1.0 何为线代

何为「 线性 」

  相信大家看到《线性代数》这门课的时候,自然就会有一个想法:“线性”指的是什么意思?显然老师也意识到了,于是在第一节课解释说:

“线性”就是很简单的意思


  我:???(っ °Д °;)っ

  对于这个答案很多人显然是不满的,我最开始对线性代数的理解就是“向量”,因此我最开始对“线性代数”中“线性”的看法是“可以像向量那样拆分和组合”。
  但是问题又来了:这句话又是什么意思,凭什么说这是线性?
  那么我们不妨还是从“线性”这个概念本身出发。
f(x)=kxf(x)=kx
  天王老子来了这都得是一条过原点的直线
  那么什么是“线性”呢?
  根据我们大学之前的理解,什么是线性什么不是线性是很好判断的,比如说x2x^2、sin⁡x\sin x这些都不是线性,一个最直观的感受就是他们不是直线,因此xx变化多少,函数值的变化是不均匀的,也就是说“线性”得满足
  Δy=kΔx\Delta y=k\Delta x
这样它的变化就是均匀的了,是一条直线!当我们考察加法和乘法如何作用时,我们也很容易就能得出线性所要求的性质:

f(x1+Δx)=f(x1)+f(Δx)f(x_1+\Delta x)=f(x_1) + f(\Delta x)

f(kx)=kf(x)f(kx)=kf(x)

换句话说,f()f()这个映射可以和加法、乘法的顺序调换,我们就说它是线性的

注意

这里的“推出”以及对线性的解释都不是很严谨
比如f(x)=kx+bf(x)=kx+b也是直线,但由于线代考虑的是从原点出发,这里探讨“线性”就没有提到它。
现在网上又很多能讲清严格定义和推导的优秀视频,所以我更希望这个系列强调的是一种更符合直觉的理解,或者能引导读者新的正确的直觉,而不是公式的严谨推导。
此后类似情况会更多,但不会出现如此大片的“注意”。

  那我们回头看一看向量的加法和数乘为什么是线性的:
  首先两个向量相加,对应的就是他们对应的坐标单独相加;当一个向量进行数乘,相当于它每个坐标乘以这个数。因此,向量确实符合我们这里对“线性”的定义。
  
  我们可以带着“线性”的视角观察下面这个方程组:

  {x+y=1x−y=3\begin{cases} x + y = 1 \\ x - y = 3 \end{cases}

  对于第一个方程 , yy 每增加 1 , 等号右侧的总值就会 + (1)∗1(1) * 1
  对于第二个方程 , yy 每增加 1 , 等号右侧的总值就会 + (−1)∗1(-1) * 1
  对于xx同理,同时,我们对整个方程做乘法,相当于对里面每个元素做乘法。

  因此,我们也可以说这个方程组是线性的。

线性代数与矩阵

代数是什么

  代数,字面上看就是“用字母去替代数”,延申一下,就是去揭示、研究计算背后共有的结构和规律。那么线性代数,显然就是在研究符合“线性”的计算了。

矩阵

  研究是需要工具的,那么矩阵就是研究线性的得力工具。
  我们知道向量是线性的,因此我们可以把一个横坐标为1,纵坐标为2的向量写成[12]\begin{bmatrix} 1 \\ 2 \end{bmatrix}
  而上文的二元一次方程组也是线性的,我们就可以把上文的方程组变成下面的形式:
[111−1][xy]=[13]\begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1&-1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} 1 \\ 3 \end{bmatrix}
  因此,很多线性运算都可以用矩阵来表示和理解,同样的,我们在理解矩阵时,也可以在这些观点中来回转换。这样的好处是,我们学习线代,并不是从0开始,而是把他们「 化归 」成我们已经学过的、熟悉的知识上。事实上对于高中数学,绝大部分知识都可以进行化归,这个学习笔记里,我也尝试对线代这么做,或许化归也是理解线代运算的一个利器~

碎碎念

  哈,终于写完啦。其实很早就想写了但是一直拖到现在(/ω\)
  不管怎么样行动起来就好!

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