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【矮矩阵 / 长矩阵】- 图解线性代数 10

矩阵乘法可以理解为一个特定的线性变换,比如在2x2的可逆矩阵表示就是二维空间的(可逆)变换;3x3的可逆矩阵表示三维空间的变换。
这些都是nxn型的矩阵,本节来看看更一般mxn矩阵,也就是非方阵的情况——分两大类:行数小于列数的“矮矩阵”和行数大于列数的“长矩阵”。
一、矮矩阵
所谓“矮矩阵”就是mxn矩阵A的维数m < n的情况:

从方程组来说,就是未知量为n,而方程个数m。

图1
以上面2x3矩阵而言,就是未知量x从三维空间被压缩到二维平面的线性变换,也就是说存在了压缩扁平化的操作,观察下图:

图2
观察要点:
● 三维空间被压缩为平面;
● 属于零空间的向量集合被压缩到零向量,可以认为在变换过程中丢失了一部分信息;
● 三维空间的基底在变换后落在平面上,并且坐标分别为(3,1),(1,5),(4,9)。
这样矩阵压缩的行为,当然可以从二维平面到一维直线,如看下图的变换矩阵(1,1)的作用下,线性空间是怎样的变化过程:

图3
观察要点:
● 属于零空间的向量集合被压缩到零向量;
● 二维空间的基底在变换后落在数轴上(直线)上,并且变换后坐标分别为1和2;
类似这样对空间压缩的操作经常被用于对数据的压缩,比如原始数据维数太大,就需要找到某种变换将原始高维属性空间降为更低维的空间,未来再主成分分析PCA时候,我们再来更详细的图形展示。
二、长矩阵
反过来考虑当矩阵A维数m > n的长矩阵:

这样未知数要比方程数少的情况,对应的是变换会从低维到高维空间进行的。比如下面矩阵就是从二维变换到三维空间的映射:

图4
类似,如果从一维到三维空间的变换矩阵也一定属于长矩阵形状的。
无论是矮矩阵,还是长矩阵,这样的非方阵和方阵的一个明显不同是,对于方阵我们可以计算它的行列式,如果不是方阵的话,就不行列式这个概念了。

图5

注:
[1] 部分截图出自3Blue1Brown的《线性代数的本质》视频;
[2] 视频可以从YouTube和B站搜索3Blue1Brown在线观看,或者在【遇见数学】公众号号后台,分别输入关键字【高等数学】和【线性代数】直接得到下载地址。

 

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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