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【线性变换/矩阵及乘法】- 图解线性代数 03

线性变换是线性空间中的运动,而矩阵就是用来描述这种变换的工具。这样说还是没有直观印象,所以还是直接看图解的动画吧。
矩阵不仅仅只是数值的表:

其实表示了在该矩阵的作用下,线性空间是怎样的变化,观察下图二维平面中水平和垂直方向的伸缩:

图1
可以看到:
● 垂直方向并没有发生任何变换(A 的第二列没有变化);
● 水平方向伸展了2倍;
● 浅红色方格在变换后面积变成了原来的2倍,这里其实就是行列式的意义——面积的扩张倍率 Det(A)=2。
再看到更多矩阵变换之前,先停下来看看这个例子:

图2
变换前矩阵的基底向量i (1,0)移动到了(2,0)的位置,而j基底向量(0,1)还是(0,1)没发生任何变换(移动)——也就是基底的变化:

图3
一旦明白了基底的变化,那么整个线性变换也就清楚了——因为所有向量的变化都可以由改变后的基向量线性表出。观察下面向量(1, 1.5)和(-1, -3)变换后的位置:

图4
向量(1, 1.5)在变换后的位置,其实就是变换后基向量的线性表示,也可以看到矩阵的乘法是如何计算的:


 
图5
类似对于(-1, -3)变换后的位置,也是一样的计算方法:

图6
可以再次观察上图来体会,验证算出的结果。
下面再看其他的变换矩阵,这里矩阵A的对角线中有0元素:

图7
可以看到:
● 水平方向变为0倍;
● 垂直方向被拉伸为2倍;
● 面积的变化率为0倍,也就是Det(A) = 0;
基底的变化如下:

图8
再看看下面矩阵A的变换:

图9
可以看到:
● 整个空间向左倾斜转动;
● 面积放大为原来的Det(A) = 3.5倍;
上面在3个不同的矩阵作用下(相乘),整个空间发生不同的变换,但是原点没有改变,且直线依然还是直线,平行的依然保持平行,这就是线性变换的本质。
类似,在三维线性空间内,矩阵也用于这样的线性变换,需要注意的是这里行列式可以看成经过变换后体积变化的倍率。观察下图,经过下面矩阵A的变换中,空间会经过镜像翻转变换(扁平化为线), 所以行列式的值会是负数。

图10


上面就是本次图解到了一些线性代数知识点。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,希望各位老师和朋友多提宝贵意见,帮助我改进这个系列,感谢感谢啦!

 

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