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MIT线性代数-方程组的几何解释

MIT线性代数-方程组的几何解释


假设有一个方程组 A X = B AX=B AX=B表示如下
2 x − y = 0 (1) 2x-y=0\tag{1} 2xy=0(1)
− x + 2 y = 3 (2) -x+2y=3\tag{2} x+2y=3(2)

  • 矩阵表示如下:
    [ 2 − 1 − 1 2 ] [ x y ] = [ 0 3 ] (3)
    [2112]
    [xy]
    =
    [03]
    \tag{3}
    2112 xy = 03 (3)

1. 二维空间

1.1 行方向

  • 从行的方向上可以得到如下图形:
    在这里插入图片描述
  • 得到的交点M(1,2) 就是矩阵求得的x=1,y=2答案。

1.2 列方向

将方程变换成列方向,可得如下结构:
x [ 2 − 1 ] + y [ − 1 2 ] = [ 0 3 ] x

[21]
+y
[12]
=
[03]
x 21 +y 12 = 03

  • 可以看成两个向量a= [ 2 − 1 ]
    [21]
    21
    ,b= [ − 1 2 ]
    [12]
    12
    的线性组合。
    在这里插入图片描述
  • 从列方向可以看出来,方程组可以看出来是以a= [ 2 − 1 ]
    [21]
    21
    ,b= [ − 1 2 ]
    [12]
    12
    为基,以 x, y 为系数,进行向量计算求得向量 [ 0 3 ]
    [03]
    03

2. 三维空间

2.1 行方向

2 x − y = 0 ; − x + 2 y − z = − 1 ; − 3 y + 4 z = 4 2x-y=0;\quad-x+2y-z=-1;\quad-3y+4z=4 2xy=0;x+2yz=1;3y+4z=4
三维图像如下:
在这里插入图片描述

  • 我们发现,对于方程组来说,我们从行方向画图的时候发现,特别难找到三个平面的交点,为此我们希望用更简单的方式看方程组(列方向)

2.2 列方向

  • 方程组: 2 x − y = 0 ; − x + 2 y − z = − 1 ; − 3 y + 4 z = 4 2x-y=0;\quad-x+2y-z=-1;\quad-3y+4z=4 2xy=0;x+2yz=1;3y+4z=4
  • 转换成矩阵:
    x [ 2 − 1 0 ] + y [ − 1 2 − 3 ] + z [ 0 − 1 4 ] = [ 0 − 1 4 ] x
    [210]
    +y
    [123]
    +z
    [014]
    =
    [014]
    x 210 +y 123 +z 014 = 014
  • 从列方向的角度来看,我们是以 a = [ 2 − 1 0 ] , b = [ − 1 2 − 3 ] , c = [ 0 − 1 4 ] a=
    [210]
    ,b=
    [123]
    ,c=
    [014]
    a= 210 ,b= 123 ,c= 014
    为基,以x,y,z为系数画图,求得向量 z = [ 0 − 1 4 ] z=
    [014]
    z= 014
  • 那么我们就可以以更简单的方式进行求解系数x,y,z
    在这里插入图片描述
  • 通过矩阵方程和图形可以看出,当x=0,y=0,z=1时可以得到结果
    0 [ 2 − 1 0 ] + 0 [ − 1 2 − 3 ] + 1 [ 0 − 1 4 ] = [ 0 − 1 4 ] 0
    [210]
    +0
    [123]
    +1
    [014]
    =
    [014]
    0 210 +0 123 +1 014 = 014
  • 只有当向量a,b,c 相互独立,那么就可以通过系数x,y,z来求得向量z;
  • AX=b 表示的是将A的列向量进行组合得到向量b.
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