数学基础-线性代数

代数学

矩阵

基本概念

一个\(n \times m\)的矩阵是\(n\)\(m\)列的举行整列,一般由数组成,下面是一个\(2 \times 3\)的矩阵.\[ \begin{pmatrix}1&2&3\\4&5&6 \end{pmatrix}\]
单位矩阵\(I = \begin{pmatrix} 1 & \cdots & 0\\ \vdots & \ddots &\vdots\\ 0 & \cdots &1\end{pmatrix}\),也就是对角线上为1,其他都为0的矩阵.

基本运算

矩阵加法
每行每列各个数各自相加

矩阵乘法
\(A\)\(n \times m\)的矩阵,\(B\)\(m \times p\)的矩阵,他们的乘积\(C\)是一个\(n \times m\)的矩阵, 其中\[C_{i,j} = \sum_{k=1}^{m}A_{i,k} \times B_{k,j}\]

矩阵的幂
\[A^0=I\]
\[A^n=A^{n-1} \times A(n > 0)\]

矩阵的转置
\(n \times m\)的矩阵\(A\)的转置\(A^T\)是个\(m \times n\)的矩阵, 可以通过\(A\)交换行列得到.

矩阵的逆
只有\(n \times n\)可能存在逆, 矩阵\(A\)的逆\(B\)满足
\[A \times B = B \times A = I\]
如果\(B\)存在,则\(B\)是唯一的,一般记做\(A^{-1}\)

性质

  1. 矩阵惩罚满足分配率,结合律,不一定满足交换律
  2. 矩阵假发满足交换律结合率

算法

矩阵满足结合律,所以在求矩阵的幂的时候可以使用快速幂加速

行列式

基本概念

行列式是一个定义域为\(n \times n\) 的矩阵, 值域为一个标量函数, 通常记为\(det(A)\)

行列式也可以表示为\(n\)维广义欧几里得空间中的有向体积.

一个\(n \times n\)的行列式定义为\[det(A) = \sum_{\sigma \in S_n}(-1)^{n(\sigma)}\prod_{i=1}^na_{i,\sigma(i)}\]
其中\(S_n\)表示集合\(\{1,2,3 \cdots, n\}\)上置换的全体,\(n(\sigma)\)是对一个置换中逆序对的个数,逆序对的定义为满足\(1 \le i < j \le n\)\(\sigma(i) > \sigma(j)\)\((i,j)\)

性质

  1. 若矩阵中一行或者一列为0,那么该行列式的值为0
  2. 若矩阵中有一行有公因子k, 那么可以提出k, 使得\(D=kD_1\)
  3. 若矩阵中有一行可以拆分成两个数之和,那么该行列式可以拆分成两个行列式相加(剩余的行和列不发生改变)
  4. 交换矩阵的两行,行列式取反
  5. 将一行的\(k\)倍加到另一行上,行列式不变
  6. 转置,行列式不变
  7. 有上述性质可以得到,如果该矩阵是上三角或者下三角矩阵时,行列式的值等于对角线的乘积

解线性方程组

基本概念

解线性方程组即求解方程组
\[\begin{cases} a_{1,1}x_1 + a_{1,2}x_2 + \cdots + a_{1,n}x_n = b_1 \\\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \vdots \\ a_{m,1}x_1 + a_{m,2}x_2 + \cdots + a_{m,n}x_n = b_m\end{cases}\]
也可以表示为\(Ax = B\), 其中\(A\)\(m \times n\)的矩阵, \(x\)\(n\)维列向量,\(b\)\(m\)维列向量, 即
\[\begin{pmatrix} a_{1,1} &\cdots &a_{1,n} \\ \vdots& \ddots &\vdots \\ a_{m,1} &\cdots &a_{m,n} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_1 \\ \vdots \\ x_n \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}b1 \\ \vdots \\ b_m \end{pmatrix}\]

算法

  1. 高斯消元(Gaussian elimination)

矩阵的初等变换:

互换矩阵两行(列),用非零常熟乘某一行(列),某行(列)的\(k\)倍加到矩阵的另一行(列)(避免精度损失)

则上述方程组可以用一个增光矩阵表示.
\[\begin{pmatrix} a_{1,1} & \cdots & a_{1,n} & b_1 \\ \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ a_{m,1} & \cdots & a_{m,n} & b_m \\ \end{pmatrix}\]
于是我们只要进行初等变换使得上述矩阵称为上三角矩阵就行了.

  1. 克莱姆法则(Cramer rule)

\(A\)\(n \times n\)的矩阵时,可用Cramer rule进行求解, 方程的解为:
\[x_i = \frac{D_i}{D}\]
其中\(D\)\(A\)的行列式, \(D_i\) 是将\(A\)中第\(i\)列替换成\(b\)后得到的矩阵的行列式.
例如上述列子中,求解\(x_2\), 已知:\[D = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 2 \\ 1 & 2 & 3 \end{pmatrix} = -1, D\begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 2 \\ 1 & 6 & 3 \end{pmatrix} = -3\]
立刻就可以得到:\[x_2 = \frac{D_2}{D} = 3\]

用途

  1. 求解可逆矩阵的逆矩阵:

对于一个\(n \times n\)的非奇异矩阵, 在矩阵右侧补上一个\(n \times n\)的单位矩阵, 对于这个\(n \times (2n)\)的矩阵进行高斯消元, 使得这个矩阵左侧变成一个\(n \times n\)的单位矩阵.这是右侧的\(n \times n\)的矩阵就是原矩阵的逆矩阵

  1. 同模方程组也可使用高斯消元, 在除法时用乘逆元代替. 偶遇只有在模素数时, 非零数的逆元才唯一, 所以, 素数模才能保证有唯一解
  2. 求解行列式的值.消成上三角矩阵就OK.

Expand

  1. 由于在消元过程中需要用到除法, 所以会有浮点运算精度问题, 不同的消元顺序可能会导致较大的差异, 推荐使用绝对值较大的主元进行消元, 能达到比较好的效果
  2. 可以使用辗转相除法进行消元,这样做可以保证稀疏为整数.

多项式

基本概念

给定一个数域\(R\), 变量\(x\), 一元多项式的形式是:
\[f(x) = \sum_{i=0}^na_ix^i\]
其中\(a_i \in R\), 并且\(a_n \not= 0\)

多项式中次数最高的项称为首项,首项的系数等于1的多项式称作首一多项式

多项式加法: 对应次数系数做加法.例如:
\[f(x) + g(x) = \sum_{i=0}^n(a_i + b_i)x^i\]
多项式乘法: 两个多项式的每一项都相乘, 例如:
\[f(x) \bullet g(x) = \sum_{i=0}^n\sum_{j=0}^na_ib_jx^{i+j}\]

性质

  1. \((1 + x)^n = \sum_{i=0}^n \binom{n}{i}x^i\)
  2. \(n\)个点可以唯一确定一个\(n\)次多项式
  3. 一个\(n\)次多项式有\(n\)个负数根

算法

用牛顿迭代法求解方程的根

选择一个靠近多项式\(f(x)\)零点的点\(x_0\)作为迭代初值, 计算$f(x_0) $和 \(\mathop{{f}'}(x_0)\), 解方程:
\[x \cdot \mathop{{f}'}(x_0) + f(x_0) - x_0 \cdot \mathop{{f}'}(x_0) = 0\] 得到解\(x_1\)如此反复迭代,就可以求出多项式的一个根.

复数

基本概念

复数是由实部和虚部组成的数,通常有两种表示方法, \(z=a+bi\), \(a\)\(b\)都是实数,\(i\)是虚单位根,满足\(i^2=-1\),\(|z|=sqrt(x^2+y^2)\)表示复数的模长.复数也可以表示为\(z = Re^{i\varphi}=R(cos(\varphi)+isin(\varphi))\), 其中\(R=|z|\),\(e^{i\varphi}=cos(\varphi)+isin(\varphi)\)

复数的运算满足结合律,分配率和交换率
复数可以表示为实数平面上的一个向量, 复数的乘法可以理解为两个向量的角度相加,模长相乘, 因此用复数的乘法处理向量的旋转非常的方便.具体来说,如果一个向量\((x,y)\)旋转\(\varphi\), 可以视为两个复数, \(x+yi\)乘以\(cos(\varphi) + sin(\varphi)i\),等于\(xcos(\varphi) + ysin(\varphi) + (ycos(\varphi) + xsin(\varphi))i\)

基本概念

在数学中,群是一种代数结构, 由一个集合\(S\)与一个二元运算 \(\cdot\) 组成, 要成为群, 还要满足一些条件, 这些条件被称为"群公理", 即封闭性,结合律,单位元逆元

  1. 封闭性即\(\forall a,b \in S, a \cdot b \in S\)
  2. 结合律即\(\forall a,b,c \in S, (a \cdot b) \cdot c = a \cdot (b \cdot c)\)
  3. 单位元即有一个元素\(e\), \(\forall a \in S, e \cdot a = a \cdot e = a\)(在群\(G\)中,常用1表示单位元)
  4. 逆元即\(\forall a \in S, \exists b \in S, a \cdot b = b \cdot a = e\), 记\(b = a^{-1}\)

值得注意的是, 二元运算符 \(\cdot\) 仅表示抽象的运算符号, 在不同的群中解释不同. 在不引起歧义的地方常将其省略.

例如: 整数加法群\((Z,+,0)\), 是由整数\(Z\)和整数加法运算+组成的.其单元元是\(0\), 封闭性:\(\forall a, b \in Z, a + b \in Z\); 结合律:\(\forall a,b,c \in Z, (a + b) + c = a + (b + c)\), 逆元:\(\forall a \in Z, a^{-1} = -a\)

子群

\(G\)是群, \(\oslash \not= H \subseteqq G\), 若\(H\)具有封闭性,单位元,逆元,则\(H\)\(G\)的一个子群. 作为群公理之一的结合律, 因为\(H\)继承了\(G\)的运算,所以自然成立,因此,子群也是群.(例如\((bZ,+,0)\)就是\((Z,+,0)\)的子群)

元素的价

在群\(G\)中,定义元素\(g\)的价\(o(g)\), 为使\(g^n=1_G\)成立的最小自然数\(n\); 如果此自然数不存在, 则记做\(o(g) = \infty\).

循环群

\(g\)是群\(G\)中一个取定的元素, 若群\(G\)的任意一个元素\(a\)可以写成\(a = g^n, n \in Z\)的形式, 则称\(G\)循环群,称\(g\)为群\(G\)的一个生成元, 可写成\(G = < g >\)

交换群

具有交换性的群称为交换群. 交换性: \(\forall a, b \in G, ab = ba\)
整数加法群是交换群,因为整数加法满足交换律, 一般线性群\(GL(n)\)由所有\(n \times n\)的可逆矩阵和矩阵乘法组成, 它不是交换群, 因为矩阵乘法不满足交换律.

置换群

\(A\)是一个非空集合, \(A^A\)\(A\)\(A\)上的所有的置换的集合, 在\(A^A\)上的所有的置换的集合,在\(A^A\)上定义二元运算符为映射的复合, 因为映射的符合满足结合律, 记\(S\)\(A\)上所有可逆映射的集合, 则\(S\)关于映射的复合构成群.

\(A\)是有限集合时, 可设\(A = \{1,2, \cdots, n\}\), 则\(A\)上的可逆变换可表示为\[f = \begin{pmatrix} 1 & 2 & \cdots & n-1 & n \\i_1 & i_2 & \cdots & i_{n-1} & i_n \end{pmatrix}\]
其中\(i_1,i_2,\cdots\)是一个\(n\)-的排列, \(i_j\)表示将\(j\)位置上的元素换到了\(i_j\)位置.这样一个变换称作\(n\)次置换, 形成的群称作\(n\)次置换群. 所有的\(n\)次置换形成的群记做\(S_n\),例如\(S_3=\left\{ \begin{pmatrix} 1&2&3 \\1 &2 &3 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1&2&3 \\1 &3 &2 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1&2&3 \\2 &1 &3 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1&2&3 \\2 &3 &1 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1&2&3 \\3 &1 &2 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1&2&3 \\3 &2 &1 \end{pmatrix} \right\}\)

还有一种表示置换的方法,若\((i_1,i_2,\cdots,i_k)\)满足\(f(i_j)=i_{j+1}\), 则称\((i_1,i_2,\cdots,i_k)\)为一个循环节, 显然, 一个置换可以拆成若干个循环节,所以可以将置换用循环节表示.
例如\(S_3\)在这种情况下可以表示为\(S_3=\{(1)(2)(3),(1)(2,3),(1,2)(3),(1,2,3),(1,3,2),(1,3)(2)\}\)

群作用

\(G\)为群,\(S\)为集合,考虑一个映射.
\[G \times S \to S\]

\[ (g,x) \longmapsto g \circ x\]
若此映射满足:

(a) \(1_G \circ x = x, \forall x \in S\)

(b) \((gh) \circ x = g \circ (h \circ x), \forall x \in S, \forall g, h \in G\)

则成映射 \(\circ\)\(G\)上的一个群作用

\(S_3\)\(T = \{a,b,c\}\)上有群作用\(\circ\):
\[S_3 \times T \to T\]

\[ (f,t) \longmapsto f \circ t = f(t)\]

例如对于\(f = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 3 & 1 \end{pmatrix}\), \(f \circ a=f(a)=b, f \circ b = f(b) = c, f \circ c = f(c) = a\)

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