1630 字
8 分钟
线性代数速查笔记

预备概念

理解 “函数”

  • 本质:定义域到值域的映射,输入到输出的映射
  • 万物皆函数:从函数的视角看,万物与世界交互,对其的作用即输入,对作用的响应即输出
  • 函数的子类
    • 函数(狭义):从数到数的映射
    • 泛函:从函数到数的映射,核心应用是变分法
    • 算子:从函数到函数的映射,这里的函数是泛指函数空间中的元素,或更一般地,向量空间中的向量
    • 变换:自映射,定义域等于值域

理解 “线性”

  • 本质:满足叠加原理
    • 可加性:𝑓(𝑥+𝑦)=𝑓(𝑥)+𝑓(𝑦),和的函数等于函数的和
    • 齐次性:𝑓(𝑎𝑥)=𝑎𝑓(𝑥)
  • 线性运算:加法和数乘,最基础的线性操作
  • 线性组合:通过线性运算将基本对象组合
  • 线性变换:满足叠加原理的变换,通常指向量的线性变换

基础对象

向量:有序数组,表示空间中的点或方向(几何视角)、一组变量的取值(数据视角)

矩阵:数的矩形阵列,可以表示线性方程组的系数、线性变换

理解线性变换 𝑨𝒙=𝒃(𝑨 为 𝑚×𝑛 实矩阵,𝒙∈ℝ𝑛,𝒃∈ℝ𝑚)的三种视角:

𝑨=[𝑎11𝑎12…𝑎1𝑛𝑎21𝑎22…𝑎2𝑛⋮⋮⋮𝑎𝑚1𝑎𝑚2…𝑎𝑚𝑛]=[row(𝑨,1)row(𝑨,2)⋮row(𝑨,𝑚)]=[ col(𝑨,1)col(𝑨,2)…col(𝑨,𝑛) ]

𝒃=𝑨𝒙=[𝑎11𝑎12…𝑎1𝑛𝑎21𝑎22…𝑎2𝑛⋮⋮⋮𝑎𝑚1𝑎𝑚2…𝑎𝑚𝑛][𝑥1𝑥2⋮𝑥𝑛]=[𝑎11𝑥1+𝑎12𝑥2+…+𝑎1𝑛𝑥𝑛𝑎21𝑥1+𝑎22𝑥2+…+𝑎2𝑛𝑥𝑛⋮𝑎𝑚1𝑥1+𝑎𝑚2𝑥2+…+𝑎𝑚𝑛𝑥𝑛]=[row(𝑨,1)row(𝑨,2)⋮row(𝑨,𝑚)]𝒙=[row(𝑨,1)⋅𝒙row(𝑨,2)⋅𝒙⋮row(𝑨,𝑚)⋅𝒙]=[ col(𝑨,1)…col(𝑨,𝑛) ][𝑥1⋮𝑥𝑛]=𝑥1col(𝑨,1)+…+𝑥𝑛col(𝑨,𝑛)

核心代数结构

线性空间(向量空间)

  • 定义:对线性运算封闭的集合(满足八条公理)
  • 关键概念:线性相关/无关、基、维数(可以为无限维)、坐标

内积空间

  • 内积:二元运算,将线性空间中的两个向量映射到一个数域 𝔽(𝔽=ℝ 或 ℂ)中的标量
    • 满足共轭对称性、第一变元线性、正定性
    • 通常讨论实内积空间,内积满足对称性、双线性、正定性
  • 内积赋予几何度量:长度(范数)、角度(进一步定义正交)、距离
  • 欧几里得空间 ℝ𝑛:⟨𝒙,𝒚⟩=𝒙𝑇𝒚,正交矩阵 𝑸𝑇𝑸=𝑰
    • 正交变换保持内积,从而保持范数、角度和距离
    • 正交矩阵的列向量(行向量)构成一组标准正交基
  • 酉空间 ℂ𝑛:⟨𝒙,𝒚⟩=𝒙∗𝒚(共轭转置),酉变换保持内积,酉矩阵 𝑼∗𝑼=𝑰
  • 希尔伯特空间:完备的内积空间,可以是无穷维,是欧几里得空间的推广
  • 平方可积函数空间 𝐿2:⟨𝑓,𝑔⟩=∫𝑓(𝑥)𝑔(𝑥)𝑑𝑥,是最典型的无穷维希尔伯特空间,也是傅里叶分析、量子力学和信号处理的基本框架

子空间

  • 运算:和、交、补、直和、正交补
  • 对于任意 𝑚×𝑛 实矩阵 𝑨(线性变换 𝑨𝒙=𝒃,𝒙∈ℝ𝑛,𝒃∈ℝ𝑚),定义四个基本子空间:
    • 零空间 𝑁(𝑨)(解空间):使输出 𝒃=𝟎 的输入 𝒙 的集合
    • 列空间 𝐶(𝑨):列向量张成的空间,也是输出 𝒃 的集合(线性变换的值域)
    • 行空间 𝑅(𝑨)=𝐶(𝑨𝑇):行向量张成的空间
    • 左零空间 𝑁(𝑨𝑇):使 𝑨𝑇𝒚=𝟎 的 𝒚 的集合,满足 𝒚𝑇𝑨𝒙=𝟎 对任意 𝒙 成立
    • 零空间中的向量被压扁成零向量,行空间中的向量被映射到列空间中,故 𝑁(𝑨)⊕𝑅(𝑨)=ℝ𝑛
    • 左零空间中的向量与任意输出正交,列空间是所有可能的输出,故 𝑁(𝑨𝑇)⊕𝐶(𝑨)=ℝ𝑚(⊕为直和)

关键数值特征

行列式

  • 几何意义:体积缩放因子
  • 性质:矩阵可逆 ⇔ 行列式 ≠ 0

特征值与特征向量

  • 理解:在特征向量的方向上,线性变换的作用简化为数乘,特征值表示该方向上的缩放倍数
  • 𝑛 阶方阵 𝑨 的特征多项式: |𝜆𝑰−𝑨|,是关于 𝜆 的 𝑛 次多项式
    • 特征多项式的零点即为 𝑨 的特征值
    • 特征值 𝜆 的代数重数:特征多项式中 𝜆 作为根的重数
  • 特征值 𝜆 的特征子空间:属于 𝜆 的全部特征向量和零向量构成的子空间
    • 特征值 𝜆 的几何重数:𝜆 的特征子空间的维数
    • 几何重数 ≤ 代数重数

相似对角化

  • 矩阵相似: 𝑨∼𝑩 ⇔ 存在可逆矩阵 𝑷 使得 𝑩=𝑷−1𝑨𝑷
    • 理解:相似矩阵表示同一线性变换在不同基下的表示, 𝑷 为两组基的过渡矩阵
  • 相似不变量:在相似变换下保持不变的量,刻画线性变换的本质属性
    • 特征多项式为相似不变量
    • 特征值(特征多项式的根)、迹(特征值的和)、行列式(特征值的积)为相似不变量
  • 矩阵 𝑨 可对角化:𝑨 与对角矩阵相似,即存在可逆矩阵 𝑷 和对角阵 𝑫,使得 𝑨=𝑷−1𝑫𝑷
    • 𝑛 阶矩阵 𝑨 可对角化的充要条件:𝑨 有 𝑛 个线性无关的特征向量,即每个特征值的几何重数 = 代数重数
  • 实对称矩阵:元素都是实数的对称矩阵
    • 实对称矩阵的特征值是实数,特征向量是实向量,且不同特征值对应的特征向量相互正交
    • 实对称矩阵可正交对角化,即存在正交矩阵 𝑷 和对角阵 𝑫,使得 𝑨=𝑷𝑇𝑫𝑷

二次型

  • 定义:设 𝑨 是 𝑛 阶实对称矩阵,𝒙 是 𝑛 元列向量,则 𝒙𝑇𝑨𝒙 是一个二次型
    • 𝒙𝑇𝑨𝒙=∑𝑖=1𝑛∑𝑗=1𝑛𝑎𝑖𝑗𝑥𝑖𝑥𝑗=∑𝑖=1𝑛𝑎𝑖𝑖𝑥𝑖2+2∑𝑖<𝑗𝑎𝑖𝑗𝑥𝑖𝑥𝑗
    • 二次型即 𝑛 个变量 𝑥1,𝑥2,…,𝑥𝑛 的二次齐次多项式,二次型 𝒙𝑇𝑨𝒙 与实对称矩阵 𝑨 一一对应
  • 二次型的标准型:二次型只含有变量的平方项,对应的矩阵为对角矩阵
    • 由于实对称矩阵 𝑨 可正交对角化 𝑨=𝑷𝑇𝑫𝑷,作正交变换 𝒚=𝑷𝒙,则 𝒙𝑇𝑨𝒙=𝒚𝑇𝑫𝒚=∑𝑖=1𝑛𝜆𝑖𝑦𝑖2,二次型化为标准型
  • 正定二次型:对任意非零向量,值恒为正的二次型,对应的实对称矩阵为正定矩阵(半正定:值恒非负)
    • 实对称矩阵(半)正定的充要条件:所有特征值为正(非负)
    • 由于 𝒙𝑇(𝑨𝑇𝑨)𝒙=(𝑨𝒙)𝑇(𝑨𝒙)≥0,矩阵 𝑨𝑇𝑨 半正定,若 𝑨 列满秩则正定