[work] 理解矩阵乘法

清疚 2022-04-21 18:02 239阅读 0赞

大多数人在高中，或者大学低年级，都上过一门课《线性代数》。这门课其实是教矩阵。

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刚学的时候，还蛮简单的，矩阵加法就是相同位置的数字加一下。

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矩阵减法也类似。

矩阵乘以一个常数，就是所有位置都乘以这个数。

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但是，等到矩阵乘以矩阵的时候，一切就不一样了。

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这个结果是怎么算出来的？

教科书告诉你，计算规则是，第一个矩阵第一行的每个数字（2和1），各自乘以第二个矩阵第一列对应位置的数字（1和1），然后将乘积相加（ 2 x 1 + 1 x 1），得到结果矩阵左上角的那个值3。

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也就是说，结果矩阵第m行与第n列交叉位置的那个值，等于第一个矩阵第m行与第二个矩阵第n列，对应位置的每个值的乘积之和。

怎么会有这么奇怪的规则？

我一直没理解这个规则的含义，导致《线性代数》这门课就没学懂。研究生时发现，线性代数是向量计算的基础，很多重要的数学模型都要用到向量计算，所以我做不了复杂模型。这一直让我有点伤心。

前些日子，受到[一篇文章][Link 1]的启发，我终于想通了，矩阵乘法到底是什么东西。关键就是一句话，**矩阵的本质就是线性方程式，两者是一一对应关系。**如果从线性方程式的角度，理解矩阵乘法就毫无难度。

下面是一组线性方程式。

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矩阵的最初目的，只是为线性方程组提供一个简写形式。

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老实说，从上面这种写法，已经能看出矩阵乘法的规则了：系数矩阵第一行的2和1，各自与 x 和 y 的乘积之和，等于3。不过，这不算严格的证明，只是线性方程式转为矩阵的书写规则。

下面才是严格的证明。有三组未知数 x、y 和 t，其中 x 和 y 的关系如下。

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x 和 t 的关系如下。

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有了这两组方程式，就可以求 y 和 t 的关系。从矩阵来看，很显然，只要把第二个矩阵代入第一个矩阵即可。

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从方程式来看，也可以把第二个方程组代入第一个方程组。

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上面的方程组可以整理成下面的形式。

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最后那个矩阵等式，与前面的矩阵等式一对照，就会得到下面的关系。

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矩阵乘法的计算规则，从而得到证明。

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[Link 1]: https://nolaymanleftbehind.wordpress.com/2011/07/10/linear-algebra-what-matrices-actually-are/
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