数学基础系列(五)----矩阵、矩阵的秩、向量、特征值与特征向量

前面学习了矩阵很多基础知识,那么遇到具体的线性方程组该怎么办呢?该怎么转换为矩阵来求解呢?如下图所示,A为系数矩阵,X是未知数矩阵,B是常数矩阵。

  

数学基础系列(五)----矩阵、矩阵的秩、向量、特征值与特征向量

2、矩阵转置

简单来说就是矩阵的行元素和列元素互相调换一下。

  

数学基础系列(五)----矩阵、矩阵的秩、向量、特征值与特征向量

下面列出一些矩阵转置常用的公式

  

数学基础系列(五)----矩阵、矩阵的秩、向量、特征值与特征向量

这些都没有什么好说的,都比较好理解,要注意的是就是最后一个公式的前后的顺序是不同的。

3、对称矩阵

如果满足$A^{T}=A$,那么A就是对称矩阵

  

数学基础系列(五)----矩阵、矩阵的秩、向量、特征值与特征向量

4、逆矩阵

A为n阶方阵,如果说存在n阶方阵B,使得AB=BA=I(I为单位矩阵),那么就称A、B互为逆矩阵,记作:B=A-1

性质(前提矩阵可逆):

  

数学基础系列(五)----矩阵、矩阵的秩、向量、特征值与特征向量

二、矩阵的秩

矩阵的秩很重要,对后面特征值,特征向量的理解很重要,要重点注意这个地方。

对于一个$S\times N$的矩阵:$A=\begin{bmatrix}a_{11} & a_{12} & \cdots  & a_{1n}\\ a_{21} & a_{22} & \cdots  & a_{2n}\\ \cdots  & \cdots  & \cdots  & \cdots \\ a_{s1} & a_{s2} & \cdots  & a_{sn}\end{bmatrix}$

矩阵A的每一行可以看作一个N维向量:$\alpha _{i}=(a_{i1},a_{i2},\cdots ,a_{in}),i=1,2,\cdots ,s$,所以$\alpha _{1},\alpha _{2},\cdots ,\alpha _{s}$称作A的行向量

矩阵A的每一列也可以看作一个S维向量:$\beta _{j}=\begin{bmatrix}a_{1j}\\ a_{2j}\\ \vdots \\ a_{ij}\end{bmatrix},j=1,2,\cdots ,n$,所以$\beta _{1},\beta _{2},\cdots ,\beta _{n}$称作A的列向量。

那么矩阵的秩到底表示什么呢?

比如说有一个矩阵$A=\begin{bmatrix}1 & 1 & 3 &1 \\ 0 & 2&-1  & 4\\ 0 & 0 & 0 & 5\\ 0 & 0 & 0 & 0\end{bmatrix}$

矩阵A的行向量组为:$\begin{matrix}\alpha _{1}=(1,1,3,1) &\alpha _{2}=(0,2,-1,4) \\ \alpha _{3}=(0,0,0,5) & \alpha_{4}=(0,0,0,0)\end{matrix}$

现在我们需要求这个行向量组的极大线性无关组,假设有$k_{1}\alpha _{1}+k_{2}\alpha _{2}+k_{3}\alpha _{3}=0$。具体代入如下图所示

  

数学基础系列(五)----矩阵、矩阵的秩、向量、特征值与特征向量

解得$k_{1}=k_{2}=k_{3}=0$,即$\alpha _{1},\alpha _{2},\alpha _{3}$线性无关

由于矩阵里面含有一个零向量,所以这个零向量必然和矩阵里面其他向量线性相关,所以向量组:$\alpha _{1},\alpha _{2},\alpha _{3},\alpha _{4}$的秩为3。简单来说,矩阵的秩就是矩阵里面的所有向量最大的线性无关的数目。

对于列向量同理可得:$\beta _{3}=\frac{7}{2}\beta _{1}-\frac{1}{2}\beta _{2}+0\beta _{4}$,但$\beta _{1},\beta _{2},\beta _{4}$线性无关,所以向量组:$\beta _{1},\beta _{2},\beta _{3},\beta _{4}$的秩为3,综上所述,即矩阵的行秩等于列秩。

那么矩阵的秩到底该怎么来理解呢?以下内容参考了知乎大神的理解:https://www.zhihu.com/question/21605094

可以对二维图形(实际上就是代表一个矩阵)进行旋转,比如用旋转矩阵:$\begin{bmatrix}\cos(\theta )  &-\sin (\theta ) \\ \sin (\theta ) & \cos(\theta )\end{bmatrix}$去乘以二维图形代表的矩阵。

  

数学基础系列(五)----矩阵、矩阵的秩、向量、特征值与特征向量

变换后依然是二维的,所以旋转矩阵的秩为2

在假如说通过这样的矩阵$\begin{bmatrix}1 & -1\\ 1 & -1\end{bmatrix}$来对图形进行旋转。

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