矩阵与矩阵乘法的来历

接触过线性代数的同学,都应该知道,矩阵乘法是其中绕不开的知识点。

不过它的运算规则不如加减法那么直接。

甚至还有不同形式

形式一

形式二

为什么会这样,当初是如何确定的乘法规则,这个视频我们就来聊聊这个事情

1 矩阵的来历

阿瑟·凯莱被公认为矩阵论的奠基人

在他1858年的《矩阵理论纪要》的论文中提出,对于线性方程组

可以把未知数的系数提出来,用一种称为矩阵的紧凑阵列来表示,该阵列称为系数矩阵

如果把等号右边的数字一起提出来,那么称为增广矩阵

为了把等式两边的数字做出区分,有的书本也会把右边的数字用竖线隔开

可以看到如果用矩阵,那么线性方程组的表达简便了非常多。

如果仅仅是一个标记法,那么矩阵可能仅仅是凯莱个人的工具。而它能称为大家使用的工具,是因为给予矩阵乘法运算后,表达求解方程组的过程也会变得简单。

2 解方程组

我们知道,解方程组

就是最终要把方程组化成

的形式。下面来看看求解过程

2.1 准备工作

为了方便后面说明,标注一下方程组:

2.2 求解

乘以-3倍加到

这样得到一个新的方程组

再将的等式两边同除-2

这样就求解出了

2.3 求解

下面,将乘以-2倍加到

即得到,这样就求解出了方程组

3 小结

上面,我们求解出了线性方程组。

但要完整表达过程其实蛮繁琐的。下面,用矩阵试试。

4 矩阵乘法表达解方程组

首先函数将线性方程组用矩阵来表示

现在第一个方程在矩阵的第一行,用表示,第二个方程在矩阵的第二行,用表示

那么刚才的第一步可以表示为

因为在这一步里,第一行保持不变,所以也可以写作:

下面将变换过程中的系数也写作矩阵

把这个矩阵放到左边

这样就表示出了求解方程组的第一个步骤

5 详细说明

中,体现为

体现为

这样合起来就是

这就是的最初定义。

6 完整过程

最后,我们用上一节的方法,完整表示解方程组的过程

的解题过程就可以完全用以及矩阵乘法来表示了:

上面的过程可以串在一起:

根据矩阵乘法的规则,还能把前面这一串结合起来:

最终只需要一个矩阵,就可以解出线性方程组:

我们来验算一下最后的矩阵乘法,看得到的结果是不是正确的,并且再来熟悉下矩阵乘法的规则:

左边的矩阵:

它乘以的效果,第一行的计算结果是:

第二行的计算结果是:

结合起来确实是正确的结果:

可以看到,矩阵和矩阵乘法的出现,使得解方程组的表达变得简单了。这就是矩阵以及矩阵乘法最初的意义。

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