线性代数常用基本知识 (含向量和矩阵范数<Matrix or vector norm>)

本文介绍了线性代数的基本概念,包括行列式的定义及其性质、矩阵的运算、范数的概念及应用,还讨论了如何使用克拉默法则求解线性方程组。

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1. 行列式

1.1 二阶行列式



1.2 三阶行列式


1.3 排列的逆序数



1.4 n阶行列式





2. 行列式的性质


性质1  行列式与它的转置行列式相等。
性质2  互换行列式的两行(列),行列式变号。
性质3  行列式的某一行(列)中所有的元素都乘以同一个倍数K,等于用数K乘以此行列式。
性质4  行列式中如果有两行(列)元素成比例,则此行列式为零。


行列式中行与列具有同等的地位, 凡是对行成立的性质对列也同样成立.

计算行列式常用方法:(1)利用定义;(2)利用性质把行列式化为上三角形行列式,从而算得行列式的值.

3. 求解方程组

3.1 克拉默法则


定理4   如果线性方程组的系数行列式不等于零,则该线性方程组一定有解,而且解是唯一的 .

定理4′ 如果线性方程组无解或有两个不同的解,则它的系数行列式必为零.

4. 矩阵


4.1 特殊矩阵



4.2 矩阵与线性变换


4.3 矩阵的运算

4.3.1 矩阵的加法




4.3.2 数与矩阵相乘




4.3.3 矩阵与矩阵相乘

  



4.3.4 矩阵的转置




4.3.5 方阵的行列式





5. 范数 

     范数,是具有“长度”概念的函数。

5.1 向量范数        

其中2-范数就是通常意义下的距离。






5.2 矩阵范数

        

        




     矩阵范数反映了线性映射把一个向量映射为另一个向量,向量的“长度”缩放的比例。

     范数理论是矩阵分析的基础,度量向量之间的距离、求极限等都会用到范数,范数还在机器学习、模式识别领域有着广泛的应用。

     理论上讲范数的概念属于赋范线性空间,最重要的作用是诱导出距离,进而还可以研究收敛性.

     一个集合(向量),通过一种映射关系(矩阵),得到另外一个集合(另外一个向量),则:

     1) 向量的范数:就是表示这个原有集合的大小。
     2) 矩阵的范数:就是表示这个变化过程的大小的一个度量。

     计算机领域:用的比较多的就是迭代过程中收敛性质的判断,一般迭代前后步骤的差值的范数表示其大小,常用的是二范数,差值越小表示越逼近实际值,可以认为达到要求的精度,收敛。

6. 向量的内积


 










































### 向量范数矩阵范数作为评估标准的优缺点 #### 向量范数的优点 向量范数能够简洁有效地衡量单个向量的长度或大小,这使得它在处理低维度数据时非常直观易于理解。对于线性代数中的许多基本运算来说,向量范数提供了重要的几何解释支持[^2]。 #### 向量范数的缺点 然而,在面对高维复杂结构的数据集时,仅依靠向量范数可能无法全面反映整个系统的特性。此外,当涉及到多个变量之间的相互作用时,单独考虑各个分量并不能很好地捕捉这些关系的影响。 #### 矩阵范数的优点 相比之下,矩阵范数不仅考量了构成矩阵的所有元素的整体效应,还特别关注于不同列间以及行间的交互情况。这种全局视角有助于更精确地描述变换过程中的伸缩平移行为;特别是某些类型的矩阵范数(如诱导范数),可以直接关联到特定应用场景下的稳定性分析等问题上[^1]。 #### 矩阵范数的缺点 尽管如此,计算复杂的大型稀疏矩阵范数值可能会遇到效率瓶颈,并且并非所有的实际问题都能找到合适的矩阵范数来表达其内在规律。另外,由于矩阵本身具有更高的抽象层次,因此理解解释由矩阵范数得出的结果往往更加困难一些。 ```python import numpy as np # 计算向量的L2范数 vector = np.array([3, 4]) l2_norm_vector = np.linalg.norm(vector) print(f"L2 norm of vector {vector} is {l2_norm_vector}") # 计算矩阵的最大奇异值即为2-范数 matrix = np.random.rand(3, 3) singular_values = np.linalg.svd(matrix)[1] max_singular_value = singular_values.max() print(f"The largest singular value (which represents the matrix's 2-norm) of \n{matrix}\nis approximately {max_singular_value}") ```
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