過(guò)了解一點(diǎn)量子物理常識(shí)的人介时，就會(huì)立刻指出没宾，量子（例如電子）在不同的能量級(jí)軌道上跳躍，就是瞬間發(fā)生的沸柔，具有這樣一種躍遷行為循衰。所以說(shuō)，自然界 中并不是沒有這種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象褐澎，只不過(guò)宏觀上我們觀察不到会钝。但是不管怎么說(shuō)，“運(yùn)動(dòng)”這個(gè)詞用在這里工三，還是容易產(chǎn)生歧義的迁酸，說(shuō)得更確切些，應(yīng)該是“躍遷”徒蟆。因 此這句話可以改成：“矩陣是線性空間里躍遷的描述”胁出⌒托停可是這樣說(shuō)又太物理段审，也就是說(shuō)太具體，而不夠數(shù)學(xué)闹蒜，也就是說(shuō)不 夠 抽象寺枉。因此我們最后換用一個(gè)正牌的數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)——變換，來(lái)描述這個(gè)事情绷落。這樣一說(shuō)姥闪，大家就應(yīng)該明白了，所謂變換砌烁，其實(shí)就是空間里從一個(gè)點(diǎn)（元素/對(duì)象）到另 一個(gè)點(diǎn)（元素/對(duì)象）的躍遷筐喳。比如說(shuō)，拓?fù)渥儞Q函喉，就是在拓?fù)淇臻g里從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的躍遷避归。再比如說(shuō)，仿射變換管呵，就是在仿射空間里從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)的 躍遷梳毙。

附帶說(shuō)一下，這個(gè)仿射空間跟向量空間是親兄弟捐下。做計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的朋友都知道账锹，盡管描述一個(gè)三維對(duì)象只需要三維向量萌业，但所有的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)變換矩陣都是4×4的。說(shuō)其原因奸柬，很多書上都寫著“為了使用中方便”生年，這在我看來(lái)簡(jiǎn)直就是企圖蒙混過(guò)關(guān)。真正的原因鸟缕，是因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)圖形學(xué)里應(yīng)用的圖形變換晶框，實(shí)際上是在仿射空間而不是向量空間中進(jìn)行的。想想看懂从，在向量空間里相一個(gè)向量平行移動(dòng)以后仍是相同的那個(gè)向量授段，而現(xiàn)實(shí)世界等長(zhǎng)的兩個(gè)平行線段當(dāng)然不能被認(rèn)為同一個(gè)東西，所以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的生存空間實(shí)際上是仿射空間番甩。而仿射變換的矩陣表示根本就是4×4的侵贵。有興趣的讀者可以去看《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)——幾何工具算法詳解》。

一旦我們理解了“變換”這個(gè)概念缘薛，矩陣的定義就變成：矩陣是線性空間里的變換的描述窍育。到這里為止，我們終于得到 了一個(gè)看上去比較數(shù)學(xué)的定義宴胧。不過(guò)還要多說(shuō)幾句漱抓。教材上一般是這么說(shuō)的，在一個(gè)線性空間V里的一個(gè)線性變換T恕齐，當(dāng)選定一組基之后乞娄，就可以表示為矩陣。因此 我們還要說(shuō)清楚到底什么是線性變換显歧，什么是基仪或，什么叫選定一組基。線性變換的定義是很簡(jiǎn)單的士骤，設(shè)有一種變換T范删，使得對(duì)于線性空間V中間任何兩個(gè)不相同的對(duì) 象x和y，以及任意實(shí)數(shù)a和b拷肌，有：T(ax+by)=aT(x)+bT(y)到旦，那么就稱T為線性變換。定義都是這么寫的巨缘，但是光看定義還得不到直覺的理 解添忘。線性變換究竟是一種什么樣的變換？我們剛才說(shuō)了带猴，變換是從空間的一個(gè)點(diǎn)躍遷到另一個(gè)點(diǎn)昔汉，而線性變換，就是從一個(gè)線性空間V的某一個(gè)點(diǎn)躍遷到另一個(gè)線性 空間W的另一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。這句話里蘊(yùn)含著一層意思靶病，就是說(shuō)一個(gè)點(diǎn)不僅可以變換到同一個(gè)線性空間中的另一個(gè)點(diǎn)会通，而且可以變換到另一個(gè)線性空間中的另一個(gè)點(diǎn) 去。不管你怎么變娄周，只要變換前后都是線性空間中的對(duì)象涕侈，這個(gè)變換就一定是線性變換，也就一定可以用一個(gè)非奇異矩陣來(lái)描述煤辨。而你用一個(gè)非奇異矩陣去描述的一 個(gè)變換裳涛，一定是一個(gè)線性變換。

有的人可能要問(wèn)众辨，這里為什么要強(qiáng)調(diào)非奇異矩陣端三？所謂非奇異，只對(duì)方陣有意義鹃彻，那么非方陣的情況怎么樣郊闯？這個(gè)說(shuō)起來(lái)就會(huì)比較冗長(zhǎng)了，最后要把線性變換作為一種映射蛛株，并且討論其映射性質(zhì)团赁，以及線性變換的核與像等概念才能徹底講清楚。

以下我們只探討最常用谨履、最有用的一種變換欢摄，就是在同一個(gè)線性空間之內(nèi)的線性變換。也就是說(shuō)笋粟，下面所說(shuō)的矩陣怀挠，不作說(shuō)明的話，就是方陣矗钟，而且是非奇異 方陣唆香。學(xué)習(xí)一門學(xué)問(wèn)嫌变，最重要的是把握主干內(nèi)容吨艇，迅速建立對(duì)于這門學(xué)問(wèn)的整體概念，不必一開始就考慮所有的細(xì)枝末節(jié)和特殊情況腾啥，自亂陣腳东涡。

什么是基呢？這個(gè)問(wèn)題在后面還要大講一番倘待，這里只要把基看成是線性空間里的坐標(biāo)系就可以了疮跑。注意是坐標(biāo)系，不是坐標(biāo)值凸舵，這兩者可是一個(gè)“對(duì)立矛盾統(tǒng)一體”祖娘。這樣一來(lái)，“選定一組基”就是說(shuō)在線性空間里選定一個(gè)坐標(biāo)系啊奄。好渐苏，最后我們把矩陣的定義完善如下：“矩陣是線性空間中的線性變換的一個(gè)描述掀潮。在一個(gè)線性空間中，只要我們選定一組基琼富，那么對(duì)于任何一個(gè)線性變換仪吧，都能夠用一個(gè)確定的矩陣來(lái)加以描述【厦迹”理 解這句話的關(guān)鍵薯鼠，在于把“線性變換”與“線性變換的一個(gè)描述”區(qū)別開。一個(gè)是那個(gè)對(duì)象械蹋，一個(gè)是對(duì)那個(gè)對(duì)象的表述出皇。就好像我們熟悉的面向?qū)ο缶幊讨校粋€(gè)對(duì) 象可以有多個(gè)引用哗戈，每個(gè)引用可以叫不同的名字恶迈，但都是指的同一個(gè)對(duì)象。如果還不形象谱醇，那就干脆來(lái)個(gè)很俗的類比暇仲。比如有一頭豬，你打算給它拍照片副渴，只要你給 照相機(jī)選定了一個(gè)鏡頭位置奈附，那么就可以給這頭豬拍一張照片。這個(gè)照片可以看成是這頭豬的一個(gè)描述煮剧，但只是一個(gè)片面的的描述斥滤，因?yàn)閾Q一個(gè)鏡頭位置給這頭豬拍 照，能得到一張不同的照片勉盅，也是這頭豬的另一個(gè)片面的描述佑颇。所有這樣照出來(lái)的照片都是這同一頭豬的描述，但是又都不是這頭豬本身草娜。同樣的挑胸，對(duì)于一個(gè)線性變 換，只要你選定一組基宰闰，那么就可以找到一個(gè)矩陣來(lái)描述這個(gè)線性變換茬贵。換一組基，就得到一個(gè)不同的矩陣移袍。所有這些矩陣都是這同一個(gè)線性變換的描述解藻，但又都不 是線性變換本身。

但是這樣的話葡盗，問(wèn)題就來(lái)了如果你給我兩張豬的照片螟左，我怎么知道這兩張照片上的是同一頭豬呢？同樣的，你給我兩個(gè)矩陣胶背，我怎么知道這兩個(gè)矩陣是描述的 同一個(gè)線性變換呢虫啥？如果是同一個(gè)線性變換的不同的矩陣描述，那就是本家兄弟了奄妨，見面不認(rèn)識(shí)涂籽，豈不成了笑話。好在砸抛，我們可以找到同一個(gè)線性變換的矩陣兄弟們 的一個(gè)性質(zhì)评雌，那就是：若矩陣A與B是同一個(gè)線性變換的兩個(gè)不同的描述（之所以會(huì)不同，是因?yàn)檫x定了不同的基直焙，也就是選定了不同的坐標(biāo)系）景东，則一定能找到一個(gè)非奇異矩陣P，使得A奔誓、B之間滿足這樣的關(guān)系：A=P-1BP斤吐。線性代數(shù)稍微熟一點(diǎn)的讀者一下就看出來(lái)，這就是相似矩陣的定義厨喂。沒錯(cuò)和措，所謂相似矩陣，就是同一個(gè)線性變換的不同的描述矩陣蜕煌。按照這個(gè)定義派阱，同一頭豬的不同角度的照片也可以成為相似照片。俗了一點(diǎn)斜纪，不過(guò)能讓人明白贫母。而在上面式子里那個(gè)矩陣P，其實(shí)就是A矩陣所基于的基與B矩陣所基于的基這兩組基之間的一個(gè)變換關(guān)系盒刚。

關(guān)于這個(gè)結(jié)論腺劣，可以用一種非常直覺的方法來(lái)證明（而不是一般教科書上那種形式上的證明），如果有時(shí)間的話因块，我以后在blog里補(bǔ)充這個(gè)證明橘原。這個(gè)發(fā) 現(xiàn)太重要了。原來(lái)一族相似矩陣都是同一個(gè)線性變換的描述爸簟靠柑！難怪這么重要寨辩！工科研究生課程中有矩陣論吓懈、矩陣分析等課程，其中講了各種各樣的相似變換靡狞，比如 什么相似標(biāo)準(zhǔn)型耻警，對(duì)角化之類的內(nèi)容，都要求變換以后得到的那個(gè)矩陣與先前的那個(gè)矩陣式相似的，為什么這么要求甘穿？因?yàn)橹挥羞@樣要求腮恩，才能保證變換前后的兩個(gè)矩陣是描述同一個(gè)線性變換的。

當(dāng)然温兼，同一個(gè)線性變換的不同矩陣描述秸滴，從實(shí)際運(yùn)算性質(zhì)來(lái)看并不是不分好環(huán)的。有些描述矩陣就比其他的矩陣性質(zhì)好得多募判。這很容易理解荡含，同一頭豬的照片 也有美丑之分嘛。所以矩陣的相似變換可以把一個(gè)比較丑的矩陣變成一個(gè)比較美的矩陣届垫，而保證這兩個(gè)矩陣都是描述了同一個(gè)線性變換释液。這樣一來(lái)，矩陣作為線性變 換描述的一面装处，基本上說(shuō)清楚了误债。但是，事情沒有那么簡(jiǎn)單妄迁，或者說(shuō)寝蹈，線性代數(shù)還有比這更奇妙的性質(zhì)，那就是登淘，矩陣不僅可以作為線性變換的描述躺盛，而且可以作為一組基的描述。 而作為變換的矩陣形帮，不但可以把線性空間中的一個(gè)點(diǎn)給變換到另一個(gè)點(diǎn)去槽惫，而且也能夠把線性空間中的一個(gè)坐標(biāo)系（基）表?yè)Q到另一個(gè)坐標(biāo)系（基）去。而且辩撑，變換 點(diǎn)與變換坐標(biāo)系界斜，具有異曲同工的效果。線性代數(shù)里最有趣的奧妙合冀，就蘊(yùn)含在其中各薇。理解了這些內(nèi)容，線性代數(shù)里很多定理和規(guī)則會(huì)變得更加清晰君躺、直覺峭判。

首先來(lái)總結(jié)一下前面部分的一些主要結(jié)論：

• 1.首先有空間，空間可以容納對(duì)象運(yùn)動(dòng)的棕叫。一種空間對(duì)應(yīng)一類對(duì)象林螃。

• 2.有一種空間叫線性空間，線性空間是容納向量對(duì)象運(yùn)動(dòng)的俺泣。

• 3.運(yùn)動(dòng)是瞬時(shí)的疗认，因此也被稱為變換完残。

• 4.矩陣是線性空間中運(yùn)動(dòng)（變換）的描述。

• 5.矩陣與向量相乘横漏，就是實(shí)施運(yùn)動(dòng)（變換）的過(guò)程谨设。

• 6.同一個(gè)變換，在不同的坐標(biāo)系下表現(xiàn)為不同的矩陣缎浇，但是它們的本質(zhì)是一樣的扎拣，所以本征值相同。

下面讓我們把視力集中到一點(diǎn)以改變我們以往看待矩陣的方式素跺。

我們知道鹏秋，線性空間里的基本對(duì)象是向量。

向量是這么表示的：[a1,a2,a3,…,an]亡笑。

矩陣是這么表示的：a11,a12,a13,…,a1n,a21,a22,a23,…,a2n,…,an1,an2,an3,…,ann

不用太聰明侣夷，我們就能看出來(lái)，矩陣是一組向量組成的仑乌。特別的百拓，n維線性空間里的方陣是由n個(gè)n維向量組成的。我們?cè)谶@里只討論這個(gè)n階的晰甚、非奇異的 方陣衙传，因?yàn)槔斫馑褪抢斫饩仃嚨年P(guān)鍵，它才是一般情況厕九，而其他矩陣都是意外蓖捶，都是不得不對(duì)付的討厭狀況，大可以放在一邊扁远。這里多一句嘴俊鱼，學(xué)習(xí)東西要抓住主 流，不要糾纏于旁支末節(jié)畅买。很可惜我們的教材課本大多數(shù)都是把主線埋沒在細(xì)節(jié)中的并闲，搞得大家還沒明白怎么回事就先被灌暈了。比如數(shù)學(xué)分析谷羞，明明最要緊的觀念 是說(shuō)帝火，一個(gè)對(duì)象可以表達(dá)為無(wú)窮多個(gè)合理選擇的對(duì)象的線性和，這個(gè)概念是貫穿始終的湃缎，也是數(shù)學(xué)分析的精華犀填。但是課本里自始至終不講這句話，反正就是讓你做吉 米多維奇嗓违，掌握一大堆解偏題的技巧九巡，記住各種特殊情況，兩類間斷點(diǎn)靠瞎，怪異的可微和可積條件（誰(shuí)還記得柯西條件比庄、迪里赫萊條件…求妹？），最后考試一過(guò)，一 切忘光光好芭。要我說(shuō)碳抄，還不如反復(fù)強(qiáng)調(diào)這一個(gè)事情，把它深深刻在腦子里象浑，別的東西忘了就忘了，真碰到問(wèn)題了，再查數(shù)學(xué)手冊(cè)嘛溉委，何必因小失大呢？

言歸正傳爱榕，如果一組向量是彼此線性無(wú)關(guān)的話瓣喊，那么它們就可以成為度量這個(gè)線性空間的一組基，從而事實(shí)上成為一個(gè)坐標(biāo)系體系黔酥，其中每一個(gè)向量都躺在一 根坐標(biāo)軸上藻三，并且成為那根坐標(biāo)軸上的基本度量單位（長(zhǎng)度1）。現(xiàn)在到了關(guān)鍵的一步跪者】妹保看上去矩陣就是由一組向量組成的，而且如果矩陣非奇異的話（我說(shuō)了渣玲，只 考慮這種情況）逗概，那么組成這個(gè)矩陣的那一組向量也就是線性無(wú)關(guān)的了，也就可以成為度量線性空間的一個(gè)坐標(biāo)系忘衍。結(jié)論：矩陣描述了一個(gè)坐標(biāo)系逾苫。“慢著枚钓！”隶垮，你嚷嚷起來(lái)了，“你這個(gè)騙子秘噪！你不是說(shuō)過(guò)狸吞，矩陣就是運(yùn)動(dòng)嗎？怎么這會(huì)矩陣又是坐標(biāo)系了指煎？”嗯蹋偏，所以我說(shuō)到了關(guān)鍵的一步。我并沒有騙人至壤，之所以矩陣又是運(yùn)動(dòng)威始，又是坐標(biāo)系，那是因?yàn)椤斑\(yùn)動(dòng)等價(jià)于坐標(biāo)系變換”像街。對(duì)不起黎棠，這話其實(shí)不準(zhǔn)確晋渺，我只是想讓你印象深刻。準(zhǔn)確的說(shuō)法是：“對(duì)象的變換等價(jià)于坐標(biāo)系的變換”脓斩∧疚鳎或者：“固定坐標(biāo)系下一個(gè)對(duì)象的變換等價(jià)于固定對(duì)象所處的坐標(biāo)系變換∷婢玻”說(shuō)白了就是：“運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的八千。”

讓我們想想燎猛，達(dá)成同一個(gè)變換的結(jié)果恋捆，比如把點(diǎn)(1,1)變到點(diǎn)(2,3)去，你可以有兩種做法重绷。第一沸停，坐標(biāo)系不動(dòng)，點(diǎn)動(dòng)昭卓，把(1,1)點(diǎn)挪到 (2,3)去愤钾。第二，點(diǎn)不動(dòng)葬凳，變坐標(biāo)系绰垂，讓x軸的度量（單位向量）變成原來(lái)的1/2，讓y軸的度量（單位向量）變成原先的1/3火焰，這樣點(diǎn)還是那個(gè)點(diǎn)劲装，可是 點(diǎn)的坐標(biāo)就變成(2,3)了。方式不同昌简，結(jié)果一樣占业。從第一個(gè)方式來(lái)看，那就是把矩陣看成是運(yùn)動(dòng)描述纯赎，矩陣與向量相乘就是使向量（點(diǎn)）運(yùn)動(dòng)的過(guò)程谦疾。在這個(gè)方式下，Ma=b的意思是：“向量a經(jīng)過(guò)矩陣M所描述的變換犬金，變成了向量b念恍。”而從第二個(gè)方式來(lái)看晚顷，矩陣M描述了一個(gè)坐標(biāo)系峰伙，姑且也稱之為M。那么：Ma=b的意思是：“有一個(gè)向量该默，它在坐標(biāo)系M的度量下得到的度量結(jié)果向量為a瞳氓，那么它在坐標(biāo)系I的度量下，這個(gè)向量的度量結(jié)果是b栓袖∠徽”這里的I是指單位矩陣店诗，就是主對(duì)角線是1，其他為零的矩陣音榜。而這兩個(gè)方式本質(zhì)上是等價(jià)的庞瘸。我 希望你務(wù)必理解這一點(diǎn)，因?yàn)檫@是本篇的關(guān)鍵囊咏。正因?yàn)槭顷P(guān)鍵恕洲，所以我得再解釋一下塔橡。在M為坐標(biāo)系的意義下梅割，如果把M放在一個(gè)向量a的前面，形成Ma的樣式葛家， 我們可以認(rèn)為這是對(duì)向量a的一個(gè)環(huán)境聲明户辞。它相當(dāng)于是說(shuō)：“注意了！這里有一個(gè)向量癞谒，它在坐標(biāo)系M中度量底燎，得到的度量結(jié)果可以表達(dá)為a〉猓可是它在別的坐標(biāo) 系里度量的話双仍，就會(huì)得到不同的結(jié)果。為了明確桌吃，我把M放在前面朱沃，讓你明白，這是該向量在坐標(biāo)系M中度量的結(jié)果茅诱《何铮”

那么我們?cè)倏垂铝懔愕南蛄縝：b多看幾遍，你沒看出來(lái)嗎瑟俭？它其實(shí)不是b翎卓，它是：Ib也就是說(shuō)：“在單位坐標(biāo)系，也就是我們通常說(shuō)的直角坐標(biāo)系I中摆寄，有一個(gè)向量失暴，度量的結(jié)果是b∥⒓ⅲ” 而Ma=Ib的意思就是說(shuō)：“在M坐標(biāo)系里量出來(lái)的向量a逗扒，跟在I坐標(biāo)系里量出來(lái)的向量b，其實(shí)根本就是一個(gè)向量靶蠛拧缴阎！”這哪里是什么乘法計(jì)算，根本就是身 份識(shí)別嘛简软。從這個(gè)意義上我們重新理解一下向量蛮拔。向量這個(gè)東西客觀存在述暂，但是要把它表示出來(lái)，就要把它放在一個(gè)坐標(biāo)系中去度量它建炫，然后把度量的結(jié)果（向量在 各個(gè)坐標(biāo)軸上的投影值）按一定順序列在一起畦韭，就成了我們平時(shí)所見的向量表示形式。你選擇的坐標(biāo)系（基）不同肛跌，得出來(lái)的向量的表示就不同艺配。向量還是那個(gè)向 量，選擇的坐標(biāo)系不同衍慎，其表示方式就不同转唉。因此，按道理來(lái)說(shuō)稳捆，每寫出一個(gè)向量的表示赠法，都應(yīng)該聲明一下這個(gè)表示是在哪個(gè)坐標(biāo)系中度量出來(lái)的。表示的方式乔夯，就 是Ma砖织，也就是說(shuō)，有一個(gè)向量末荐，在M矩陣表示的坐標(biāo)系中度量出來(lái)的結(jié)果為a侧纯。

我們平時(shí)說(shuō)一個(gè)向量是[2 3 5 7]T，隱含著是說(shuō)甲脏，這個(gè)向量在 I 坐標(biāo)系中的度量結(jié)果是[2 3 5 7]T眶熬，因此，這個(gè)形式反而是一種簡(jiǎn)化了的特殊情況剃幌。注意到聋涨，M矩陣表示出來(lái)的那個(gè)坐標(biāo)系，由一組基組成负乡，而那組基也是由向量組成的牍白，同樣存在這組向量是 在哪個(gè)坐標(biāo)系下度量而成的問(wèn)題。也就是說(shuō)抖棘，表述一個(gè)矩陣的一般方法茂腥，也應(yīng)該要指明其所處的基準(zhǔn)坐標(biāo)系。所謂M切省，其實(shí)是IM最岗，也就是說(shuō)，M中那組基的度量是 在I坐標(biāo)系中得出的朝捆。從這個(gè)視角來(lái)看般渡，M×N也不是什么矩陣乘法了，而是聲明了一個(gè)在M坐標(biāo)系中量出的另一個(gè)坐標(biāo)系N，其中M本身是在I坐標(biāo)系中度量出來(lái) 的驯用。

回過(guò)頭來(lái)說(shuō)變換的問(wèn)題脸秽，我剛才說(shuō)，“固定坐標(biāo)系下一個(gè)對(duì)象的變換等價(jià)于固定對(duì)象所處的坐標(biāo)系變換”蝴乔，那個(gè)“固定對(duì)象”我們找到了记餐，就是那個(gè)向量。但 是坐標(biāo)系的變換呢薇正？我怎么沒看見片酝？請(qǐng)看：Ma=Ib我現(xiàn)在要變M為I，怎么變挖腰？對(duì)了雕沿，再前面乘以個(gè)M-1，也就是M的逆矩陣曙聂。換句話說(shuō)晦炊，你不是有一個(gè)坐標(biāo) 系M嗎鞠鲜，現(xiàn)在我讓它乘以個(gè)M-1宁脊，變成I，這樣一來(lái)的話贤姆，原來(lái)M坐標(biāo)系中的a在I中一量榆苞，就得到b了。我建議你此時(shí)此刻拿起紙筆霞捡，畫畫圖坐漏，求得對(duì)這件事情 的理解。比如碧信，你畫一個(gè)坐標(biāo)系赊琳，x軸上的衡量單位是2，y軸上的衡量單位是3砰碴，在這樣一個(gè)坐標(biāo)系里躏筏，坐標(biāo)為(1,1)的那一點(diǎn)，實(shí)際上就是笛卡爾坐標(biāo)系里 的點(diǎn)(2,3)呈枉。而讓它原形畢露的辦法趁尼，就是把原來(lái)那個(gè)坐標(biāo)系:2 0 0 3 的x方向度量縮小為原來(lái)的1/2，而y方向度量縮小為原來(lái)的1/3猖辫，這樣一來(lái)坐標(biāo)系就變成單位坐標(biāo)系I了酥泞。保持點(diǎn)不變，那個(gè)向量現(xiàn)在就變成了(2, 3)了啃憎。 怎么能夠讓“x方向度量縮小為原來(lái)的1/2芝囤，而y方向度量縮小為原來(lái)的1/3”呢？就是讓原坐標(biāo)系：2 0 0 3 被矩陣：1/2 0 0 1/3 左乘。而這個(gè)矩陣就是原矩陣的逆矩陣悯姊。

下面我們得出一個(gè)重要的結(jié)論：“對(duì)坐標(biāo)系施加變換的方法名党，就是讓表示那個(gè)坐標(biāo)系的矩陣與表示那個(gè)變化的矩陣相乘∧又幔” 再一次的传睹，矩陣的乘法變成了運(yùn)動(dòng)的施加。只不過(guò)岸晦，被施加運(yùn)動(dòng)的不再是向量欧啤，而是另一個(gè)坐標(biāo)系。如果你覺得你還搞得清楚启上，請(qǐng)?jiān)傧胍幌聞偛乓呀?jīng)提到的結(jié)論邢隧，矩 陣MxN，一方面表明坐標(biāo)系N在運(yùn)動(dòng)M下的變換結(jié)果冈在，另一方面倒慧，把M當(dāng)成N的前綴，當(dāng)成N的環(huán)境描述包券，那么就是說(shuō)纫谅，在M坐標(biāo)系度量下，有另一個(gè)坐標(biāo)系N溅固。 這個(gè)坐標(biāo)系N如果放在I坐標(biāo)系中度量付秕，其結(jié)果為坐標(biāo)系MxN。

在這里侍郭，我實(shí)際上已經(jīng)回答了一般人在學(xué)習(xí)線性代數(shù)是最困惑的一個(gè)問(wèn)題询吴，那就是為什么矩陣的乘法要規(guī)定成這樣。簡(jiǎn)單地說(shuō)亮元，是因?yàn)椋?/p>

• 1.從變換的觀點(diǎn)看猛计，對(duì)坐標(biāo)系N施加M變換，就是把組成坐標(biāo)系N的每一個(gè)向量施加M變換爆捞。

• 2.從坐標(biāo)系的觀點(diǎn)看奉瘤，在M坐標(biāo)系中表現(xiàn)為N的另一個(gè)坐標(biāo)系，這也歸結(jié)為嵌削，對(duì)N坐標(biāo)系基的每一個(gè)向量毛好，把它在I坐標(biāo)系中的坐標(biāo)找出來(lái)，然后匯成一個(gè)新的矩陣苛秕。

• 3.至于矩陣乘以向量為什么要那樣規(guī)定肌访，那是因?yàn)橐粋€(gè)在M中度量為a的向量，如果想要恢復(fù)在I中的真像艇劫，就必須分別與M中的每一個(gè)向量進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算吼驶。

我把這個(gè)結(jié)論的推導(dǎo)留給感興趣的朋友吧。應(yīng)該說(shuō)，其實(shí)到了這一步蟹演，已經(jīng)很容易了风钻。綜合以上，矩陣的乘法就得那么規(guī)定酒请，一切有根有據(jù)骡技，絕不是哪個(gè)神經(jīng) 病胡思亂想出來(lái)的。我已經(jīng)無(wú)法說(shuō)得更多了羞反。矩陣又是坐標(biāo)系布朦，又是變換。到底是坐標(biāo)系昼窗，還是變換是趴，已經(jīng)說(shuō)不清楚了，運(yùn)動(dòng)與實(shí)體在這里統(tǒng)一了澄惊，物質(zhì)與意識(shí)的界 限已經(jīng)消失了唆途，一切歸于無(wú)法言說(shuō)，無(wú)法定義了掸驱。到了這個(gè)時(shí)候肛搬，我們不得不承認(rèn)，我們偉大的線性代數(shù)課本上說(shuō)的矩陣定義亭敢，是無(wú)比正確的：“矩陣就是由m行n 列數(shù)放在一起組成的數(shù)學(xué)對(duì)象滚婉。”好了帅刀，這基本上就是我想說(shuō)的全部了。