言归正传,如果一组向量是彼此线性无关的话,那么它们就可以成为度量这个线性空间的一组基,从而事实上成为一个坐标系体系,其中每一个向量都躺在一根坐标轴上,并且成为那根坐标轴上的基本度量单位(长度1) 。现在到了关键的一步 。看上去矩阵就是由一组向量组成的,而且如果矩阵非奇异的话(我说了,只考虑这种情况),那么组成这个矩阵的那一组向量也就是线性无关的了,也就可以成为度量线性空间的一个坐标系 。结论:矩阵描述了一个坐标系 。“慢着!”,你嚷嚷起来了,“你这个骗子!你不是说过,矩阵就是运动吗?怎么这会矩阵又是坐标系了?”嗯,所以我说到了关键的一步 。我并没有骗人,之所以矩阵又是运动,又是坐标系,那是因为——“运动等价于坐标系变换” 。对不起,这话其实不准确,我只是想让你印象深刻 。准确的说法是:“对象的变换等价于坐标系的变换” 。或者:“固定坐标系下一个对象的变换等价于固定对象所处的坐标系变换 。”说白了就是:“运动是相对的 。”
让我们想想,达成同一个变换的结果,比如把点(1,1)变到点(2,3)去,你可以有两种做法 。第一,坐标系不动,点动,把(1,1)点挪到(2,3)去 。第二,点不动,变坐标系,让x轴的度量(单位向量)变成原来的1/2,让y轴的度量(单位向量)变成原先的1/3,这样点还是那个点,可是点的坐标就变成(2,3)了 。方式不同,结果一样 。从第一个方式来看,那就是把矩阵看成是运动描述,矩阵与向量相乘就是使向量(点)运动的过程 。在这个方式下,Ma=b的意思是:“向量a经过矩阵M所描述的变换,变成了向量b 。”而从第二个方式来看,矩阵M描述了一个坐标系,姑且也称之为M 。那么:Ma=b的意思是:“有一个向量,它在坐标系M的度量下得到的度量结果向量为a,那么它在坐标系I的度量下,这个向量的度量结果是b 。”这里的I是指单位矩阵,就是主对角线是1,其他为零的矩阵 。而这两个方式本质上是等价的 。我希望你务必理解这一点,因为这是本篇的关键 。正因为是关键,所以我得再解释一下 。在M为坐标系的意义下,如果把M放在一个向量a的前面,形成Ma的样式,我们可以认为这是对向量a的一个环境声明 。它相当于是说:“注意了!这里有一个向量,它在坐标系M中度量,得到的度量结果可以表达为a 。可是它在别的坐标系里度量的话,就会得到不同的结果 。为了明确,我把M放在前面,让你明白,这是该向量在坐标系M中度量的结果 。”
那么我们再看孤零零的向量b:b多看几遍,你没看出来吗?它其实不是b,它是:Ib也就是说:“在单位坐标系,也就是我们通常说的直角坐标系I中,有一个向量,度量的结果是b 。”而Ma=Ib的意思就是说:“在M坐标系里量出来的向量a,跟在I坐标系里量出来的向量b,其实根本就是一个向量啊!”这哪里是什么乘法计算,根本就是身份识别嘛 。从这个意义上我们重新理解一下向量 。向量这个东西客观存在,但是要把它表示出来,就要把它放在一个坐标系中去度量它,然后把度量的结果(向量在各个坐标轴上的投影值)按一定顺序列在一起,就成了我们平时所见的向量表示形式 。你选择的坐标系(基)不同,得出来的向量的表示就不同 。向量还是那个向量,选择的坐标系不同,其表示方式就不同 。因此,按道理来说,每写出一个向量的表示,都应该声明一下这个表示是在哪个坐标系中度量出来的 。表示的方式,就是Ma,也就是说,有一个向量,在M矩阵表示的坐标系中度量出来的结果为a 。
我们平时说一个向量是[2 3 5 7]T,隐含着是说,这个向量在 I 坐标系中的度量结果是[2 3 5 7]T,因此,这个形式反而是一种简化了的特殊情况 。注意到,M矩阵表示出来的那个坐标系,由一组基组成,而那组基也是由向量组成的,同样存在这组向量是在哪个坐标系下度量而成的问题 。也就是说,表述一个矩阵的一般方法,也应该要指明其所处的基准坐标系 。所谓M,其实是IM,也就是说,M中那组基的度量是在I坐标系中得出的 。从这个视角来看,M×N也不是什么矩阵乘法了,而是声明了一个在M坐标系中量出的另一个坐标系N,其中M本身是在I坐标系中度量出来的 。
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