矩阵是线性变换。

我们学的关于各种形形色色特殊方阵和行列式，都是为了解决一个在物理空间的度量问题。度量，多么重要的概念！遗憾的是，我没有在课堂上受到这方面的明确启发。

如无特殊说明，本篇在实数域讨论。作为时间顺序上的第一篇，我在此规定整个网站的符号规范：标量用 \(a\)，矢量用 \(\vec a\)（并且是物理学家喜欢的列矢量），矩阵用 \(\hat a\)，二阶张量用 \(\overleftrightarrow{a}\)。此处 hat 单纯表示数学上矩阵，和量子力学中的算符无关！但是，如果只是出现了 \(a\)，可能是广义上的张量，不一定是标量。区分的原因：笨人太笨，经常连谈论的是几阶张量都想不清除。

很多数理理解像我一样差的同学学完（虽然成绩可能比我高不少），仍不知道自己学了什么。

更新记录 2021.09.30 Ver 0.1, 2021.09.30 Ver 0.11, 2023.01.01 Ver0.12, 2023.01.07 Ver1.0, 2023.09.18 Ver1.1 相似对角化 约尔当标准型 Matrix exponential, 2023.12.24 Ver2.0

参考阅读：

1. 任广千等 《线性代数的几何意义》西安电子科技大学出版社 2015
2. Garrity, T. A. (2021). All the Math You Missed: But Need to Know for Graduate School. Cambridge University Press. Chapter 1.
3. Horn, Roger A.; Johnson, Charles R. (2013). Matrix Analysis, second edition. Cambridge University Press.

线性空间与线性变换

线性 \(f\)：\(f(ax_1+bx_2)=af(x_1)+bf(x_2)\)。可叠加的。

概念的数学定义请参见任意一本相关教科书。线性空间。

以一定的标准（一组基）描述（向量）某个范围（线性空间）内的事物。

基的数量：线性空间的维数（\(\dim(V)\)）。核（kernel）、像（image，见行列式定义）。

矩阵 - 线性变换

矩阵代表线性变换（\(T:V\rightarrow W\)）在给定基下的描述（在教学中竟然完全没有被强调）。

• 《线性代数的几何意义》任广千等 5.5 矩阵与线性变换关系的几何意义。

矩阵的秩与线性变换中变换前后图形维度的关系（退化变换：pia~拍到低维）。

• 《线性代数的几何意义》任广千等 6.3 线性方程组的秩及解的关系的几何意义。

特殊的矩阵——非退化的方阵：联系的两个线性空间维数相同，可以看成在同一个线性空间下做基变换（相应有坐标变换关系）。

应用：利用高斯消元法求解线性方程组 \(\hat A\vec x=\vec b\)。

• 技能：行简化梯形矩阵、齐次以及非齐次方程组解的结构。示例：线性代数-求解线性方程组。高斯消元法求解线性方程组在后续徒手解矩阵特征值对应的特征向量时是必要的。
• 知识链接：计算物理导论-最小二乘法，参见《线性代数的几何意义》任广千等 6.7 超定方程组的最小二乘解的几何意义。

行列式

行列式几何意义的定义（来自Garrity）度量

Definition 1.5.4 The determinant of the matrix \(A\) is the signed volume of the image of the unit cube.

应用：微积分中多元积分换元的雅可比矩阵 -> 雅可比矩阵及其行列式的几何意义（其实也是为了解决在不同坐标系下积分的度量问题——不同坐标系下积分值应保持一致！）

• 《线性代数的几何意义》任广千等 5.11 雅可比矩阵及其行列式的几何意义。
• 《数学分析新讲II》张筑生 第十三章 5.a 注记。

Adjugate matrix. 用于一种定义方阵行列式的方式。\(\det(A)=\displaystyle\sum_{k=1}^n(-1)^{k+1}a_{1k}\det(A_{1k})\)（来自Garrity）。

作为考察重点但实际上没用的：诡异行列式的计算。评价：行列式只要记住基本计算方法即可，任何复杂计算在以后的课程中不会用到，却占到期中考试巨大分值，实属不解。

就我目前遇到的情况而言，对于物理空间的描述（例如变换），绝大部分都是三维方阵，对于计算物理中的数据处理，矩阵一般比较大，但是不可能让你算矩阵的行列式，因为它们大部分是 sparse matrices。对于三维方阵对应的三阶行列式的计算，在不使用计算软件的情况下，下面的方法最高效（实际中会用到！）

行列式的计算在后续徒手解矩阵特征值时是必要的。

特征值和特征向量

示例：线性代数-求解特征值和特征向量。你需要在量子力学考场上徒手完成以上操作。在非线性动力学（链接在以后会写的系统生物学）中，特征值实部的正负决定了不动点的稳定性。

几何意义：如果矩阵对某一个向量或某些向量只发生伸缩变换，不对这些向量产生旋转效果，那么这些向量就称为这个矩阵的特征向量，伸缩的比例就是特征值。特征向量在一个矩阵的作用下作伸缩运动，伸缩的幅度由特征值确定。

复数特征值及特征向量的几何意义，我在系统生物学的 fixed point analysis 会 revisit，看

• 《线性代数的几何意义》任广千等 5.8.5 矩阵相似的几何意义。

矩阵的迹

迹是特征值的和，行列式是特征值的积。Geometric interpretation of trace 先放着，以后revisit。

相似矩阵

如果有可逆方阵 \(\hat P\)，使得方阵 \(\hat A\) 和方阵 \(\hat B\) 满足 \(\hat A=\hat P\hat B\hat{P^{-1}}\)，那么矩阵 \(\hat A\) 和 \(\hat B\) 被称为相似矩阵。

多么简洁、深刻的定义啊。深刻得让俺看了 \(n\) 遍都不明白怎么俩矩阵就相似了？哪里相似了。

重要意义：相似矩阵 \(\hat A\) 和 \(\hat B\) 是同一个线性变换（在同一线性空间中）在两个不同基下的表示矩阵。而可逆矩阵 \(\hat P\) 就是基变换矩阵。

• 《线性代数的几何意义》任广千等 4.2.4 基变换的几何意义。

说白了就比如，在基 1 下，变换矩阵 \(\hat A\) 把向量 \(\vec x\) 变成了 \(\vec x^\prime\)，也就是 \(\hat A\vec x=\vec x^\prime\)；在基 2 下，变换矩阵 \(\hat B\) 把向量 \(\vec y\) 变成了向量 \(\vec y^\prime\)，也就是 \(\hat B\vec y=\vec y^\prime\)。这两组基之间的变换关系是 \(\hat P\vec y=\vec x\) 以及 \(\hat P\vec y^\prime=\vec x^\prime\)（向量在不同基之下都是用 \(\hat P\) 变换，也就是 \(\hat A\) 和 \(\hat B\) 是同一个线性变换）。那么很显然，\(\hat B=\hat{P^{-1}}\hat A\hat P\)，相似！！！

这里 \(\vec x\) 和 \(\vec y\) 是不同坐标系下的同一个向量的坐标，基向量不同，坐标就不同。若该向量在基 1 下的坐标是 \(\vec x\)，在基 2 下的坐标就是 \(\vec y=\hat{P}^{-1}\vec{x}\)，反之 \(\hat{P}\vec y=\vec{x}\)。

量子力学中对于力学量矩阵的表象变换就是这么个变换。

相似变换的理想目标：找到与 \(\hat A\) 相似的对角化矩阵，实质是寻找一个适当的坐标系，使得该变换对这个新的坐标系上的单位向量（或基向量）只做伸缩变换，不做旋转变换。一般什么样的矩阵一定能对角化？见“实对称矩阵”。

• 《线性代数的几何意义》任广千等 5.9 矩阵相似的几何意义。

相似对角化

\(n×n\) 方阵可对角化的充要条件是有 \(n\) 个线性无关的特征向量（满秩）。

如果需要在考场上徒手对角化矩阵，步骤和下面线性代数-实对称矩阵对角化是一样的，只不过基变换矩阵不一定是正交化矩阵罢了。

约尔当标准型

不幸的是，有时候我们想变换的这个方阵还真不是满秩。为了方便地处理下文 Matrix Exponential 的问题，再不济也要化成约尔当标准型！怎么化呢？这个页面的 Example 已经解释得跟清楚了。

Matrix Exponential

【GRAD-UPDATE】为啥要对角化？因为对角化后的矩阵可能很方便我们处理。闲话不多说，相似对角化的一个优秀品格就是 \(\hat A^n=\hat P\hat\Lambda^n\hat{P^{-1}}\)。这玩意学的时候不觉得有什么意思，性质穿脑过，佛祖心中留。直到需要解矩阵形式的微分方程组时，才知道这玩意在 Matrix exponential 里是多么重要啊！参见 Diagonalizable case。

遇到 \(\frac{\partial}{\partial t}\vec X=\hat A\vec X\) 的问题，解的形式是 \(\vec X=e^{\hat At}\vec X_0\). 哈哈，注意不是 \(\vec X=\vec X_0e^{\hat At}\)，因为矩阵相乘不 guarantee 交换律。对于满秩或非满秩的 \(\hat A\)，用相似变换变成约尔当标准型（要是对角就太好了），然后就可以参考 Differential Equations - Systems of Equations 求解了。不知道谁写的，写得还挺好。

二次型

定义了内积的线性空间叫欧氏空间，于是欧几里得可以度量几何对象。在教学中，内积空间相关部分被省去，我认为极不合理。我们要理解度量矩阵的作用是协调内积在不同基下算出的内积不同。度量

二次型可以看作是内积的推广。如果对二次型进行的是合同变换，\(\vec x=\hat P\vec y, f(\vec x)=\vec x^T\hat A\vec x=\vec y^T(\hat P^T\hat A\hat P)\vec y\)），目的便是在于使二次型的函数值保持不变！我们还发现了好东西：实对称矩阵 \(\hat A\)。

重要概念：正定、半正定、惯性指数等。及其几何意义。

【GRAD-UPDATE】 \(\hat A^T\hat A\) 是半正定矩阵，因为 \(\vec x^T(\hat A^T\hat A)\vec x=(\hat A\vec x)^T(\hat A\vec x)\)，应用：最小二乘回归是凸优化问题。或许机器学习里写一下？

此部分内容详见

• 《线性代数的几何意义》任广千等 7 二次型的几何意义

正交变换

正交变换：\(\hat P^T=\hat P^{-1}\), \(\hat P^T\hat P=I\).

\(\vec x^T\hat A\vec x=\vec y^T\hat P^T\hat A\hat P\vec y=\vec y^T\hat P^{-1}\hat A\hat P\vec y=\vec y^T\hat B\vec y\), where \(\hat B=\hat P^{-1}\hat A\hat P\). 咱这里 \(\hat P\) 还是代表基变换矩阵。

既是相似变换，又是合同变换，便是正交变换。结合两个变换的几何意义可知，正交变换是一种刚性变换（不改变物体的尺寸和正交关系，e.g., 平移、旋转、镜像）。在理论力学、固体物理等课程中有涉及。

• 《线性代数的几何意义》任广千等 5.13 矩阵的等价、相似与合同关系。
• 应用：固体物理晶体宏观对称性。

实对称矩阵

如果矩阵 \(\hat A\) 是实对称矩阵，则其一定能正交对角化：\(\hat P^T\hat A\hat P=\hat\Lambda\)，对角矩阵对角元为 \(\hat A\) 的特征值（!!ACHTUNG!!能正交对角化是极端美好的品质，不管是不是满秩的）。示例：线性代数-实对称矩阵对角化。几何直观：想象 \(g(\vec x')=\frac{1}{4}x_1'^2-\frac{5}{4}x_2'^2+\frac{\sqrt{3}}{2}x_1'x_2'=\vec x'^T\hat A\vec x'\)，是一个定义在 \(xOy\) 平面上的函数，其函数值可以用 \(xOy\) 之上的马鞍表示（二次型 -> 马鞍面）。你总能移动一下这张坐标纸，让轴落在对称的位置，得到 \(f(\vec x)=x_1^2-2x_2^2=\vec x^T\Lambda\vec x\)。这里基变换矩阵是顺时针旋转 60° 的刚性变换矩阵！同时也请注意到特征值和矩阵的迹的关系！

实对称矩阵典型例子

• 惯量张量（力学）。
• 证明：协方差矩阵是半正定矩阵（概率论，直观地想象，将高维变量空间做刚性变换，使互相垂直（独立）的新变量方差主元都落在变换后的坐标轴上，协方差为 0，新变量各个维度的方差就是矩阵的特征值们，都是非负的）。

在后续的量子力学中，引入了厄米矩阵，其实实对称矩阵就是厄米矩阵元素都是实数的特殊形式。而正交矩阵就是酉矩阵元素都是实数的特殊形式。

矩阵求导

【GRAD-UPDATE】链接微积分。

系统性总结参见 矩阵求导术（上）& 矩阵求导术（下）——知乎用户长躯鬼侠的文章。写得挺循循善诱的，也有和机器学习（(En) Machine Learning）中相关运算的结合。

其中行列式的微分详见行列式微分形式的推导——知乎用户 genekiller 的文章，结论为：可逆情形下的行列式微分形式：\(d\vert\hat A\vert=\vert\hat A\vert tr(\hat{A^{-1}}d\hat A)\)。

对偶空间

终于从知乎上找到了一个能看懂的讲义 The Dual of a Vector Space: From the Concrete to the Abstract to the Concrete (In Four Lectures)（对偶空间与固体物理 - 晶体衍射劳厄公式、对偶空间与信息论 - 采样定理）。