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วงแหวนเว็บ
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Introduction

在矩阵之前,人们只是想把缠在一起的方程整理清楚

这一章是进入所有可视化课程前的桥:线性代数不是凭空出现的公式,而是从整理多个条件的需要中长出来的。

01

开场

最早的问题很朴素:多个未知数同时出现,要怎么找到共同答案?

在 matrix 这个词变重要之前,人们已经在处理多个未知数同时成立的方程。

{
2x + y = 5x + 2y = 4

多个条件,一个共同答案

当 x 和 y 一起出现时,我们不是在找一个孤立数字,而是在找一个同时满足所有条件的点。

这就是线性方程组的根:多个条件,一个共同答案。
02

去掉噪音

如果变量名称一直重复,那能不能先只留下数字?

聪明的一步是先把 x 和 y 暂时拿掉,只留下系数和结果,并把它们排成行。

215
124

去掉变量名,只保留方程结构

方程变成行之后,我们就能对整行做加、减、倍乘,同时保留原来的解。

《九章算术》的方程术中已经可以看到非常早的 array/elimination 思想。
03

从表格到动作

当矩阵开始移动空间,它就不只是表格了。

坐标平面改变了问题:一组数字可以描述坐标轴会被送到哪里。

กริดเดิม 1:1
ij
10
01
i = (1,0), j = (0,1)
→
คำสั่งใหม่
ij
21
01
i → (2,0), j → (1,1)
=
x' = 2x + yy' = 0x + y
Animation loads on scroll

第一列告诉 i 基向量的落点,第二列告诉 j 的落点;这两个落点一确定,整个网格就会跟着动。

04

连接机器

矩阵乘法就是把多个变换排成队。

如果 B 先移动网格,A 再移动结果,我们需要一个矩阵描述整个过程。

A
B→A→AB
ต่อกัน(matrix multiplication)
→det
พื้นที่(determinant)
A↺A⁻¹
undo(inverse)
x?→A→b
ย้อนหา x(solve Ax=b)

四个问题,其实是同一个想法

所以乘法不只是行乘列,而是把两个动作压缩成一个动作。

AB 的视觉顺序是先做 B,再做 A。
05

det 的问题

有些变换会拉伸,有些会翻转,有些会把空间压扁到信息消失。

行列式问的是:单位小方格面积变成几倍,方向有没有翻转,空间有没有塌缩。

กรณีที่ 1: พื้นที่ขยายออก (det = 3)
det
30
01
= 3(1) - 0(0) = 3
Animation loads on scroll

当 det = 0,面积塌缩成线或点,某个方向的信息丢失了,所以无法干净地撤销。

行列式早于现代矩阵理论,并长期和方程组是否有明确解的问题相关。
06

撤销

如果没有压扁空间,我们能不能把变换倒回去?

逆矩阵应该先被理解成撤销按钮,然后才是公式。

A
A⁻¹
กลับบ้านได้(inverse exists)
A
?
ข้อมูลหายไปแล้ว(no inverse)

先变换,再撤销,回到恒等变换

如果 det 为零,很多旧点已经合并到一起,我们无法可靠地知道该回到哪个原点。

07

回到原问题

Ax=b 问的是:x 要从哪里出发,经过 A 才会到 b?

现在所有部分接上了:A 是变换,x 是起点,b 是目标。

21
12
x₁
x₂
=
b₁
b₂

x 要从哪里出发,经过 A 才会到 b?

概念上,如果能撤销,就有 x = A⁻¹b;实际计算中,elimination 通常更适合大系统。

看懂这条故事线后,公式就不再漂浮。

下一步先看 Linear Transformations,因为它是让乘法、det、逆矩阵和 Ax=b 连起来的核心画面。

去看矩阵如何移动网格→
致谢与参考