1. Introduction (引言:把线性映射”翻译”成数字的矩形)
在经历了 lecture 1 到 lecture 6 的铺垫后,我们了解了域、向量空间、维数、线性映射的基础知识。特别是 lecture 5 的线性映射引理 (定理 3.4 ) 告诉我们一个决定性的事实:
线性映射 T T T 由它在一组基上的作用 T v 1 , … , T v n Tv_1, \dots, Tv_n T v 1 , … , T v n 完全且唯一地决定 。
这意味着:一个看似”无限”的对象(定义在整个空间上的函数),在基固定之后,实际上只携带有限多条信息 (n n n 个像向量,每个含 m m m 个坐标,共 m n mn mn 个标量)。于是一个工程性问题自然产生:
如何高效、无歧义地记录 这 m n mn mn 个数,并让记录本身可以计算 ?
考虑一个有限维空间上的线性映射:
T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V,W) T ∈ L ( V , W )
我们假设:
v 1 , v 2 , … , v n is a basis of V v_1,v_2,\dots,v_n\ \text{is a basis of V} v 1 , v 2 , … , v n is a basis of V
w 1 , w 2 , … , w m is a basis of W w_1,w_2,\dots,w_m\ \text{is a basis of W} w 1 , w 2 , … , w m is a basis of W
那么每个 T v k ∈ W Tv_k \in W T v k ∈ W 都能用 W W W 的基唯一 展开:
T v 1 = a 1 , 1 w 1 + a 2 , 1 w 2 + ⋯ + a m , 1 w m T v 2 = a 1 , 2 w 1 + a 2 , 2 w 2 + ⋯ + a m , 2 w m ⋮ T v n = a 1 , n w 1 + a 2 , n w 2 + ⋯ + a m , n w m \begin{aligned}
Tv_1 &= a_{1,1}w_1 + a_{2,1}w_2 + \cdots + a_{m,1}w_m\\
Tv_2 &= a_{1,2}w_1 + a_{2,2}w_2 + \cdots + a_{m,2}w_m\\
&\ \ \vdots\\
Tv_n &= a_{1,n}w_1 + a_{2,n}w_2 + \cdots + a_{m,n}w_m
\end{aligned} T v 1 T v 2 T v n = a 1 , 1 w 1 + a 2 , 1 w 2 + ⋯ + a m , 1 w m = a 1 , 2 w 1 + a 2 , 2 w 2 + ⋯ + a m , 2 w m ⋮ = a 1 , n w 1 + a 2 , n w 2 + ⋯ + a m , n w m
(注意指标约定:第二个指标 k k k 标记”第几个输入基向量 v k v_k v k “,第一个指标 j j j 标记”在 w w w 展开中的第几行” 。这个约定的好处马上会显现:第 k k k 列 恰好是 T v k Tv_k T v k 的坐标。)
把系数排成矩形阵列,上式可以紧凑地写成:
T ( v 1 , … , v n ) = ( w 1 , … , w m ) ( a 1 , 1 a 1 , 2 ⋯ a 1 , n a 2 , 1 a 2 , 2 ⋯ a 2 , n ⋮ ⋮ ⋮ a m , 1 a m , 2 ⋯ a m , n ) T(v_1,\ldots,v_n) = (w_1,\ldots,w_m)
\begin{pmatrix}
a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,n}\\
a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,n}\\
\vdots & \vdots & & \vdots\\
a_{m,1} & a_{m,2} & \cdots & a_{m,n}
\end{pmatrix} T ( v 1 , … , v n ) = ( w 1 , … , w m ) a 1 , 1 a 2 , 1 ⋮ a m , 1 a 1 , 2 a 2 , 2 ⋮ a m , 2 ⋯ ⋯ ⋯ a 1 , n a 2 , n ⋮ a m , n
而我们知道,∀ v ∈ V , v = x 1 v 1 + ⋯ + x n v n = ( v 1 , … , v n ) ( x 1 x 2 ⋮ x n ) \forall\ v \in V,\ v = x_1v_1 + \cdots + x_nv_n = (v_1,\ldots,v_n)\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\\vdots\\x_n\end{pmatrix} ∀ v ∈ V , v = x 1 v 1 + ⋯ + x n v n = ( v 1 , … , v n ) x 1 x 2 ⋮ x n ,所以:
T v = T ( v 1 , … , v n ) ( x 1 x 2 ⋮ x n ) = ( w 1 , … , w m ) ( a 1 , 1 a 1 , 2 ⋯ a 1 , n a 2 , 1 a 2 , 2 ⋯ a 2 , n ⋮ ⋮ ⋮ a m , 1 a m , 2 ⋯ a m , n ) ( x 1 x 2 ⋮ x n ) Tv = T(v_1,\ldots,v_n)\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\\vdots\\x_n\end{pmatrix} = (w_1,\ldots,w_m)
\begin{pmatrix}
a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,n}\\
a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,n}\\
\vdots & \vdots & & \vdots\\
a_{m,1} & a_{m,2} & \cdots & a_{m,n}
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\\vdots\\x_n\end{pmatrix} T v = T ( v 1 , … , v n ) x 1 x 2 ⋮ x n = ( w 1 , … , w m ) a 1 , 1 a 2 , 1 ⋮ a m , 1 a 1 , 2 a 2 , 2 ⋮ a m , 2 ⋯ ⋯ ⋯ a 1 , n a 2 , n ⋮ a m , n x 1 x 2 ⋮ x n
一个很自然的想法就产生了:
我们为何不确定两组基 ( v 1 , … , v n ) , ( w 1 , … , w m ) (v_1, \ldots, v_n),\ (w_1, \ldots, w_m) ( v 1 , … , v n ) , ( w 1 , … , w m ) ,然后使用
x = ( x 1 x 2 ⋮ x n ) 和 A = ( a 1 , 1 a 1 , 2 ⋯ a 1 , n a 2 , 1 a 2 , 2 ⋯ a 2 , n ⋮ ⋮ ⋮ a m , 1 a m , 2 ⋯ a m , n ) x = \begin{pmatrix}x_1\\x_2\\\vdots\\x_n\end{pmatrix}
\quad\text{和}\quad
A = \begin{pmatrix}
a_{1,1} & a_{1,2} & \cdots & a_{1,n}\\
a_{2,1} & a_{2,2} & \cdots & a_{2,n}\\
\vdots & \vdots & & \vdots\\
a_{m,1} & a_{m,2} & \cdots & a_{m,n}
\end{pmatrix} x = x 1 x 2 ⋮ x n 和 A = a 1 , 1 a 2 , 1 ⋮ a m , 1 a 1 , 2 a 2 , 2 ⋮ a m , 2 ⋯ ⋯ ⋯ a 1 , n a 2 , n ⋮ a m , n
来描述一个线性映射 L ( V , W ) \mathcal{L}(V,W) L ( V , W ) 的作用?即建立一本翻译词典 :
向量 v ⟷ 坐标列 x , 映射 T ⟷ 矩阵 A , 作用 T v ⟷ 乘法 A x . \text{向量 } v \longleftrightarrow \text{坐标列 } x,\qquad \text{映射 } T \longleftrightarrow \text{矩阵 } A,\qquad \text{作用 } Tv \longleftrightarrow \text{乘法 } Ax. 向量 v ⟷ 坐标列 x , 映射 T ⟷ 矩阵 A , 作用 T v ⟷ 乘法 A x .
但故事还有第二幕,这才是本讲真正的因果核心。 lecture 5 中我们知道映射之间有加法、数乘与复合(乘积)。翻译到矩阵侧后,我们要求 词典保持这些运算:
M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) , M ( λ T ) = λ M ( T ) , M ( S T ) = M ( S ) M ( T ) . \mathcal{M}(S+T) = \mathcal{M}(S)+\mathcal{M}(T),\qquad \mathcal{M}(\lambda T) = \lambda \mathcal{M}(T),\qquad \mathcal{M}(ST) = \mathcal{M}(S)\mathcal{M}(T). M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) , M ( λ T ) = λ M ( T ) , M ( S T ) = M ( S ) M ( T ) .
前两式迫使矩阵加法与数乘逐元素 定义;而第三式——复合的翻译 ——将强制出矩阵乘法那个看似奇怪的”行乘列求和”定义。换言之:
矩阵乘法不是凭空发明的计算规则,而是”让复合在坐标世界里仍然正确”这一唯一需求推导出来的必然结果 。
本讲将完整重演这一推导。
2. Representing a Linear Map by a Matrix (用矩阵表示线性映射)
2.1 从”基决定映射”到”矩阵记录映射”
因果链条只有三环:
线性映射引理 (定理 3.4 ) :T T T 由 T v 1 , … , T v n Tv_1,\dots,Tv_n T v 1 , … , T v n 唯一决定(唯一性),且基上的像可以任意指定(存在性)。
基展开唯一性 :每个 T v k ∈ W Tv_k \in W T v k ∈ W 有唯一坐标 ( a 1 , k , … , a m , k ) (a_{1,k},\dots,a_{m,k}) ( a 1 , k , … , a m , k ) 。
记录格式 :把这 n n n 组坐标排成矩形——第 k k k 列放 T v k Tv_k T v k 的坐标 。
于是”列对应定义域的基向量,行对应值域的基向量”。这个排法不是随意的:它保证了稍后 A x Ax A x 恰好等于 T v Tv T v 的坐标(见 2.5 的列组合视角)。
2.2 Definition: Matrix (3.29)
Definition 3.29 (Matrix)
设 m , n m, n m , n 为非负整数。一个 m m m -by-n n n 矩阵 A A A 是由 F F F 中元素排成的、具有 m m m 行 n n n 列的矩形阵列:
A = ( A 1 , 1 ⋯ A 1 , n ⋮ ⋮ A m , 1 ⋯ A m , n ) . A = \begin{pmatrix} A_{1,1} & \cdots & A_{1,n}\\ \vdots & & \vdots\\ A_{m,1} & \cdots & A_{m,n}\end{pmatrix}. A = A 1 , 1 ⋮ A m , 1 ⋯ ⋯ A 1 , n ⋮ A m , n .
记号 A j , k A_{j,k} A j , k 表示 A A A 的第 j j j 行、第 k k k 列 的元素(第一指标 = 行号,第二指标 = 列号)。
2.3 Definition: Matrix of a Linear Map (3.31)
Definition 3.31 (Matrix of a linear map, M ( T ) \mathcal{M}(T) M ( T ) )
设 T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) ,v 1 , … , v n v_1,\dots,v_n v 1 , … , v n 是 V V V 的基,w 1 , … , w m w_1,\dots,w_m w 1 , … , w m 是 W W W 的基。T T T 关于这两组基的矩阵 是 m m m -by-n n n 矩阵 M ( T ) \mathcal{M}(T) M ( T ) ,其元素 A j , k A_{j,k} A j , k 由下式定义:
T v k = A 1 , k w 1 + ⋯ + A m , k w m . Tv_k = A_{1,k}w_1 + \cdots + A_{m,k}w_m. T v k = A 1 , k w 1 + ⋯ + A m , k w m .
若基在上下文中不明确,则使用记号 M ( T , ( v 1 , … , v n ) , ( w 1 , … , w m ) ) \mathcal{M}(T,(v_1,\dots,v_n),(w_1,\dots,w_m)) M ( T , ( v 1 , … , v n ) , ( w 1 , … , w m )) 。
把 v 1 , … , v n v_1,\dots,v_n v 1 , … , v n 写在矩阵顶行 ,w 1 , … , w m w_1,\dots,w_m w 1 , … , w m 写在左列 ;
v 1 v 2 ⋯ v n w 1 A 1 , 1 A 1 , 2 ⋯ A 1 , n w 2 A 2 , 1 A 2 , 2 ⋯ A 2 , n ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ w m A m , 1 A m , 2 ⋯ A m , n \begin{matrix}
& v_1 & v_2 & \cdots & v_n\\
w_1 & A_{1,1} & A_{1,2} & \cdots & A_{1,n}\\
w_2 & A_{2,1} & A_{2,2} & \cdots & A_{2,n}\\
\vdots & \vdots & \vdots & & \vdots\\
w_m & A_{m,1} & A_{m,2} & \cdots & A_{m,n}
\end{matrix} w 1 w 2 ⋮ w m v 1 A 1 , 1 A 2 , 1 ⋮ A m , 1 v 2 A 1 , 2 A 2 , 2 ⋮ A m , 2 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ v n A 1 , n A 2 , n ⋮ A m , n
则第 k k k 列就是展开 T v k Tv_k T v k 所需的系数:
T v k = ∑ j = 1 m A j , k w j . T v_k = \sum_{j=1}^{m} A_{j,k} w_j. T v k = j = 1 ∑ m A j , k w j .
M ( T ) \mathcal{M}(T) M ( T ) 同时依赖 T T T 和两组基 。换基则矩阵变(基变换公式将在 3D 给出)。因此”矩阵 可以视作 映射在特定坐标系下的照片”,照片(矩阵)会变,对象(映射法则)没变。
标准基约定 :对 T : F n → F m T: F^n \to F^m T : F n → F m ,除非另有说明,一律使用标准基;对 P m ( F ) \mathcal{P}_m(F) P m ( F ) 使用标准基 1 , x , … , x m 1, x, \dots, x^m 1 , x , … , x m 。
2.4 Examples (3.32, 3.33)
Example 3.32 (F 2 → F 3 F^2 \to F^3 F 2 → F 3 ) :
设 T ( x , y ) = ( x + 3 y , 2 x + 5 y , 7 x + 9 y ) T(x, y) = (x+3y,\ 2x+5y,\ 7x+9y) T ( x , y ) = ( x + 3 y , 2 x + 5 y , 7 x + 9 y ) 。
因为 T ( 1 , 0 ) = ( 1 , 2 , 7 ) T(1,0) = (1,2,7) T ( 1 , 0 ) = ( 1 , 2 , 7 ) ,T ( 0 , 1 ) = ( 3 , 5 , 9 ) T(0,1) = (3,5,9) T ( 0 , 1 ) = ( 3 , 5 , 9 ) ,关于标准基的矩阵为 3-by-2 矩阵可以被给出:
M ( T ) = ( 1 3 2 5 7 9 ) . \mathcal{M}(T) = \begin{pmatrix} 1 & 3\\ 2 & 5\\ 7 & 9 \end{pmatrix}. M ( T ) = 1 2 7 3 5 9 .
第 k k k 列 = T e k T e_k T e k 在标准基下的坐标。
Example 3.33 (微分 P 3 ( R ) → P 2 ( R ) \mathcal{P}_3(\mathbb{R}) \to \mathcal{P}_2(\mathbb{R}) P 3 ( R ) → P 2 ( R ) ) :
D p = p ′ Dp = p' D p = p ′ 。由 ( x n ) ′ = n x n − 1 (x^n)' = nx^{n-1} ( x n ) ′ = n x n − 1 :
D ( 1 ) = 0 , D ( x ) = 1 , D ( x 2 ) = 2 x , D ( x 3 ) = 3 x 2 D(1)=0,\ D(x)=1,\ D(x^2)=2x,\ D(x^3)=3x^2 D ( 1 ) = 0 , D ( x ) = 1 , D ( x 2 ) = 2 x , D ( x 3 ) = 3 x 2 ,故
M ( D ) = ( 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 ) . \mathcal{M}(D) = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 2 & 0\\ 0 & 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}. M ( D ) = 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 .
这一理解相当重要——抽象的微分被完全编码为一个纯代数对象——这正是矩阵表示的泛用性。
2.5 矩阵乘向量:T v Tv T v 的坐标 = M ( T ) M ( v ) \mathcal{M}(T)\mathcal{M}(v) M ( T ) M ( v )
Definition 3.73 (Matrix of a vector) :
v = b 1 v 1 + ⋯ + b n v n v = b_1v_1+\cdots+b_nv_n v = b 1 v 1 + ⋯ + b n v n 关于基 v 1 , … , v n v_1,\dots,v_n v 1 , … , v n 的矩阵是列向量 M ( v ) = ( b 1 , … , b n ) t \mathcal{M}(v) = (b_1,\dots,b_n)^t M ( v ) = ( b 1 , … , b n ) t 。
Example 3.74 (Matrix of a vector) :
多项式 2 − 7 x + 5 x 3 + x 4 2 - 7x + 5x^3 + x^4 2 − 7 x + 5 x 3 + x 4 关于 P 4 ( R ) \mathcal{P}_4(\mathbb{R}) P 4 ( R ) 标准基的矩阵是 ( 2 , − 7 , 0 , 5 , 1 ) t (2,-7,0,5,1)^t ( 2 , − 7 , 0 , 5 , 1 ) t (注意 x 2 x^2 x 2 的系数为 0 0 0 ——坐标列必须写满所有基向量的系数,缺项要补零 );关于 F n \mathbf{F}^n F n 的标准基,x = ( x 1 , … , x n ) x = (x_1,\dots,x_n) x = ( x 1 , … , x n ) 的矩阵就是把坐标竖起来。完整讨论见 lecture 8 的 4.1 节。
Theorem 3.76 (Linear maps act like matrix multiplication) :
M ( T v ) = M ( T ) M ( v ) \mathcal{M}(Tv) = \mathcal{M}(T)\mathcal{M}(v) M ( T v ) = M ( T ) M ( v ) 。
这条定理回答了”为什么矩阵乘向量要那样定义”。由 3.50(列组合视角),
A b = b 1 A ⋅ , 1 + ⋯ + b n A ⋅ , n , A b = b_1 A_{\cdot,1} + \cdots + b_n A_{\cdot,n}, A b = b 1 A ⋅ , 1 + ⋯ + b n A ⋅ , n ,
即 A b Ab A b 是 A A A 的列 以 b b b 的分量为系数的线性组合;而 A ⋅ , k = M ( T v k ) A_{\cdot,k} = \mathcal{M}(Tv_k) A ⋅ , k = M ( T v k ) ,故
M ( T ) M ( v ) = b 1 M ( T v 1 ) + ⋯ + b n M ( T v n ) = M ( b 1 T v 1 + ⋯ + b n T v n ) = M ( T v ) . \mathcal{M}(T)\mathcal{M}(v) = b_1\mathcal{M}(Tv_1)+\cdots+b_n\mathcal{M}(Tv_n) = \mathcal{M}(b_1Tv_1+\cdots+b_nTv_n) = \mathcal{M}(Tv). M ( T ) M ( v ) = b 1 M ( T v 1 ) + ⋯ + b n M ( T v n ) = M ( b 1 T v 1 + ⋯ + b n T v n ) = M ( T v ) .
换言之,“矩阵乘向量”的定义正是为了还原线性性 :把 v v v 拆成基的组合,T T T 逐项作用后再组合。
3. Addition and Scalar Multiplication of Matrices (矩阵的加法与数乘)
3.1 运算从映射侧”定义”出来
问题:M ( S + T ) \mathcal{M}(S+T) M ( S + T ) 应该等于什么?
此刻这个问题还没有意义 ——因为我们尚未定义矩阵的加法。
聪明的同学已经想到了,既然没有定义,那我们就现在定义呗——于是:
在此我们引入一个很能培养数学研究思维的策略:强制要求翻译词典(矩阵)保持运算 ,即强制 M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) \mathcal{M}(S+T) = \mathcal{M}(S)+\mathcal{M}(T) M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) 成立,由此反向定义 矩阵加法,再验证它良定且符合直觉。
3.2 Definitions & Propositions (3.34–3.38)
Definition 3.34 (Matrix addition) :
同尺寸矩阵之和 = 对应元素相加:
( A 1 , 1 ⋯ A 1 , n ⋮ ⋮ A m , 1 ⋯ A m , n ) + ( C 1 , 1 ⋯ C 1 , n ⋮ ⋮ C m , 1 ⋯ C m , n ) = ( A 1 , 1 + C 1 , 1 ⋯ A 1 , n + C 1 , n ⋮ ⋮ A m , 1 + C m , 1 ⋯ A m , n + C m , n ) . \begin{pmatrix} A_{1,1} & \cdots & A_{1,n}\\ \vdots & & \vdots\\ A_{m,1} & \cdots & A_{m,n}\end{pmatrix} +
\begin{pmatrix} C_{1,1} & \cdots & C_{1,n}\\ \vdots & & \vdots\\ C_{m,1} & \cdots & C_{m,n}\end{pmatrix}
= \begin{pmatrix} A_{1,1}+C_{1,1} & \cdots & A_{1,n}+C_{1,n}\\ \vdots & & \vdots\\ A_{m,1}+C_{m,1} & \cdots & A_{m,n}+C_{m,n}\end{pmatrix}. A 1 , 1 ⋮ A m , 1 ⋯ ⋯ A 1 , n ⋮ A m , n + C 1 , 1 ⋮ C m , 1 ⋯ ⋯ C 1 , n ⋮ C m , n = A 1 , 1 + C 1 , 1 ⋮ A m , 1 + C m , 1 ⋯ ⋯ A 1 , n + C 1 , n ⋮ A m , n + C m , n .
为什么逐元素相加是”可行的”? 因为对每个基向量 v k v_k v k :
( S + T ) v k = S v k + T v k , (S+T)v_k = Sv_k + Tv_k, ( S + T ) v k = S v k + T v k ,
而两个向量相加 = 坐标逐位相加。列逐位相加、对所有列同时做 = 对应元素相加 。
Proposition 3.35 :
设 S , T ∈ L ( V , W ) S, T \in \mathcal{L}(V, W) S , T ∈ L ( V , W ) (三映射使用相同基),则 M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) \mathcal{M}(S+T) = \mathcal{M}(S)+\mathcal{M}(T) M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) 。
Definition 3.36 (Scalar multiplication) :
λ A = 每个元素乘 λ \lambda A = 每个元素乘 \lambda λ A = 每个元素乘 λ
Proposition 3.38 :
M ( λ T ) = λ M ( T ) \mathcal{M}(\lambda T) = \lambda \mathcal{M}(T) M ( λ T ) = λ M ( T )
3.3 矩阵空间 F m , n \mathbf{F}^{m,n} F m , n 与维数 (3.39, 3.40)
Notation 3.39 :F m , n \mathbf{F}^{m,n} F m , n 表示所有 m m m -by-n n n 矩阵构成的集合。
Theorem 3.40 :F m , n \mathbf{F}^{m,n} F m , n 在上述运算下是向量空间,且 dim F m , n = m n \dim \mathbf{F}^{m,n} = mn dim F m , n = mn 。
定理 3.40 的向量空间性质很好说明:
首先,0矩阵一定在 F m , n \mathbf{F}^{m,n} F m , n 中;
其次,任取 A , B ∈ F m , n A, B \in \mathbf{F}^{m,n} A , B ∈ F m , n ,A + B A+B A + B 根据定义,一定也会在 F m , n \mathbf{F}^{m,n} F m , n 中,因为 F \mathbf{F} F 是一个域,具有加法封闭性;
同理,任取 A ∈ F m , n A \in \mathbf{F}^{m,n} A ∈ F m , n ,λ ∈ F \lambda \in \mathbf{F} λ ∈ F ,根据定义 λ A ∈ F m , n \lambda A \in \mathbf{F}^{m,n} λ A ∈ F m , n ,因为 F \mathbf{F} F 是一个域,具有乘法封闭性。
定理 3.40 的维数也能很直观地得到:
任意的 m-by-n 矩阵都有 m n mn mn 个元素,每个元素都独立的存在。因此 F m , n \mathbf{F}^{m,n} F m , n 最直观的一个基便是——列表(list) A i , j = ( m-by-n矩阵,其中第 i 行、第 j 列的元素为 1 ,其余为 0 ) A_{i,j} = (\text{m-by-n} 矩阵,其中第\ i\ 行、第\ j\ 列的元素为1,其余为0) A i , j = ( m-by-n 矩阵,其中第 i 行、第 j 列的元素为 1 ,其余为 0 ) ,其中 i i i 从 1 到 m,j j j 从 1 到 n。
根据维数的定义(一个空间的维数就是它任意一个基的长度),这个基的长度 m n mn mn 就是维数 dim F m , n \dim \mathbf{F}^{m,n} dim F m , n 。
基是”只有一个元素为 1、其余全为 0”的矩阵,恰有 m n mn mn 个。这与后续 3.72 的 dim L ( V , W ) = ( dim V ) ( dim W ) \dim \mathcal{L}(V,W) = (\dim V)(\dim W) dim L ( V , W ) = ( dim V ) ( dim W ) 完全吻合——因为固定基后 M : L ( V , W ) → F m , n \mathcal{M}: \mathcal{L}(V,W) \to \mathbf{F}^{m,n} M : L ( V , W ) → F m , n 是一个同构 (3.71):映射空间与矩阵空间是”同一个空间的两个名字”。
4. Matrix Multiplication (矩阵乘法:被复合强制出来的定义)
4.1 问题与动机
设 u 1 , … , u p u_1,\dots,u_p u 1 , … , u p 是 U U U 的基,v 1 , … , v n v_1,\dots,v_n v 1 , … , v n 是 V V V 的基,w 1 , … , w m w_1,\dots,w_m w 1 , … , w m 是 W W W 的基;考虑 T : U → V T: U \to V T : U → V 与 S : V → W S: V \to W S : V → W 。复合 S T ST S T 是从 U U U 到 W W W 的线性映射。问:
M ( S T ) = ? M ( S ) M ( T ) \mathcal{M}(ST) \stackrel{?}{=} \mathcal{M}(S)\mathcal{M}(T) M ( S T ) = ? M ( S ) M ( T )
与之前探讨矩阵加法时一样,这个问题此刻没有意义 ,因为我们还没有定义两个矩阵的乘积。我们的做法仍然延续:
选择一个定义,迫使这个问题的答案为”是”。
4.2 推导:复合在坐标世界里长什么样
设 M ( S ) = A \mathcal{M}(S) = A M ( S ) = A (m m m -by-n n n ),M ( T ) = C \mathcal{M}(T) = C M ( T ) = C (n n n -by-p p p )。对 1 ≤ k ≤ p 1 \le k \le p 1 ≤ k ≤ p ,逐步展开 ( S T ) u k (ST)u_k ( S T ) u k :
( S T ) u k = S ( ∑ r = 1 n C r , k v r ) ( T 的矩阵:第 k 列是 T u k 的坐标) = ∑ r = 1 n C r , k S v r ( S 的线性性) = ∑ r = 1 n C r , k ∑ j = 1 m A j , r w j ( S 的矩阵:第 r 列是 S v r 的坐标) = ∑ j = 1 m ( ∑ r = 1 n A j , r C r , k ) w j . (交换求和次序) \begin{aligned}
(ST)u_k &= S\Big(\sum_{r=1}^{n} C_{r,k} v_r\Big) &&\text{($T$ 的矩阵:第 $k$ 列是 $Tu_k$ 的坐标)}\\
&= \sum_{r=1}^{n} C_{r,k}\, S v_r &&\text{($S$ 的线性性)}\\
&= \sum_{r=1}^{n} C_{r,k} \sum_{j=1}^{m} A_{j,r} w_j &&\text{($S$ 的矩阵:第 $r$ 列是 $Sv_r$ 的坐标)}\\
&= \sum_{j=1}^{m} \Big(\sum_{r=1}^{n} A_{j,r} C_{r,k}\Big) w_j. &&\text{(交换求和次序)}
\end{aligned} ( S T ) u k = S ( r = 1 ∑ n C r , k v r ) = r = 1 ∑ n C r , k S v r = r = 1 ∑ n C r , k j = 1 ∑ m A j , r w j = j = 1 ∑ m ( r = 1 ∑ n A j , r C r , k ) w j . ( T 的矩阵:第 k 列是 T u k 的坐标) ( S 的线性性) ( S 的矩阵:第 r 列是 S v r 的坐标) (交换求和次序)
于是 M ( S T ) \mathcal{M}(ST) M ( S T ) 的第 j j j 行、第 k k k 列元素必须 是 ∑ r = 1 n A j , r C r , k \sum_{r=1}^{n} A_{j,r} C_{r,k} ∑ r = 1 n A j , r C r , k 。
4.3 Definition (3.41) 与尺寸匹配的因果
Definition 3.41 (Matrix multiplication) :
设 A A A 是 m m m -by-n n n 矩阵,B B B 是 n n n -by-p p p 矩阵。则 A B AB A B 是 m m m -by-p p p 矩阵,其第 j j j 行第 k k k 列元素为
( A B ) j , k = ∑ r = 1 n A j , r B r , k . (AB)_{j,k} = \sum_{r=1}^{n} A_{j,r} B_{r,k}. ( A B ) j , k = r = 1 ∑ n A j , r B r , k .
即:取 A A A 的第 j j j 行与 B B B 的第 k k k 列,对应元素相乘后求和。
尺寸条件从何而来? :只有当 A A A 的列数 等于 B B B 的行数 (都是 n n n )时乘积才有定义。这不是人为限制,而是复合的翻译:S T ST S T 存在当且仅当 T T T 的值域空间 = S S S 的定义域空间,即中间空间 V V V 的维数 n n n 必须同时 是 T T T 的”输出维数”与 S S S 的”输入维数”。尺寸匹配 = 复合可行性。
Theorem 3.43 :若 T ∈ L ( U , V ) T \in \mathcal{L}(U, V) T ∈ L ( U , V ) ,S ∈ L ( V , W ) S \in \mathcal{L}(V, W) S ∈ L ( V , W ) ,则 M ( S T ) = M ( S ) M ( T ) \mathcal{M}(ST) = \mathcal{M}(S)\mathcal{M}(T) M ( S T ) = M ( S ) M ( T ) 。
(证明就是 4.2 的计算。)
Example 3.42 :
( 1 2 3 4 5 6 ) ( 6 5 4 3 2 1 0 − 1 ) = ( 10 7 4 1 26 19 12 5 42 31 20 9 ) . \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 3 & 4\\ 5 & 6 \end{pmatrix}
\begin{pmatrix} 6 & 5 & 4 & 3\\ 2 & 1 & 0 & -1 \end{pmatrix}
= \begin{pmatrix} 10 & 7 & 4 & 1\\ 26 & 19 & 12 & 5\\ 42 & 31 & 20 & 9 \end{pmatrix}. 1 3 5 2 4 6 ( 6 2 5 1 4 0 3 − 1 ) = 10 26 42 7 19 31 4 12 20 1 5 9 .
尺寸核对 :3 × 2 3\times 2 3 × 2 乘 2 × 4 2\times 4 2 × 4 得 3 × 4 3\times 4 3 × 4 ——正是 定义 3.41 中”列数 = 行数”的要求。
4.4 三种等价视角
Notation 3.44 :A j , ⋅ A_{j,\cdot} A j , ⋅ = 第 j j j 行(1-by-n n n ),A ⋅ , k A_{\cdot,k} A ⋅ , k = 第 k k k 列(m m m -by-1)。
视角 陈述 直觉 行乘列 (3.46) ( A B ) j , k = A j , ⋅ B ⋅ , k (AB)_{j,k} = A_{j,\cdot} B_{\cdot,k} ( A B ) j , k = A j , ⋅ B ⋅ , k 逐个元素计算的标准流程 列 = 矩阵乘列 (3.48) ( A B ) ⋅ , k = A B ⋅ , k (AB)_{\cdot,k} = A B_{\cdot,k} ( A B ) ⋅ , k = A B ⋅ , k A B AB A B 的第 k k k 列 = A A A 作用于 B B B 的第 k k k 列列的线性组合 (3.50) A b = b 1 A ⋅ , 1 + ⋯ + b n A ⋅ , n Ab = b_1 A_{\cdot,1} + \cdots + b_n A_{\cdot,n} A b = b 1 A ⋅ , 1 + ⋯ + b n A ⋅ , n 矩阵乘向量 = 把列按坐标组合
Example 3.49 :
( 1 2 3 4 5 6 ) ( 5 1 ) = ( 7 19 31 ) = 5 ( 1 3 5 ) + 1 ( 2 4 6 ) . \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 3 & 4\\ 5 & 6 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 5\\ 1 \end{pmatrix}
= \begin{pmatrix} 7\\ 19\\ 31 \end{pmatrix}
= 5\begin{pmatrix} 1\\ 3\\ 5 \end{pmatrix} + 1\begin{pmatrix} 2\\ 4\\ 6 \end{pmatrix}. 1 3 5 2 4 6 ( 5 1 ) = 7 19 31 = 5 1 3 5 + 1 2 4 6 .
因果 :第三视角正是 2.5 中 M ( T v ) = M ( T ) M ( v ) \mathcal{M}(Tv) = \mathcal{M}(T)\mathcal{M}(v) M ( T v ) = M ( T ) M ( v ) 的坐标化身——“列是 T v k Tv_k T v k 的照片,组合系数是 v v v 的坐标”。
4.5 代数性质:不交换、但结合与分配
不交换 :A B ≠ B A AB \neq BA A B = B A 一般成立。例如 A = ( 0 1 0 0 ) , B = ( 0 0 1 0 ) A = \begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix},\ B = \begin{pmatrix}0&0\\1&0\end{pmatrix} A = ( 0 0 1 0 ) , B = ( 0 1 0 0 ) 时 A B = ( 1 0 0 0 ) ≠ ( 0 0 0 1 ) = B A AB = \begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix} \neq \begin{pmatrix}0&0\\0&1\end{pmatrix} = BA A B = ( 1 0 0 0 ) = ( 0 0 0 1 ) = B A 。
这不是矩阵的缺陷,而是复合不交换 (lecture 5 例 例子 3.9 :T D ≠ D T TD \neq DT T D = D T )在坐标世界里的忠实翻译。词典忠实,所以该缺陷(性质)也被忠实保留。
结合律、分配律 :( A B ) C = A ( B C ) (AB)C = A(BC) ( A B ) C = A ( B C ) ,A ( B + C ) = A B + A C A(B+C) = AB+AC A ( B + C ) = A B + A C ,( D + E ) F = D F + E F (D+E)F = DF+EF ( D + E ) F = D F + E F (习题 3.C.11, 3.C.12)。
这些律可以逐元素硬算来证明,但更高级的理解是——它们继承 自线性映射复合的结合律与分配律 (3.8)。Emil Artin 的名言恰在此处:“It is my experience that proofs involving matrices can be shortened by 50% if one throws the matrices out.”(把矩阵扔掉,回到映射侧证明,再翻译回来。)
Example 3.C.12 :
可以把矩阵“扔掉”,改用线性映射的复合 来证明。关键事实是:
线性映射的乘法满足结合律:
( S T ) R = S ( T R ) (S T)R=S(TR) ( S T ) R = S ( T R )
见 定理 3.8 。
矩阵乘法被定义成使得
M ( S T ) = M ( S ) M ( T ) \mathcal M(ST)=\mathcal M(S)\mathcal M(T) M ( S T ) = M ( S ) M ( T )
见 定理 3.43 。
设
A ∈ F m , n , B ∈ F n , p , C ∈ F p , q , A\in F^{m,n},\quad B\in F^{n,p},\quad C\in F^{p,q}, A ∈ F m , n , B ∈ F n , p , C ∈ F p , q ,
于是 ( A B ) C (AB)C ( A B ) C 和 A ( B C ) A(BC) A ( B C ) 都是 m × q m \times q m × q 矩阵。
取有限维向量空间
X , U , V , W X,\ U,\ V,\ W X , U , V , W
使得
dim X = q , dim U = p , dim V = n , dim W = m . \dim X=q,\quad \dim U=p,\quad \dim V=n,\quad \dim W=m. dim X = q , dim U = p , dim V = n , dim W = m .
分别给它们选定基。根据线性映射引理 3.4,存在线性映射
R ∈ L ( X , U ) , T ∈ L ( U , V ) , S ∈ L ( V , W ) R\in\mathcal L(X,U),\quad T\in\mathcal L(U,V),\quad S\in\mathcal L(V,W) R ∈ L ( X , U ) , T ∈ L ( U , V ) , S ∈ L ( V , W )
使得
M ( R ) = C , M ( T ) = B , M ( S ) = A . \mathcal M(R)=C,\qquad \mathcal M(T)=B,\qquad \mathcal M(S)=A. M ( R ) = C , M ( T ) = B , M ( S ) = A .
于是由 3.43,
M ( S T ) = M ( S ) M ( T ) = A B . \mathcal M(ST)=\mathcal M(S)\mathcal M(T)=AB. M ( S T ) = M ( S ) M ( T ) = A B .
所以
M ( ( S T ) R ) = M ( S T ) M ( R ) = ( A B ) C . \mathcal M((ST)R)=\mathcal M(ST)\mathcal M(R)=(AB)C. M (( S T ) R ) = M ( S T ) M ( R ) = ( A B ) C .
另一方面,
M ( T R ) = M ( T ) M ( R ) = B C , \mathcal M(TR)=\mathcal M(T)\mathcal M(R)=BC, M ( T R ) = M ( T ) M ( R ) = B C ,
因此
M ( S ( T R ) ) = M ( S ) M ( T R ) = A ( B C ) . \mathcal M(S(TR))=\mathcal M(S)\mathcal M(TR)=A(BC). M ( S ( T R )) = M ( S ) M ( T R ) = A ( B C ) .
但是线性映射的复合满足结合律,所以
( S T ) R = S ( T R ) . (ST)R=S(TR). ( S T ) R = S ( T R ) .
既然这两个线性映射相等,它们在相同基下的矩阵也相等,因此
( A B ) C = A ( B C ) . (AB)C=A(BC). ( A B ) C = A ( B C ) .
这就证明了矩阵乘法的结合律。
5. Transpose (转置)
Definition 3.54 (Transpose, A t A^t A t ) :
A t A^t A t 是把 A A A 的行与列互换得到的矩阵:若 A A A 是 m m m -by-n n n ,则 A t A^t A t 是 n n n -by-m m m ,且 ( A t ) k , j = A j , k (A^t)_{k,j} = A_{j,k} ( A t ) k , j = A j , k 。
Example 3.55 :若 A = ( 5 − 7 3 8 − 4 2 ) A = \begin{pmatrix} 5 & -7 & 3\\ 8 & -4 & 2 \end{pmatrix} A = ( 5 8 − 7 − 4 3 2 ) ,则 A t = ( 5 8 − 7 − 4 3 2 ) A^t = \begin{pmatrix} 5 & 8\\ -7 & -4\\ 3 & 2 \end{pmatrix} A t = 5 − 7 3 8 − 4 2 。
性质 :( A + B ) t = A t + B t (A+B)^t = A^t + B^t ( A + B ) t = A t + B t ,( λ A ) t = λ A t (\lambda A)^t = \lambda A^t ( λ A ) t = λ A t ,以及反序律 ( A C ) t = C t A t (AC)^t = C^t A^t ( A C ) t = C t A t (习题 3.C.14, 3.C.15)。
逻辑 :反序律与复合/对偶的反序性同源(对照 3F 中 ( S T ) ′ = T ′ S ′ (ST)' = T'S' ( S T ) ′ = T ′ S ′ ):转置交换了”行(值域侧)“与”列(定义域侧)“的角色,因此复合的顺序必须颠倒。
Example 3.C.14:
要证明结合律的成立,我们可以直接套转置的定义与矩阵加法、矩阵标量乘法的定义。
设
A = ( A j , k ) ∈ F m , n , B = ( B j , k ) ∈ F m , n . A = (A_{j,k}) \in F^{m,n},\qquad B = (B_{j,k}) \in F^{m,n}. A = ( A j , k ) ∈ F m , n , B = ( B j , k ) ∈ F m , n .
转置的定义是
( A t ) k , j = A j , k . (A^t)_{k,j} = A_{j,k}. ( A t ) k , j = A j , k .
于是
( ( A + B ) t ) k , j = ( A + B ) j , k = A j , k + B j , k = ( A t ) k , j + ( B t ) k , j = ( A t + B t ) k , j . \begin{aligned}
((A+B)^t)_{k,j}
&= (A+B)_{j,k} \\
&= A_{j,k} + B_{j,k} \\
&= (A^t)_{k,j} + (B^t)_{k,j} \\
&= (A^t + B^t)_{k,j}.
\end{aligned} (( A + B ) t ) k , j = ( A + B ) j , k = A j , k + B j , k = ( A t ) k , j + ( B t ) k , j = ( A t + B t ) k , j .
因为对应的元素都相等,所以
( A + B ) t = A t + B t . (A+B)^t = A^t + B^t. ( A + B ) t = A t + B t .
再设 λ ∈ F \lambda \in F λ ∈ F ,有
( ( λ A ) t ) k , j = ( λ A ) j , k = λ A j , k = λ ( A t ) k , j = ( λ A t ) k , j . \begin{aligned}
((\lambda A)^t)_{k,j}
&= (\lambda A)_{j,k} \\
&= \lambda A_{j,k} \\
&= \lambda (A^t)_{k,j} \\
&= (\lambda A^t)_{k,j}.
\end{aligned} (( λ A ) t ) k , j = ( λ A ) j , k = λ A j , k = λ ( A t ) k , j = ( λ A t ) k , j .
所以
( λ A ) t = λ A t . (\lambda A)^t = \lambda A^t. ( λ A ) t = λ A t .
因此,函数 A ↦ A t A \mapsto A^t A ↦ A t 保持了加法和标量乘法,是从 F m , n F^{m,n} F m , n 到 F n , m F^{n,m} F n , m 的线性映射。
在后续的章节(3F),我们也会解锁全新的证明思路:这个新思路和证明 3.C.12 时的思想类似:不要把矩阵当成一堆数,而是把矩阵看成某个线性映射的表示。
不过,对于转置来说,最自然的对应物是对偶映射。
6. Column Rank and Row Rank (矩阵的秩:列秩与行秩)
6.1 引入:一个矩阵”有多少维”?
前面五节里,矩阵是线性映射的照片 。但矩阵本身也是一个可以独立研究的对象——它是一堆数字排成的矩形。于是一个自然的问题出现了:
一个 m × n m\times n m × n 矩阵 A A A “包含多少维的信息” ?换句话说,它的列(或行)张成的空间有多大?
这个问题的重要性在本讲已经出现过两次,只是当时没有名字:
在 4.4 节的第三视角 中我们知道,A b = b 1 A ⋅ , 1 + ⋯ + b n A ⋅ , n Ab = b_1A_{\cdot,1} + \cdots + b_nA_{\cdot,n} A b = b 1 A ⋅ , 1 + ⋯ + b n A ⋅ , n ——矩阵乘向量的像,全部落在 A A A 的列张成的空间里 。所以”列张成的空间有多大”直接决定了”乘法 x ↦ A x x\mapsto Ax x ↦ A x 的像有多大”。
在 习题 3.C.5 中我们要证”可选基使矩阵除前 dim range T \dim\text{range }T dim range T 个对角元为 1 外全为 0”——那里的数字 dim range T \dim\text{range }T dim range T 正是这个”信息量”。
因此需要给这个量一个名字。注意这里有两个 看似不同的答案(数列的维数、数行的维数),本节的任务就是证明它们其实相等 ——这是一个相当不平凡的事实,也是 Axler 把”矩阵的秩”单列一小节的唯一理由。
6.2 Theorem: matrix multiplication as linear combinations of columns or rows (3.51)
定义 3.52 要数”列张成的空间”与”行张成的空间”的维数,而 定理 3.56 与 定理 3.57 的证明都要用到一个技术事实:乘积 C R CR C R 的行与列分别来自 C C C 的列与 R R R 的行 。我们把它单列出来(4.4 节的三个视角只谈了列,这里补上行的那一半)。
Theorem 3.51 (matrix multiplication as linear combinations of columns or rows) :
设 C C C 是 m m m -by-c c c 矩阵,R R R 是 c c c -by-n n n 矩阵。
(a) 若 k ∈ { 1 , … , n } k \in \{1,\dots,n\} k ∈ { 1 , … , n } ,则 C R CR C R 的第 k k k 列是 C C C 的各列的线性组合,组合系数来自 R R R 的第 k k k 列。
(b) 若 j ∈ { 1 , … , m } j \in \{1,\dots,m\} j ∈ { 1 , … , m } ,则 C R CR C R 的第 j j j 行是 R R R 的各行的线性组合,组合系数来自 C C C 的第 j j j 行。
证明 :(a) 由 4.4 节表格的第二行(3.48:"( C R ) ⋅ , k = C R ⋅ , k (CR)_{\cdot,k} = CR_{\cdot,k} ( C R ) ⋅ , k = C R ⋅ , k "),( C R ) ⋅ , k = C R ⋅ , k (CR)_{\cdot,k} = CR_{\cdot,k} ( C R ) ⋅ , k = C R ⋅ , k ;再由表格的第三行(3.50:"A b = b 1 A ⋅ , 1 + ⋯ + b n A ⋅ , n Ab = b_1A_{\cdot,1}+\cdots+b_nA_{\cdot,n} A b = b 1 A ⋅ , 1 + ⋯ + b n A ⋅ , n ")把 C R ⋅ , k CR_{\cdot,k} C R ⋅ , k 展开成 C C C 的各列的组合,系数就是 R ⋅ , k R_{\cdot,k} R ⋅ , k 的分量。故 (a) 成立。
(b) 直接算。R R R 的第 i i i 行是 1 1 1 -by-n n n 矩阵 R i , ⋅ R_{i,\cdot} R i , ⋅ ,C C C 的第 j j j 行是 1 1 1 -by-c c c 矩阵 C j , ⋅ C_{j,\cdot} C j , ⋅ 。由矩阵乘法的定义,C R CR C R 的第 j j j 行第 k k k 列元素是
( C R ) j , k = ∑ i = 1 c C j , i R i , k . (CR)_{j,k} = \sum_{i=1}^{c} C_{j,i} R_{i,k}. ( C R ) j , k = i = 1 ∑ c C j , i R i , k .
而右端正是线性组合 ∑ i = 1 c C j , i R i , ⋅ \sum_{i=1}^{c} C_{j,i}R_{i,\cdot} ∑ i = 1 c C j , i R i , ⋅ 的第 k k k 个分量。对每个 k = 1 , … , n k = 1,\dots,n k = 1 , … , n 成立,故
( C R ) j , ⋅ = ∑ i = 1 c C j , i R i , ⋅ , (CR)_{j,\cdot} = \sum_{i=1}^{c} C_{j,i}\,R_{i,\cdot}, ( C R ) j , ⋅ = i = 1 ∑ c C j , i R i , ⋅ ,
即 C R CR C R 的第 j j j 行是 R R R 的各行的线性组合,系数是 C j , 1 , … , C j , c C_{j,1},\dots,C_{j,c} C j , 1 , … , C j , c 。■ \blacksquare ■
为什么这一条是下一节的关键? 请把 (b) 记住成一句话:C R CR C R 的每一行都住在”R R R 的各行所张成的空间”里,而这个空间只由 R R R 的行数 c c c 限制 。于是不管 m m m 有多大(A A A 有多少行),C R CR C R 的行秩都不会超过 c c c ——这就是”行秩 ≤ \le ≤ 列秩”的全部秘密。
6.2 Definition: column rank, row rank (3.52)
Definition 3.52 (column rank, row rank) :
设 A A A 是元素在 F \mathbf{F} F 中的 m m m -by-n n n 矩阵。
A A A 的列秩 (column rank) 是 A A A 的各列在 F m , 1 \mathbf{F}^{m,1} F m , 1 中张成的空间的维数。
A A A 的行秩 (row rank) 是 A A A 的各行在 F 1 , n \mathbf{F}^{1,n} F 1 , n 中张成的空间的维数。
为什么两个秩都不超过 min { m , n } \min\{m,n\} min { m , n } ? 因为 A A A 有 n n n 列,所以列秩 ≤ n \le n ≤ n ;而这些列都住在 F m , 1 \mathbf{F}^{m,1} F m , 1 里,dim F m , 1 = m \dim\mathbf{F}^{m,1} = m dim F m , 1 = m ,所以列秩 ≤ m \le m ≤ m 。合起来列秩 ≤ min { m , n } \le \min\{m,n\} ≤ min { m , n } 。行秩同理(A A A 有 m m m 行,每行住在 F 1 , n \mathbf{F}^{1,n} F 1 , n 中)。这个上界会在 6.4 节被用到。
记号说明 :A ⋅ , k A_{\cdot,k} A ⋅ , k 表示第 k k k 列(m m m -by-1),A j , ⋅ A_{j,\cdot} A j , ⋅ 表示第 j j j 行(1-by-n n n ),见 Notation 3.44 。注意两者住在不同的空间 里(F m , 1 \mathbf{F}^{m,1} F m , 1 与 F 1 , n \mathbf{F}^{1,n} F 1 , n ),所以”列秩”与”行秩”的定义不能互相替代。
6.3 Example: column rank and row rank of a 2-by-4 matrix (3.53)
Example 3.53 :设
A = ( 4 7 1 8 3 5 2 9 ) . A = \begin{pmatrix} 4 & 7 & 1 & 8\\ 3 & 5 & 2 & 9 \end{pmatrix}. A = ( 4 3 7 5 1 2 8 9 ) .
列秩 :它是
span ( ( 4 3 ) , ( 7 5 ) , ( 1 2 ) , ( 8 9 ) ) \text{span}\left(\begin{pmatrix} 4\\ 3 \end{pmatrix},\ \begin{pmatrix} 7\\ 5 \end{pmatrix},\ \begin{pmatrix} 1\\ 2 \end{pmatrix},\ \begin{pmatrix} 8\\ 9 \end{pmatrix}\right) span ( ( 4 3 ) , ( 7 5 ) , ( 1 2 ) , ( 8 9 ) )
在 F 2 , 1 \mathbf{F}^{2,1} F 2 , 1 中的维数。列表中的前两个向量互不成比例 ,故这个长度 4 的列表张成的空间维数至少是 2 。又因为它住在 F 2 , 1 \mathbf{F}^{2,1} F 2 , 1 里,维数至多是 2 。因此它恰好是 2,即 A A A 的列秩为 2 2 2 。
行秩 :它是
span ( ( 4 7 1 8 ) , ( 3 5 2 9 ) ) \text{span}\Big(\begin{pmatrix} 4 & 7 & 1 & 8 \end{pmatrix},\ \begin{pmatrix} 3 & 5 & 2 & 9 \end{pmatrix}\Big) span ( ( 4 7 1 8 ) , ( 3 5 2 9 ) )
在 F 1 , 4 \mathbf{F}^{1,4} F 1 , 4 中的维数。这两个向量互不成比例,故这个长度 2 的列表的张成空间维数为 2 2 2 ,即 A A A 的行秩为 2 2 2 。
读法 :这个例子里两个秩都等于 2 2 2 ,但**“恰好相等”这件事完全看不出来**——列有 4 个、行只有 2 个,列住在 2 维空间里、行住在 4 维空间里,两个定义看上去毫无关系。这就是为什么需要一条定理。
6.4 Theorem: column–row factorization (3.56)
要证明”列秩 = 行秩”,Axler 用的关键工具是一个分解 :把 A A A 写成”瘦长矩阵”乘”扁平矩阵”。
Theorem 3.56 (column–row factorization) :
设 A A A 是元素在 F \mathbf{F} F 中的 m m m -by-n n n 矩阵,且列秩为 c ≥ 1 c \ge 1 c ≥ 1 。则存在 m m m -by-c c c 矩阵 C C C 与 c c c -by-n n n 矩阵 R R R (元素都在 F \mathbf{F} F 中)使得
A = C R . A = CR. A = C R .
证明 :A A A 的每一列都是 m m m -by-1 矩阵。由 定理 2.30 ,列列表 A ⋅ , 1 , … , A ⋅ , n A_{\cdot,1},\dots,A_{\cdot,n} A ⋅ , 1 , … , A ⋅ , n 可以缩减 为”各列的张成空间”的一组基 。由列秩的定义,这组基的长度是 c c c 。把这 c c c 个基列并排放在一起,得到一个 m m m -by-c c c 矩阵,记作 C C C 。
现在看任意一列 A ⋅ , k A_{\cdot,k} A ⋅ , k (k = 1 , … , n k = 1,\dots,n k = 1 , … , n )。由上一段的构造,A A A 的每一列都是 C C C 的各列的线性组合(因为 C C C 的列张成了所有列所在的空间)。把这个线性组合的系数 竖起来,作为 c c c -by-n n n 矩阵 R R R 的第 k k k 列。则由 定理 3.51 (a)(”C R CR C R 的第 k k k 列 = C C C 乘 R R R 的第 k k k 列”),
( C R ) ⋅ , k = C R ⋅ , k = A ⋅ , k . (CR)_{\cdot,k} = C R_{\cdot,k} = A_{\cdot,k}. ( C R ) ⋅ , k = C R ⋅ , k = A ⋅ , k .
对每个 k k k 成立,故 A = C R A = CR A = C R 。■ \blacksquare ■
这个分解在说什么? A = C R A = CR A = C R 的意思是:A A A 的”全部内容”可以分解为”它的列空间的一组基”(C C C )与”各列如何用这组基表示”(R R R )两部分 。
C C C 是 m × c m\times c m × c :c c c 就是列秩(“列空间有几维”);
R R R 是 c × n c\times n c × n :它记录的是坐标 (“每一列在这组基下的系数”)。
因此 A = C R A = CR A = C R 又把 A A A 的”信息量”暴露了一次:一个 m × n m\times n m × n 矩阵被压缩成了 c c c 个基列加上 c n c n c n 个系数 。
例(承 3.53) :对 A = ( 4 7 1 8 3 5 2 9 ) A = \begin{pmatrix} 4 & 7 & 1 & 8\\ 3 & 5 & 2 & 9 \end{pmatrix} A = ( 4 3 7 5 1 2 8 9 ) ,列秩 c = 2 c = 2 c = 2 ,取前两列为基列,得
C = ( 4 7 3 5 ) . C = \begin{pmatrix} 4 & 7\\ 3 & 5 \end{pmatrix}. C = ( 4 3 7 5 ) .
再把第 3、4 列用 C C C 的两列表示出来(解 C R ⋅ , k = A ⋅ , k C R_{\cdot,k} = A_{\cdot,k} C R ⋅ , k = A ⋅ , k )。设 A ⋅ , 3 = x 1 ( 4 3 ) + x 2 ( 7 5 ) A_{\cdot,3} = x_1\begin{pmatrix} 4\\ 3 \end{pmatrix} + x_2\begin{pmatrix} 7\\ 5 \end{pmatrix} A ⋅ , 3 = x 1 ( 4 3 ) + x 2 ( 7 5 ) ,即
{ 4 x 1 + 7 x 2 = 1 , 3 x 1 + 5 x 2 = 2 , ⟹ x 1 = 9 , x 2 = − 5 , \begin{cases} 4x_1 + 7x_2 = 1,\\ 3x_1 + 5x_2 = 2,\end{cases} \qquad\Longrightarrow\qquad x_1 = 9,\ x_2 = -5, { 4 x 1 + 7 x 2 = 1 , 3 x 1 + 5 x 2 = 2 , ⟹ x 1 = 9 , x 2 = − 5 ,
故 A ⋅ , 3 = 9 ( 4 3 ) − 5 ( 7 5 ) A_{\cdot,3} = 9\begin{pmatrix} 4\\ 3 \end{pmatrix} - 5\begin{pmatrix} 7\\ 5 \end{pmatrix} A ⋅ , 3 = 9 ( 4 3 ) − 5 ( 7 5 ) 。同理 A ⋅ , 4 = 23 ( 4 3 ) − 12 ( 7 5 ) A_{\cdot,4} = 23\begin{pmatrix} 4\\ 3 \end{pmatrix} - 12\begin{pmatrix} 7\\ 5 \end{pmatrix} A ⋅ , 4 = 23 ( 4 3 ) − 12 ( 7 5 ) 。于是
A = ( 4 7 3 5 ) ⏟ C ( 1 0 9 23 0 1 − 5 − 12 ) ⏟ R . A = \underbrace{\begin{pmatrix} 4 & 7\\ 3 & 5 \end{pmatrix}}_{C}\underbrace{\begin{pmatrix} 1 & 0 & 9 & 23\\ 0 & 1 & -5 & -12 \end{pmatrix}}_{R}. A = C ( 4 3 7 5 ) R ( 1 0 0 1 9 − 5 23 − 12 ) .
(R R R 的前两列是 ( 1 0 ) , ( 0 1 ) \begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix},\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix} ( 1 0 ) , ( 0 1 ) ,因为基列当然用自己表示自己。核对:C R CR C R 的第 3 列是 9 ⋅ ( 4 , 3 ) t + ( − 5 ) ⋅ ( 7 , 5 ) t = ( 1 , 2 ) t 9\cdot(4,3)^t + (-5)\cdot(7,5)^t = (1,2)^t 9 ⋅ ( 4 , 3 ) t + ( − 5 ) ⋅ ( 7 , 5 ) t = ( 1 , 2 ) t ,正是 A A A 的第 3 列 ✓。)
6.5 Theorem: column rank equals row rank (3.57)
Theorem 3.57 (column rank equals row rank) :
设 A ∈ F m , n A \in \mathbf{F}^{m,n} A ∈ F m , n 。则 A A A 的列秩等于行秩 。
证明 :分三步。
第一步:c = 0 c = 0 c = 0 的退化情形。 若列秩 c = 0 c = 0 c = 0 ,则各列张成的空间是零空间,故每一列都是零列,从而 A = 0 A = 0 A = 0 。此时每一行也都是零行,行秩也为 0 0 0 。故结论成立。以下设 c ≥ 1 c \ge 1 c ≥ 1 。
第二步:行秩 ≤ \le ≤ 列秩。 由 定理 3.56 ,取列–行分解
A = C R , A = CR, A = C R ,
其中 C C C 是 m m m -by-c c c 、R R R 是 c c c -by-n n n 。现在看 A A A 的行 。由 定理 3.51 (b)(”C R CR C R 的第 j j j 行 = C C C 的第 j j j 行乘 R R R ”),A A A 的每一行都是 R R R 的各行的线性组合 :
A j , ⋅ = C j , ⋅ R = C j , 1 R 1 , ⋅ + C j , 2 R 2 , ⋅ + ⋯ + C j , c R c , ⋅ . A_{j,\cdot} = C_{j,\cdot}\,R = C_{j,1}R_{1,\cdot} + C_{j,2}R_{2,\cdot} + \cdots + C_{j,c}R_{c,\cdot}. A j , ⋅ = C j , ⋅ R = C j , 1 R 1 , ⋅ + C j , 2 R 2 , ⋅ + ⋯ + C j , c R c , ⋅ .
而 R R R 只有 c c c 行 ,所以”A A A 的各行”这个列表的全部元素都住在 R R R 的 c c c 行所张成的空间里,该空间维数 ≤ c \le c ≤ c 。由行秩的定义(它是 A A A 各行张成空间的维数),
行秩 ( A ) ≤ c = 列秩 ( A ) . \text{行秩}(A) \le c = \text{列秩}(A). 行秩 ( A ) ≤ c = 列秩 ( A ) .
第三步:反向不等式。把第二步用到 A t A^t A t 上。 先注意转置与两个秩的关系:转置把列变成行 (定义 3.54 ),因此
列秩 ( A t ) = 行秩 ( A ) , 行秩 ( A t ) = 列秩 ( A ) . \text{列秩}(A^t) = \text{行秩}(A), \qquad \text{行秩}(A^t) = \text{列秩}(A). 列秩 ( A t ) = 行秩 ( A ) , 行秩 ( A t ) = 列秩 ( A ) .
(第一式:A t A^t A t 的各列正是 A A A 的各行的转置,而”转置”是 F 1 , n \mathbf{F}^{1,n} F 1 , n 到 F n , 1 \mathbf{F}^{n,1} F n , 1 的同构,保维数。)于是把第二步的结论(对任意 矩阵成立)应用于 A t A^t A t ,得
行秩 ( A t ) ≤ 列秩 ( A t ) . \text{行秩}(A^t) \le \text{列秩}(A^t). 行秩 ( A t ) ≤ 列秩 ( A t ) .
代入上面两个等式:
列秩 ( A ) ≤ 行秩 ( A ) . \text{列秩}(A) \le \text{行秩}(A). 列秩 ( A ) ≤ 行秩 ( A ) .
收尾 :第二步给出 行秩 ( A ) ≤ 列秩 ( A ) \text{行秩}(A) \le \text{列秩}(A) 行秩 ( A ) ≤ 列秩 ( A ) ,第三步给出 列秩 ( A ) ≤ 行秩 ( A ) \text{列秩}(A) \le \text{行秩}(A) 列秩 ( A ) ≤ 行秩 ( A ) ,故
列秩 ( A ) = 行秩 ( A ) . ■ \text{列秩}(A) = \text{行秩}(A). \qquad\blacksquare 列秩 ( A ) = 行秩 ( A ) . ■
这个证明的巧妙之处 :第二步只证明了一个方向 的不等式(行秩 ≤ \le ≤ 列秩),然后把同一个论证用到转置上 ,就免费得到了反方向。这正是本讲第 5 节反复出现的”转置 = 行列互换 ”思想的又一次应用——如果一条关于行与列的命题是”自对偶”的,那么只需证明一半 。这与 lecture-8 中”单射与满射在维数配平时互相蕴含”是同一类省力技巧。
6.6 Definition: rank (3.58)
既然列秩恒等于行秩,就没有必要保留两个名字。
Definition 3.58 (rank) :
矩阵 A ∈ F m , n A \in \mathbf{F}^{m,n} A ∈ F m , n 的秩 (rank) 是 A A A 的列秩。
记号 :本课程不引入专门的符号,直接写 rank A \text{rank } A rank A 或”A A A 的秩”。(有些教材写 rk A \operatorname{rk} A rk A 或 ρ ( A ) \rho(A) ρ ( A ) 。)
由 定理 3.57 ,”A A A 的秩”也可以等价地说成”A A A 的行秩”——选择哪一个作为定义都可以 ,Axler 选了列秩,因为它与线性映射的值域直接挂钩(见下一节)。
6.7 与映射侧的接口:rank M ( T ) = dim range T \text{rank } \mathcal{M}(T) = \dim \text{range } T rank M ( T ) = dim range T
本讲的主题是”矩阵是线性映射的照片”。那么矩阵的秩 在映射侧对应什么?
答案是 lecture 8 的 定理 3.78 :
dim range T = M ( T ) 的列秩 = rank M ( T ) . \dim \text{range } T = \mathcal{M}(T) \text{ 的列秩} = \text{rank } \mathcal{M}(T). dim range T = M ( T ) 的列秩 = rank M ( T ) .
也就是说:矩阵的秩就是它所代表的线性映射的”值域维数” 。
为什么这一定理”应该”成立? 本讲 2.5 节已经给出了全部原料:
M ( T ) \mathcal{M}(T) M ( T ) 的第 k k k 列是 M ( T v k ) \mathcal{M}(Tv_k) M ( T v k ) (即 3.75 3.75 3.75 的内容);
而 range T = span ( T v 1 , … , T v n ) \text{range } T = \text{span}(Tv_1,\dots,Tv_n) range T = span ( T v 1 , … , T v n ) (习题 3.B.10);
换基同构 M \mathcal{M} M 保维数,所以”span ( T v k ) \text{span}(Tv_k) span ( T v k ) 的维数”等于”span ( M ( T v k ) ) \text{span}(\mathcal{M}(Tv_k)) span ( M ( T v k )) 的维数”,而后者正是列秩。
于是三条一拼,”dim range T = \dim\text{range } T = dim range T = 列秩”就出来了。这就是为什么 3.57 3.57 3.57 这个纯粹关于”数字矩形”的定理对本课程很重要 :它让”值域维数”这个映射侧的几何量,可以用矩阵侧的行或列随便哪一种方式去算——而这两种算法在实际计算中难度往往相差很多(数行往往比数列容易,或者反过来)。
顺带一提 :3.78 3.78 3.78 也解释了为什么秩与基的选择无关——因为 range T \text{range } T range T 与基的选择无关,而列秩等于 dim range T \dim\text{range } T dim range T 。同一个矩阵在不同基下的矩阵长得不同,但它们的秩相同 (这一事实在 lecture 8 的 3.78 处会正式说明)。
6.8 关于秩的总结
关心的问题 精确形式 编号 ”列张成的空间有多大” 列秩 = dim span ( A ⋅ , 1 , … , A ⋅ , n ) \dim\text{span}(A_{\cdot,1},\dots,A_{\cdot,n}) dim span ( A ⋅ , 1 , … , A ⋅ , n ) 3.52 ”行张成的空间有多大” 行秩 = dim span ( A 1 , ⋅ , … , A m , ⋅ ) \dim\text{span}(A_{1,\cdot},\dots,A_{m,\cdot}) dim span ( A 1 , ⋅ , … , A m , ⋅ ) 3.52 ”秩最大能是多少” 两者都 ≤ min { m , n } \le \min\{m,n\} ≤ min { m , n } 3.52 的讨论 ”把矩阵按列空间压缩” A = C R A = CR A = C R ,C C C 的列是列空间的基3.56 ”列秩与行秩什么关系” 相等 3.57 ”那就统一叫秩” rank A \text{rank } A rank A = 列秩3.58 ”秩在映射侧是什么” rank M ( T ) = dim range T \text{rank } \mathcal{M}(T) = \dim \text{range } T rank M ( T ) = dim range T 定理 3.78 ”转置对秩的影响” 转置交换行与列,故 rank A t = rank A \text{rank } A^t = \text{rank } A rank A t = rank A 3.57 的证明
列秩与行秩是两个定义上毫不相关的数 (一个数 F m , 1 \mathbf{F}^{m,1} F m , 1 中的维数,一个数 F 1 , n \mathbf{F}^{1,n} F 1 , n 中的维数),但它们恒相等 (定理 3.57 )。这条定理的证明靠列–行分解 A = C R A = CR A = C R (定理 3.56 ):C C C 把”列空间有几维”记在它自己的列数上,R R R 则把”行从哪来”限制在 c c c 行之内。而这条看似纯矩阵的定理,最终让”矩阵的秩”与”线性映射的值域维数”接上了头(定理 3.78 )。
rank \text{rank} rank 是矩阵的”内在维数”——它既可以从列数出来,也可以从行数出来,还可以从对应的线性映射的值域数出来,三个答案永远一致 。
7. 本讲概念映射 (Summary)
映射侧(几何/代数对象) 矩阵侧(坐标世界) 桥梁定理 T T T 由 T v 1 , … , T v n Tv_1,\dots,Tv_n T v 1 , … , T v n 决定M ( T ) \mathcal{M}(T) M ( T ) 的第 k k k 列 = T v k Tv_k T v k 的坐标定理 3.4 + 定义 3.31 向量 v = ∑ b k v k v = \sum b_k v_k v = ∑ b k v k 列向量 M ( v ) \mathcal{M}(v) M ( v ) 定义 3.73 + 例子 3.74 作用 T v Tv T v 乘法 M ( T ) M ( v ) \mathcal{M}(T)\mathcal{M}(v) M ( T ) M ( v ) 定理 3.76 和 S + T S+T S + T 、数乘 λ T \lambda T λ T M ( S ) + M ( T ) \mathcal{M}(S)+\mathcal{M}(T) M ( S ) + M ( T ) 、λ M ( T ) \lambda\mathcal{M}(T) λ M ( T ) 命题 3.35 , 命题 3.38 复合 S T ST S T 乘积 M ( S ) M ( T ) \mathcal{M}(S)\mathcal{M}(T) M ( S ) M ( T ) 定理 3.43 空间 L ( V , W ) \mathcal{L}(V,W) L ( V , W ) 空间 F m , n \mathbf{F}^{m,n} F m , n ,dim = m n \dim = mn dim = mn 定理 3.40 , 定义 3.71 复合不交换 矩阵乘法不交换 例子 3.9 ↔ 3.C.10值域维数 dim range T \dim \text{range } T dim range T 矩阵的秩 rank M ( T ) \text{rank } \mathcal{M}(T) rank M ( T ) 3.52 → 3.57 → 定理 3.78
矩阵是线性映射在基下的坐标照片;矩阵的一切运算规则(逐元素加法、行乘列乘法、反序转置)都不是发明,而是”让照片之间的运算忠实反映映射之间的运算”这一要求唯一确定 的翻译规则。而秩 则是这张照片所携带的”内在维数”——它数行、数列、数映射的值域,三个答案永远一致(定理 3.57 与 定理 3.78 )。
8. Questions to Carry Forward (下节课前瞻)
可逆矩阵 与可逆线性映射如何对应?M ( T − 1 ) = ( M ( T ) ) − 1 \mathcal{M}(T^{-1}) = (\mathcal{M}(T))^{-1} M ( T − 1 ) = ( M ( T ) ) − 1 吗 (3.86)?
换基时矩阵如何变化(基变换公式 A = C − 1 B C A = C^{-1}BC A = C − 1 B C ,3.84)?能否选基使矩阵最简(习题 3.C.5 已预告)?
当 dim V = dim W \dim V = \dim W dim V = dim W 时,单射 ⟺ \iff ⟺ 满射 ⟺ \iff ⟺ 可逆 (3.65)——矩阵语言下这意味着什么?
秩的进一步刻画 :本节证明了列秩 = 行秩(定理 3.57 ),但”dim range T = \dim\text{range } T = dim range T = 列秩”(定理 3.78 )要到 lecture 8 才证。届时我们会看到基变换不改变秩,以及可逆矩阵 ⟺ \iff ⟺ 秩等于阶数 (习题 3.D.22)。
9. Exercises (Homework Assignment 7: LADR 3.C: 3, 4, 5, 12, 14, 15)
题号 考查内容 3.C.3 验证 M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) \mathcal{M}(S+T)=\mathcal{M}(S)+\mathcal{M}(T) M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) 与 M ( λ T ) = λ M ( T ) \mathcal{M}(\lambda T)=\lambda\mathcal{M}(T) M ( λ T ) = λ M ( T ) 3.C.4 为微分映射 D : P 3 ( R ) → P 2 ( R ) D: \mathcal{P}_3(\mathbb{R}) \to \mathcal{P}_2(\mathbb{R}) D : P 3 ( R ) → P 2 ( R ) 选基使其矩阵为”对角 1”形 3.C.5 证明可选基使 M ( T ) \mathcal{M}(T) M ( T ) 除前 dim range T \dim \text{range } T dim range T 个对角元为 1 外全为 0 3.C.12 证明矩阵乘法结合律(体会 Artin 的”扔掉矩阵”箴言) 3.C.14 证明转置 A ↦ A t A \mapsto A^t A ↦ A t 是从 F m , n \mathbf{F}^{m,n} F m , n 到 F n , m \mathbf{F}^{n,m} F n , m 的线性映射 3.C.15 证明 ( A C ) t = C t A t (AC)^t = C^t A^t ( A C ) t = C t A t (转置的反序律)
3.C.3
Suppose v 1 , … , v n v_1, \dots, v_n v 1 , … , v n is a basis of V V V and w 1 , … , w m w_1, \dots, w_m w 1 , … , w m is a basis of W W W .
(a) Show that if S , T ∈ L ( V , W ) S, T \in \mathcal{L}(V, W) S , T ∈ L ( V , W ) , then M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) \mathcal{M}(S+T) = \mathcal{M}(S) + \mathcal{M}(T) M ( S + T ) = M ( S ) + M ( T ) .
(b) Show that if λ ∈ F \lambda \in \mathbf{F} λ ∈ F and T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) , then M ( λ T ) = λ M ( T ) \mathcal{M}(\lambda T) = \lambda \mathcal{M}(T) M ( λ T ) = λ M ( T ) .
This exercise asks you to verify 3.35 and 3.38.
solution:
3.C.4
Suppose that D ∈ L ( P 3 ( R ) , P 2 ( R ) ) D \in \mathcal{L}(\mathcal{P}_3(\mathbb{R}), \mathcal{P}_2(\mathbb{R})) D ∈ L ( P 3 ( R ) , P 2 ( R )) is the differentiation map defined by D p = p ′ Dp = p' D p = p ′ . Find a basis of P 3 ( R ) \mathcal{P}_3(\mathbb{R}) P 3 ( R ) and a basis of P 2 ( R ) \mathcal{P}_2(\mathbb{R}) P 2 ( R ) such that the matrix of D D D with respect to these bases is
( 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 ) . \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{pmatrix}. 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 .
Compare with Example 3.33. The next exercise generalizes this exercise.
solution:
3.C.5
Suppose V V V and W W W are finite-dimensional and T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V, W) T ∈ L ( V , W ) . Prove that there exist a basis of V V V and a basis of W W W such that with respect to these bases, all entries of M ( T ) \mathcal{M}(T) M ( T ) are 0 except that the entries in row k k k , column k k k , equal 1 if 1 ≤ k ≤ dim range T 1 \le k \le \dim \text{range } T 1 ≤ k ≤ dim range T .
solution:
3.C.12
Prove that matrix multiplication is associative. In other words, suppose A A A , B B B , and C C C are matrices whose sizes are such that ( A B ) C (AB)C ( A B ) C makes sense. Explain why A ( B C ) A(BC) A ( B C ) makes sense and prove that
( A B ) C = A ( B C ) . (AB)C = A(BC). ( A B ) C = A ( B C ) .
Try to find a clean proof that illustrates the following quote from Emil Artin: “It is my experience that proofs involving matrices can be shortened by 50% if one throws the matrices out.”
solution:
3.C.14
Suppose m m m and n n n are positive integers. Prove that the function A ↦ A t A \mapsto A^t A ↦ A t is a linear map from F m , n \mathbf{F}^{m,n} F m , n to F n , m \mathbf{F}^{n,m} F n , m .
solution:
3.C.15
Prove that if A A A is an m m m -by-n n n matrix and C C C is an n n n -by-p p p matrix, then
( A C ) t = C t A t . (AC)^t = C^t A^t. ( A C ) t = C t A t .
This exercise shows that the transpose of the product of two matrices is the product of the transposes in the opposite order.
solution: