【秩 / 列空间 / 零空间】- 图解线性代数 09

我们来做一个简短的回顾.

矩阵乘法可以理解为一个特定的线性变换, 矩阵的列向量相当基向量 i: (1,0) 和 j: (0,1) 经过变换过后的到达向量.

(原谅我用鼠标进行的标注吧)

空间变换后的任何向量都可以由矩阵 A 的列向量线性表出, 而这些所有可能的结果, 也就是矩阵的列所张成的列空间(Column Space).

原先的空间经过这样2x2 矩阵 A 线性变换后的空间可能会三种情况:

  • 还是平面 -仍是二维空间;

  • 被压缩为一条线 - 变成了一维;

  • 被压缩到原点 -  零维;

在数学专业的词汇来表示线性变换后空间的维数, 称之为矩阵的秩( Rank ) . 换句话说, 列空间就是矩阵的列所张成的空间. 所以矩阵秩的另一种定义可以说是列空间的维数. 经过变换后被压缩到原点的向量集合, 称为矩阵 A 的"零空间"(Null Space)或"核"(Kernel), 记为 Null(A) 或 Ker(A).

对照上面的三种情况, 来分别来观察.

1

变换 后仍是平面

观察要点:

  • 如果经过矩阵 A 变换后的结果是一个平面, 则 rank( ) = 2, 空间没有被压缩扁平化, 因此可逆, 称之为非奇异矩阵;

  • 这样秩与列数相等, 称之为满秩(Full Rank)矩阵.

  • 对于满秩矩阵来说, 变换后唯一落在原点的就是零向量本身, 也就是 dim Ker( ) = 0;

2

变换后被压缩为一条直线

  • 当变换的结果是一条直线, 该矩阵是一维的, 称rank(A) = 1, 此时矩阵不可逆, 称为奇异矩阵;

  • 这样非满秩矩阵, 会将空间压缩到更低的一维直线上, 也就是由嫩绿色直线上一系列的向量在变换后成为零向量;

  • 零空间的维度为 1,  dim Ker(A) = 1;

3

变换压缩到原点

  • 当变换的结果是压缩到原点, 则该矩阵是零维的, 称 rank(A) = 0;

  • 而零空间维度为 2, dim Ker(A) = 2;

维数定理

假设 A 是 mxn 矩阵(非方阵的情况, 下次会介绍), 维数定理就是:

dim Ker(A) + rank(A) = n

相信如果理解透彻 2x2 矩阵的情况, 那更高维的矩阵也就清楚了.

上面就是本次图解线性代数所回顾的知识点. 好了, 现在让我们在下一篇的中再见!

因为本人水平有限, 疏忽错误在所难免, 还请各位老师和朋友多提宝贵意见, 帮助我改进这个系列, 您的关注和转发就是鼓励我继续前行的最大动力, 感谢感谢!

相关图解线性代数文章:

【向量】- 01

【基底 / 线性组合 / 线性无关(相关)】- 02

【线性变换/矩阵及乘法】-  03

【行列式】- 04

【矩阵的乘积/复合变换】- 05

【矩阵的逆/逆变换】- 06

【方程组的解1/零空间/核】- 07

【方程组的解2】- 图解线性代数 08

(0)

相关推荐

  • 机器学习中的线性代数

    机器学习的线性代数概念概述 介绍 通过使用矩阵和向量以及线性代数库(例如Python中的NumPy),线性代数使我们能够在使用更简单的代码的同时,以更有效的计算方式执行大量计算.至少了解线性代数的数值 ...

  • 【方程组的解/零空间/核】- 图解线性代数 07

    线性代数在许多领域都被广泛应用的主要原因是能够求解给定的线性方程组(Linear System of Equations). 这一次来看如何用矩阵的语言来构建简单的数学模型来: 有若干只鸡和兔在同个笼 ...

  • 「图解线性代数」-以动画方式轻松理解线性代数的本质与几何意义

    来源:遇见数学 线性代数是数学中的一个非常重要科目, 需要研究线性空间, 线性变换和线性方程组. 至于应用就太广泛了, 图像处理, 压缩, 信号处理, 统计分析, 机器学习, 网页排序...... 刚 ...

  • 【特征值 / 特征向量】- 图解线性代数 11

    "特征"一词译自德语的eigen, 意味着"自身的","有特征的" - 这强调了特征值对于定义特定的线性变换上是很重要的. ☺ 特征值 / ...

  • 【矮矩阵 / 长矩阵】- 图解线性代数 10

    矩阵乘法可以理解为一个特定的线性变换, 比如在 2x2 的可逆矩阵表示就是二维空间的(可逆)变换; 3x3 的可逆矩阵表示三维空间的变换. 这些都是 nxn 型的矩阵, 本节来看看更一般 mxn 矩阵 ...

  • 【方程组的解2】- 图解线性代数 08

    这次我们来看看三个方程式, 三个未知数的方程组解(即平面方程组)的情况. 其中每一个方程可以看做代表了三维空间中的一个平面, 而方程组的解集就可能是空间中的一部分: 无解, 一个交点, 一条直线或一个 ...

  • 【矩阵的逆/逆变换】- 图解线性代数 06

    这次我们来看如何把矩阵 A 经过变换后的向量再还原回去. 观察下面如何从变换后的向量(-1.5, 2) 还原为向量 (1, 0.5) 的过程: 注意观察要点: 变换后线性空间还是完整的二维空间; 变换 ...

  • 【矩阵的乘积/复合变换】- 图解线性代数 05

    矩阵向量的乘积可以理解为将一个特定的线性变换作用在向量上, 本次我们先看几个特殊的矩阵下的变换以及矩阵矩阵的乘积. 零矩阵 即所有元素都是 0 的矩阵, 记为 O . 可以用下标来表示矩阵的大小: 零 ...

  • 【行列式】- 图解线性代数 04

    这次我们主要做一个回顾, 再进一步将行列式的几何意义用动画展示说明. 我们说矩阵 A 可以视为一种线性变换, 所以 上面的式子意味着求一个向量 x 在线性变换 A 后的位置与向量 v 重合. 现在看个 ...

  • 【线性变换/矩阵及乘法】- 图解线性代数 03

    线性变换是线性空间中的运动, 而矩阵就是用来描述这种变换的工具. 这样说还是没有直观印象, 所以还是直接看图解的动画吧. 矩阵不仅仅只是数值的表: 其实表示了在该矩阵的作用下, 线性空间是怎样的变化, ...