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【矩阵的乘积/复合变换】- 图解线性代数 05

矩阵向量的乘积可以理解为将一个特定的线性变换作用在向量上,本次我们先看几个特殊的矩阵下的变换以及矩阵矩阵的乘积。
一、零矩阵
即所有元素都是0的矩阵,记为O。可以用下标来表示矩阵的大小:

图1
零矩阵表示的变换是将空间压缩到原点,可以观察在2阶零矩阵的作用下,空间被压缩到原点的变化过程,注意行列式的值最后为0:

图2
二、单位矩阵
是对角元素为1,其余都是0,记为I。

图3
单位矩阵对空间什么都不改变,保持基向量不变,也被称为“恒等变换”,可以看下面对应的空间变化过程(尽管没有改变):

图4
三、对角矩阵
除了对角元之外所有元素均为0的矩阵称之为对角矩阵。

图5
对角矩阵表示的沿着坐标轴伸缩变换,其中对角元素就是各轴伸缩的倍率,并且下例矩阵A的对角元素中含有2个负数,可以看做经过了2次镜像翻转,x,y两个方向先是压缩,然后再被拉伸,面积扩大为原来的6倍,这样行列式的值为6。

图6
上面都是进行一次变换的操作,如果想要再进行一次(甚至更多)变换,就要矩阵和矩阵相乘了。譬如下面矩阵A相当于将空间旋转,矩阵B是横向拉伸。

图7
如果是BA两个矩阵相乘的运算,就相当于先旋转再拉伸,这样的复合变换运算顺序是从右往左进行,可以观察下面的动画:

图8
如果是AB两个矩阵相乘的运算,就相当于先拉伸后旋转,运算顺序是从右往左,可以观察下面的动画:

图9
从上面两个变换动画,可以得出结论矩阵的乘积不满足交换律(可以想象满足结合律):


 
图10
可以计算出BA和AB的值:


 
图11
如何计算矩阵的乘积,除了课本上给出的方法,还可以按照列的线性表出来进行,以BA为例:

图12
另外,如果两个矩阵都不是零矩阵,但是矩阵的乘积可能会是零矩阵,比如在下面两个矩阵:


 
图13


空间中,A做横向压缩,B做垂直压缩,经过A然后B的变换后,也会映射到原点。


上面就是本次图解线性代数所回顾的知识点。好了,现在让我们在下一篇的中再见!


因为本人水平有限,疏忽错误在所难免,还请各位老师和朋友多提宝贵意见,帮助我改进这个系列,您的关注和转发就是鼓励我继续前行的最大动力,感谢感谢!

 

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