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  • 第一节、方程组的几何解释

    一、线性方程组

      啥是方程组?把一堆方程放在一起就是方程组。比如:  是方程组,也是方程组。相关概念就不多叙述了,如有需要请自行百度。

      另外说说线性,所谓线性,就是指量与量之间按比例、成直线的关系。换句话说,线性代数里研究的所有变量都是一次的,所以千万不要在这里脑抽问遇到x2+y=1咋办啊之类的问题呦。至于线性方程的其他性质,自行百度。

    二、方程组的矩阵表示

    (1)先以两方程两未知数的举例:

      现在有一个方程组   

      我们把变量的系数单独拿出,得到这样的一个矩阵 (没错,介货就是矩阵,可以看出它的数字排列和上面方程组的系数是一一对应的),我们管这个矩阵叫做系数矩阵,用A表示。

      然后,我们用两个未知数组成一个列向量(为啥叫向量呢?因为人家就一列啊),用x表示。

      最后,再写出一个列向量,没错,这货是由两个方程的得数组成的,用b表示。

      经过上面的步骤,就可以得到方程组的矩阵表示了,让我们对比着看一下

       

       

      Ax=b

    (2)同理,三方程三未知数(以及其他情况)的方程组也可以用相同的方法进行表示。

      

      

      Ax=b

    三、方程组的几何解释

    (1)先以两方程两未知数进行举例:

      首先,瞎编一个方程组 (为了方便绘图,这里的方程组和之前所用的不同)

      第一步,我们作该方程组的行图像

      一次拿一行(一个方程),在xy坐标系上做出方程的图像。

      如图可知,红色的是x+y=1的图像,绿色的是x-2y=4的图像,交点坐标(2,-1),so,x=2,y=-1为方程组的解

      

      行图像大家都非常熟悉了,在此不做过多介绍

      第二步,我们看一下列图像

      首先,我们写出方程组 ,顺便写出矩阵形式

      然后,我们按列将系数拿出,写成如下形式(在此处,我们实际是将系数矩阵A的每一列作为一个向量拿出)。

      现在,我们的任务是寻找一对合适的xy,使得x倍的向量与y倍的向量能组合成向量(线性组合)。

      三个向量图形如下

      

      在前面我们已经求出方程组的解为x=2,y=-1,让我们将其带入,看看会发生什么

      

      带入后发现,所得到的向量就是向量b。

      让我们分析一下计算过程,将2倍的向量与-1倍的向量进行线性组合,上方2*1+(-1)*1=1、下方2*1+(-1)*(-2)=4,由此得到

      事实上,若两个分量(即我们提取出来的两个列向量)不共线,他们的线性组合可以构成xy坐标系内的任意一个向量。这个以后再讨论

    (2)两方程两未知数的说完了,让我们看看三方程三未知数的情况

      先召唤一个方程组 

      第一步,作该方程组的行图像

      两未知数的方程作图是一条直线,而三未知数的方程作图是一个平面,理论上(有解时)三个平面会相交于一点,该点坐标即为方程组的解。

      如图,x+y+z=1, x-2y=0 , y-2z=-2 。(画风鬼畜,见谅)

      

      这里可以看出,用行图像解三元的方程组并不简单,那么列图像表现又如何呢?

      第二步,作方程组的列图像 

      话不多说

      我们的目的是用x倍的加上y倍的,加上z倍的构成

      这里就不画图像了,大家可以看出(一般书里用的是“显然”),只需要让x=0,y=0,z=1就可以得到我们想要的向量,相比于行图像,列图像在这里显得十分简洁方便

      对于变量更多的方程组,我们不可能画出他们的图像,但借助列向量我们却可以对它们进行直观的认识

    四、矩阵乘以向量计算

      这里简单介绍下矩阵和向量相乘的计算,完整矩阵相乘版以后会讲

      首先召唤一个矩阵和一个向量,比如 ,它们两个相乘可以看作取四个第一列和一个第二列然后相加,即 ,也就是 。换句话说,矩阵乘以向量的结果是矩阵列的线性组合

      当然,还有另外一种方法,矩阵相乘的解矩阵中的第i行第j个列的数是第一个矩阵的第i行和第二个矩阵的第j列点乘的结果。

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