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线性代数 ZoomNotes

Gilbert Strang,MIT 18.06 · 第3章 / 11

第 3 部分:向量空间、子空间、基与维数

3.1 向量空间与四个基本子空间(Vector Spaces and Four Fundamental Subspaces)

向量空间(vector space)是一组在加法和标量乘法下封闭的向量集合(即所有线性组合仍在该集合内)。

Rn\mathbb{R}^n 的子空间(subspaces):

  • 任何过原点的平面
  • 任何过原点的直线
  • 仅含零向量 {0}\{0\}
  • 整个空间 Rn\mathbb{R}^n 本身

m×nm \times n 矩阵 AA 的四个基本子空间(Four Fundamental Subspaces):

  1. 列空间(Column Space)C(A)⊆RmC(A) \subseteq \mathbb{R}^m:AA 的列的所有线性组合
  2. 行空间(Row Space)C(AT)⊆RnC(A^T) \subseteq \mathbb{R}^n:AA 的行的所有线性组合
  3. 零空间(Nullspace)N(A)⊆RnN(A) \subseteq \mathbb{R}^n:Ax=0Ax = 0 的所有解
  4. 左零空间(Left Nullspace)N(AT)⊆RmN(A^T) \subseteq \mathbb{R}^m:ATy=0A^T y = 0 的所有解

3.2 向量空间 SS 的基与维数(Basis and Dimension)

向量空间 SS 的基(basis)是一组满足以下条件的向量:

  • 张成(spans)SS(SS 中的每个向量都是基向量的线性组合)
  • 线性无关(linearly independent)(没有基向量能表示成其他基向量的线性组合)

关键性质: SS 中的每个向量都可以唯一地表示为基向量的线性组合。

维数(dimension)= SS 的任意一组基中的向量个数。同一空间的所有基都具有相同数量的向量。

维数的例子:

  • Rn\mathbb{R}^n 的维数为 nn(标准基:e1,…,ene_1, \dots, e_n)
  • R3\mathbb{R}^3 中过原点的平面的维数为 2
  • R3\mathbb{R}^3 中过原点的直线的维数为 1
  • 零向量空间的维数为 0

3.3 列空间与行空间:通过消元求基(Bases by Elimination)

简化行阶梯形(Reduced Row Echelon Form,rref):消元后,矩阵可进一步化简为:

R0=[IrF00]R_0 = \begin{bmatrix} I_r & F \\ 0 & 0 \end{bmatrix}

(行可能经过置换)。IrI_r 为 r×rr \times r 单位矩阵,FF 为 r×(n−r)r \times (n-r) 矩阵,且有 m−rm-r 个零行。

列空间的基: 原矩阵 AA(而非 rref)的 rr 个主元列构成 C(A)C(A) 的一组基。

行空间的基: R0R_0(即 rref)的 rr 个非零行构成行空间 C(AT)C(A^T) 的一组基。

这些基至关重要,因为它们给出了维数:dim⁡C(A)=dim⁡C(AT)=r\dim C(A) = \dim C(A^T) = r。


3.4 Ax=0Ax = 0 与 Ax=bAx = b:xnullspacex_{\text{nullspace}} 和 xparticularx_{\text{particular}}

求解 Ax=0Ax = 0(零空间):

  1. 将 AA 化简为 rref R0=[Ir  F]R_0 = [I_r \; F]
  2. 特殊解(special solutions)构成 N(A)N(A) 的一组基:
Nullspace basis vectors=[−FIn−r]\text{Nullspace basis vectors} = \begin{bmatrix} -F \\ I_{n-r} \end{bmatrix}

共有 n−rn-r 个特殊解,每个自由变量对应一个。

求解 Ax=bAx = b(完整解):

  1. 检查相容性(consistency):消元必须得到 0=00 = 0,方程组才有解。这意味着 bb 必须在 C(A)C(A) 中。
  2. 找一个特解(particular solution)xpx_p(令自由变量为 0,解出主变量)。
  3. 完整解(complete solution)为:
x=xp+xnx = x_p + x_n

其中 xnx_n 是 N(A)N(A) 中的任意向量。完整解等于一个特解加上整个零空间。


3.5 四个基本子空间:C(A),C(AT),N(A),N(AT)C(A), C(A^T), N(A), N(A^T)

线性代数基本定理(第一部分)(Fundamental Theorem of Linear Algebra, Part 1):

dim⁡C(A)=rdim⁡C(AT)=rdim⁡N(A)=n−rdim⁡N(AT)=m−r\begin{aligned} \dim C(A) &= r \\ \dim C(A^T) &= r \\ \dim N(A) &= n - r \\ \dim N(A^T) &= m - r \end{aligned}

计数定理(Counting Theorem):对 m×nm \times n 矩阵:

  • Ax=0Ax = 0 至少有 n−mn-m 个解(当 n>mn > m 时)
  • 若 n>mn > m(高矩阵),零空间中总存在非零向量

例子: 秩为 2 的 3×53 \times 5 矩阵:

  • dim⁡C(A)=2\dim C(A) = 2
  • dim⁡N(A)=5−2=3\dim N(A) = 5 - 2 = 3
  • dim⁡C(AT)=2\dim C(A^T) = 2
  • dim⁡N(AT)=3−2=1\dim N(A^T) = 3 - 2 = 1

3.6 图、关联矩阵与基尔霍夫定律(Graphs, Incidence Matrices, and Kirchhoff's Laws)

图(graph)由节点(nodes/vertices)和连接它们的边(edges)组成。关联矩阵(incidence matrix)AA 满足:

  • 行 = 边
  • 列 = 节点
  • 元素 Aij={−1若边 i 离开节点 j+1若边 i 进入节点 j0否则A_{ij} = \begin{cases} -1 & \text{若边 } i \text{ 离开节点 } j \\ +1 & \text{若边 } i \text{ 进入节点 } j \\ 0 & \text{否则} \end{cases}

例子: 具有 3 个节点和 3 条边的三角形图:

A=[−1100−11−101]A = \begin{bmatrix} -1 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 \\ -1 & 0 & 1 \end{bmatrix}

基尔霍夫定律(Kirchhoff's Laws):

  • 电流定律(Current Law):ATy=0A^T y = 0(流入每个节点的电流之和为零)
  • 电压定律(Voltage Law):Ax=0Ax = 0 沿回路成立(闭合回路上的电压降之和为零)

树与回路(Trees and Loops):

  • 树(tree)是无回路(环)的图。对于具有 nn 个节点的树,有 n−1n-1 条边,且关联矩阵具有满列秩 n−1n-1。
  • 添加边会产生回路:每条新增的边恰好添加一个独立回路。
  • 生成树(spanning tree)使用 rr 个独立行,其中对连通图有 r=n−1r = n-1。

3.7 每个矩阵 AA 都有一个伪逆 A+A^+

伪逆(pseudoinverse,Moore-Penrose 逆)A+A^+ 对每个矩阵 AA 都存在,即使 AA 不是方阵或不具有满秩。

关键性质:

  • A+AA^+ A = 到 AA 的行空间上的投影
  • AA+A A^+ = 到 AA 的列空间上的投影
  • A+A^+ 满足四条 Moore-Penrose 条件:
    1. AA+A=AA A^+ A = A
    2. A+AA+=A+A^+ A A^+ = A^+
    3. (AA+)T=AA+(A A^+)^T = A A^+
    4. (A+A)T=A+A(A^+ A)^T = A^+ A

通过 CR 分解计算: 若 A=CRA = CR,则:

A+=R+C+A^+ = R^+ C^+

通过 SVD 计算: 若 A=UΣVTA = U \Sigma V^T,则:

A+=VΣ+UTA^+ = V \Sigma^+ U^T

其中 Σ+\Sigma^+ 是将非零奇异值取倒数得到的对角矩阵。这是数值上最可靠的方法。

当 AA 可逆时: A+=A−1A^+ = A^{-1}。伪逆将逆矩阵的概念推广到了所有矩阵。

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