MIT 线性代数导论 第一讲:线性方程组的几何解释

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这一讲主要是从行和列两个角度看待方程组的几何解释:

行图像(row picture)

从每个方程的角度理解,例如方程组:

{

2

x

y

=

0

x

+

2

y

=

3

\left\{\begin{matrix} 2x-y=0\\ -x+2y=3 \end{matrix}\right.

{2xy=0x+2y=3

其中每一个方程可以看作二维平面上的一条直线,因此,整个方程组的解就是两条直线的交点,这个是我们习惯的想法,图像如下:
在这里插入图片描述
更为重要的思路是接下来的列图像的方式进行几何解释,这是线性代数最为核心的思路。

列图像(column picture)

我们换一种想法,在列上考虑整体方程组,而不是单个的方程,可以得到下面的形式

x

[

2

1

]

+

y

[

1

2

]

=

[

0

3

]

x\begin{bmatrix} 2\\ -1 \end{bmatrix}+y\begin{bmatrix} -1\\ 2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0\\ 3 \end{bmatrix}

x[21]+y[12]=[03]

那么我们将括号中的内容理解为向量,那么线性方程组就转化为求解一组解

x

x

x,

y

y

y使的前面两个向量的组合可以得到第三个向量,从图像上可以更清楚地理解:
在这里插入图片描述

那么进一步,我们可以使用矩阵的形式表示上述过程,将系数与未知量分开,如下:

(

2

1

1

2

)

(

x

y

)

=

(

0

3

)

\begin{pmatrix} 2 & -1\\ -1 & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x\\ y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0\\ 3 \end{pmatrix}

(2112)(xy)=(03)
将上述的过程一般化,我们可以使用矩阵

A

A

A表示系数矩阵,

x

x

x向量表示要求的线性组合,使用向量

b

b

b表示组合的结果:

A

x

=

b

Ax = b

Ax=b
这就是线性代数中所常见的矩阵相乘的形式。

二维的情况比较好理解,教授在课上还举了一个三维的例子,其实原理是一样的,如果拓展到更高维的空间,方法还是一样的。

关于

A

x

=

b

Ax=b

Ax=b 存在解的问题

考虑问题:对于任意的一个向量b,是否总存在x使得上式成立。对应上面的过程,其实这个问题就是使用A(这里矩阵可以理解为多个列向量)的列向量,是否可以覆盖整个空间?例如
A中是二维向量,那么是否可以通过一定的线性组合覆盖整个平面?(三维就是覆盖整个空间)那么,我们可以想到,对于二维空间,如果两个向量恰好在一条直线上,那么显然无法覆盖整个平面,如果是一般的情况则是可以的,对于这个解的问题,是线性代数的一个重要问题,后面会有更具体的解释。

以上~

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