我們不妨回憶一下,矩陣是怎么產生的。矩陣可以看成是一個個向量的有序組合,這說明矩陣可以類比向量;但是向量又是怎么產生的?向量則是一個個數字的有序組合,這又把我們的研究方向指向了“數字是什么”這個問題上。比如,數字1是什么?它可以代表1米,可以代表1千克,也可以代表1分鐘、1攝氏度甚至1個蘋果。它為什么有這么多的表示意義?答案很簡單,因為在本質上,它什么都不是,它就是數字1,一個記號,一個抽象的概念。正因為它抽象,它才可以被賦予各種各樣直觀的意義!回到矩陣本身,我們才會明白,矩陣的作用如此之大,就是因為書本上那個很枯燥的定義——矩陣就是m行n列的一個數表!它把矩陣抽象出來,讓它得到了“進化”。它是一個更一般化的概念:一個向量可以看作一個矩陣,甚至一個數都可以看成一個矩陣,等等。
在現實世界里存在三維空間的問題,比如當一架飛機從地面起飛,就會有平移、旋轉等動作,如果要描述這架飛機上所有點的坐標變化,需要引入三維空間坐標,這樣每一點的變化就需在三個維度上描述,引入線性變換的線性方程組,而處理這些線性方程組,就需要計算系數與三個變量的關系,再加上空間方向引入,就剛好是三維矩陣來處理了。由此可見,矩陣在描述三維物體的運動的變化是一個很合適的工具。
同理,矩陣是用來描述運動變化的工具,運動變化再具體一點,就是變換。比如一個物體等比例變大或縮小,這種變化就可采用矩陣來描述。
再比如說,仿射變換,就是在仿射空間里從一個點到另一個點的躍遷。附帶說一下,這個仿射空間跟向量空間是親兄弟。做計算機圖形學的朋友都知道,盡管描述一個三維對象只需要三維向量,但所有的計算機圖形學變換矩陣都是4 x 4的。說其原因,很多書上都寫著“為了使用中方便”,這在我看來簡直就是企圖蒙混過關。真正的原因,是因為在計算機圖形學里應用的圖形變換,實際上是在仿射空間而不是向量空間中進行的。想想看,在向量空間里相一個向量平行移動以后仍是相同的那個向量,而現實世界等長的兩個平行線段當然不能被認為同一個東西,所以計算機圖形學的生存空間實際上是仿射空間。而仿射變換的矩陣表示根本就是4 x 4的。
“矩陣不僅可以作為線性變換的描述,而且可以作為一組基的描述。而 作為變換的矩陣,不但可以把線性空間中的一個點給變換到另一個點去,而且也能夠把線性空間中的一個坐標系(基)表換到另一個坐標系(基)去。而且,變換點 與變換坐標系,具有異曲同工的效果。線性代數里最有趣的奧妙,就蘊含在其中。理解了這些內容,線性代數里很多定理和規則會變得更加清晰、直覺。
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