方程组的几何解释

2018-11-20  本文已影响0人  c4b95022557e

从一个例子讲起:2个方程,2个未知数的方程组
\left\{ \begin{aligned} 2x-y=0\\ -x+2y=3\\ \end{aligned} \right.
写成矩阵形式为
\begin{bmatrix}2&-1\\-1&2\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\3\end{bmatrix}
第一个矩阵称为系数矩阵A,第二个矩阵称为x,第三个矩阵称为b,这样方程组可写为Ax=b,一个行图像显示一个方程,可以画出该方程组的行图像:

列图像:

原方程组可写为x\begin{bmatrix}2 \\ -1\end{bmatrix}+y\begin{bmatrix}-1\\2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\3\end{bmatrix},该方程是寻找如何将\begin{bmatrix}2 \\ -1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}-1\\2\end{bmatrix}两个向量正确组合,来构成\begin{bmatrix}0\\3\end{bmatrix},这就需要找到正确的线性组合。将\begin{bmatrix}2 \\ -1\end{bmatrix}记作col_1\begin{bmatrix}-1\\2\end{bmatrix}记作col_2,当x=1,y=2时,等式成立。下面画出列向量:

如果选取所有的x和y,即所有的组合,结果会得到整个二维空间。下面来看三维空间的例子:
\left\{ \begin{aligned} 2x-y=0\\ -x+2y-z=-1\\ -3y+4z=4 \end{aligned} \right.
在这里A=\begin{bmatrix}2&-1&0 \\ -1&2&-1\\0&-3&4\end{bmatrix},b=\begin{bmatrix}0 \\ -1\\4\end{bmatrix}。在三维空间中,每一个方程确定一个平面,而例子中的三个平面会相交于一点,这个点就是方程组的解。将方程组写成列向量的线性组合:
x\begin{bmatrix}2\\-1\\0\end{bmatrix}+y\begin{bmatrix}-1\\2\\3\end{bmatrix}+z\begin{bmatrix}0\\-1\\4\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\-1\\4\end{bmatrix}
同样将这三个列向量分别称为col_1、col_2、col_3,显而易见,当x=y=0,z=1时满足该等式。但不是对于所有的右侧向量b都有解,当col_1、col_2、col_3共面时,只有当b在此平面内时,方程组才有解,否则无解。

最后介绍矩阵形式的Ax=b,举个例子,取A=\begin{bmatrix}2&5\\1&3\end{bmatrix},x=\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix},则Ax=\begin{bmatrix}2&5\\1&3\end{bmatrix}\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix}=1\begin{bmatrix}2\\1\end{bmatrix}+2\begin{bmatrix}5\\3\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}12\\7\end{bmatrix}

总之,A右侧乘以一个向量可以看成A的各列的线性组合。

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