《新理解矩阵3》:行列式的点滴

线代:认识行列式、矩阵和向量 一般会由方程组来引出行列式比如一个二阶行列式二阶行列式的计算就是主对角线的乘积减去副对角线的乘积;再看看三阶行列式举个例子帮助理解行列式越往高阶越复杂。二阶和三阶的尚且可以通过上面的方式来暴力求解,但是阶数高了就比较麻烦了。所以就需要研究行列式的各种性质。那到底什么是行列式呢?上面的计算方式又是怎么定义的呢?首先,我们回顾下全排列的概念其实就是一组数有多少种排列组合,其结果就是n的阶乘。再来看下逆序以及逆序数的概念逆序是一种状态,而逆序数是指这种状态的数量,要注意区分。 阅读详情

原文链接:http://spaces.ac.cn/index.php/archives/1770/


        亲爱的读者朋友们,科学空间版的理解矩阵已经来到了BoJone认为是最激动人心的部分了,那就是关于行列式的叙述。这部分内容没有在孟岩的文章中被谈及到,是我自己结合了一些书籍和网络资源而得出的一些看法。其中最主要的书籍是《数学桥》,而追本溯源,促进我研究这方面的内容的是matrix67的那篇《教材应该怎么写》。本文包含了相当多的直观理解内容,在我看来,这部分内容也许不是正统的观点,但是至少在某种程度上能够促进我们对线性代数的理解。

        大多数线性代数引入行列式的方式都是通过讲解线性方程组的,这种方式能够让学生很快地掌握它的计算,以及给出了一个最实际的应用(就是解方程组啦)。但是这很容易让读者走进一个误区,让他们认为线性代数就是研究解方程组的。这样并不能让读者真正理解到它的本质,而只有当我们对它有了一个直观熟练的感觉,我们才能很好地运用它。

        行列式的出现其实是为了判断一个矩阵是否可逆的,它通过某些方式构造出一个“相对简单”的函数来达到这个目的,这个函数就是矩阵的行列式。让我们来反思一下,矩阵可逆意味着什么呢?之前已经提到过,矩阵是从一个点到另外一个点的变换,那么逆矩阵很显然就是为了把它变换回来。我们还说过,“运动是相对的”,点的变换又可以用坐标系的变换来实现。但是,按照我们的直觉,不同的坐标系除了有那些运算上的复杂度不同(比如一般的仿射坐标系计算点积比直角坐标系复杂)之外,不应该有其他的不同了,用物理的语言说,就是一切坐标系都是平权的。那么给出一个坐标系,可以自然地变换到另外一个坐标系,也可以自然地将它变换回来。既然矩阵是这种坐标系的一个描述,那么矩阵不可逆的唯一可能性就是:
这个n阶矩阵的n个列向量根本就构不成一个n维空间的坐标系。

也就是说,它没有资格成为一个坐标系!
(用专业术语说,这n个向量是线性相关的。)

        那么我们就想办法为某个n阶矩阵 A 构造一个函数 |A| ,当 |A| 为0时,就意味着这个矩阵没有资格成为一个坐标系,也就是说它不可逆。

先设 A=[c1→,c2→,...,cn→] ,其中 vi→ 是各个列向量。我们想想,哪些情况下矩阵A显然没有资格成为一个坐标系?

1、显然,能否构成一个坐标系,与每一个向量 vi→ 都息息相关,那么 |A| 应该是每一个向量 vi→ 的函数才能满足要求。

2、简单起见,我们函数最好是线性的,也就是说 A=[c1→,...,vi→,...,cn→] , A′=[c1→,...,αvi→,...,cn→] ,那么 |A′|=α|A|

3、构成n维坐标系需要n个独立的向量,如果矩阵A的n个向量中有两个相同的,那么它自然无法构成坐标系,也就是说此时 |A|=0 ;

4、为了确定适当的缩放因子,也为了满足我们的直观感受,我们规定 |I|=1 。

        让人意外的是,就凭以上三个性质,就可以确定唯一一个函数 |A| 了,那个函数就是我们课本给出的行列式计算公式!当然,推导过程有点复杂,在这里不给出了,有兴趣的朋友可以用二阶和三阶矩阵演算一下,然后类比就行了。

        让我们再回想一下课本是怎么介绍行列式的:首先是线性方程组给出行列式的计算公式,然后再证明行列式有各种各样的性质,比如“把其中一行乘上5,行列式的值也乘上5”等等。这与上面的说法(这其实也是标准的线性代数讲述方式)相比,未免有点本末倒置的味道。因为行列式本身就是由那些性质来定义的,我们又何必要用行列式的计算公式来反推那些什么性质呢?除了锻炼计算能力,我真的看不出有什么作用。

上面的内容还有一个非常直观的几何理解方式:

        三维空间中三个向量能够构成一个仿射坐标系的充要条件是什么?很简单,这三个向量必须不共面!因此,推广到n维空间,很显然有:
n个向量可以构成一个坐标系就意味着这些向量不共面!

        当然,n维空间中的面不是指二维平面,而是n-1维的东西,它与n维体积相对。

        还可以换一种说法
n个向量可以构成一个坐标系就意味着这些向量构成的一个n维平行立体(联想我们的平行六面体)体积不为0!

        注意注意,这里涉及到了体积,为0与否关系到矩阵可逆性,这与行列式同出一辙。这个n维体积是否和行列式有关呢?我们不妨分析一下矩阵A所构成的n维立体的体积V一些性质:

1、很明显,每一个向量 vi→ 也是每一条边长,那么V应该是每一个向量 vi→ 的函数;

2、当某个向量变为原来的 α 倍,那么体积也应该变成原来的 |α| 倍,加负号是因为向量是可以反向延伸的,但体积一定是正数;

3、有两个向量相同时,意味着这些向量“共面”,这时体积自然为0;

4、单位的n维立方体体积自然是1.

        出人意料,这些性质几乎与行列式一一对应,除了第2点那个 α 要加绝对值之外。那么,这些性质最终迫使这个n维立体的体积为 V=ABS(|A|) ,为了不引起混乱,我用了ABS表示绝对值。

        这真的是一个非常棒的事实,行列式有如此明显的几何意义,它可以用来求体积(二阶矩阵的时候就是平行四边形的面积)!这就不难解释我们一开始在解析几何课程上学到的平行六面体体积公式为什么是这样子的了。它完全就可以撇开什么点乘、叉乘而独立得到!还有很多例子,读者在学习到相关的知识时必然会感受到。但另一方面,这也反映了我们教材的糟糕:要是用我们讲述行列式的方式,我们要花多大功夫才能证明行列式就是体积?

浅陋观点,望各位不吝指出错误。


浅述雅可比矩阵(jacobi matrix)与雅克比行列式(Jacobian )(写给自己和菜鸟看的) 0.菜鸟预知识 0.1矩阵 定义: 由 m × n 个数aij排成的m行n列的数表称为m行n列的矩阵,简称m × n矩阵。记作: 基本运算: 加法: 减法: 数乘: 转置: 共轭: 共轭转置: 0.2矩阵乘法 两个矩阵的乘法仅当第一个矩阵A的列数和另一个矩阵B的行数相等时才能定义: 如A是m×n矩阵和B是n×p矩阵,它们的乘积C是一个m×p矩阵 ,它的一个元素:例: 0.3行列式 一个n×n的正方矩阵A的行列式记为det(A)或者|A| ,一个2×2矩阵的行列式可 阅读详情

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B. Palm", title = "Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data", year = "2012",}```Contact: rasmusbergpalm at gmail dot comDirectories included in the toolbox-----------------------------------`NN/` - A library for Feedforward Backpropagation Neural Networks`CNN/` - A library for Convolutional Neural Networks`DBN/` - A library for Deep Belief Networks`SAE/` - A library for Stacked Auto-Encoders`CAE/` - A library for Convolutional Auto-Encoders`util/` - Utility functions used by the libraries`data/` - Data used by the examples`tests/` - unit tests to verify toolbox is workingFor references on each library check REFS.mdSetup-----1. Download.2. addpath(genpath(&#39;DeepLearnToolbox&#39;));Example: Deep Belief Network---------------------```matlabfunction test_example_DBNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit RBM and visualize its weightsrand(&#39;state&#39;,0)dbn.sizes = [100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);figure; visualize(dbn.rbm{1}.W&#39;); % Visualize the RBM weights%% ex2 train a 100-100 hidden unit DBN and use its weights to initialize a NNrand(&#39;state&#39;,0)%train dbndbn.sizes = [100 100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);%unfold dbn to nnnn = dbnunfoldtonn(dbn, 10);nn.activation_function = &#39;sigm&#39;;%train nnopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.10, &#39;Too big error&#39;);```Example: Stacked Auto-Encoders---------------------```matlabfunction test_example_SAEload mnist_uint8;train_x = double(train_x)/255;test_x = double(test_x)/255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit SDAE and use it to initialize a FFNN% Setup and train a stacked denoising autoencoder (SDAE)rand(&#39;state&#39;,0)sae = saesetup([784 100]);sae.ae{1}.activation_function = &#39;sigm&#39;;sae.ae{1}.learningRate = 1;sae.ae{1}.inputZeroMaskedFraction = 0.5;opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;sae = saetrain(sae, train_x, opts);visualize(sae.ae{1}.W{1}(:,2:end)&#39;)% Use the SDAE to initialize a FFNNnn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = &#39;sigm&#39;;nn.learningRate = 1;nn.W{1} = sae.ae{1}.W{1};% Train the FFNNopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.16, &#39;Too big error&#39;);```Example: Convolutional Neural Nets---------------------```matlabfunction test_example_CNNload mnist_uint8;train_x = double(reshape(train_x&#39;,28,28,60000))/255;test_x = double(reshape(test_x&#39;,28,28,10000))/255;train_y = double(train_y&#39;);test_y = double(test_y&#39;);%% ex1 Train a 6c-2s-12c-2s Convolutional neural network %will run 1 epoch in about 200 second and get around 11% error. %With 100 epochs you&#39;ll get around 1.2% errorrand(&#39;state&#39;,0)cnn.layers = { struct(&#39;type&#39;, &#39;i&#39;) %input layer struct(&#39;type&#39;, &#39;c&#39;, &#39;outputmaps&#39;, 6, &#39;kernelsize&#39;, 5) %convolution layer struct(&#39;type&#39;, &#39;s&#39;, &#39;scale&#39;, 2) %sub sampling layer struct(&#39;type&#39;, &#39;c&#39;, &#39;outputmaps&#39;, 12, &#39;kernelsize&#39;, 5) %convolution layer struct(&#39;type&#39;, &#39;s&#39;, &#39;scale&#39;, 2) %subsampling layer};cnn = cnnsetup(cnn, train_x, train_y);opts.alpha = 1;opts.batchsize = 50;opts.numepochs = 1;cnn = cnntrain(cnn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = cnntest(cnn, test_x, test_y);%plot mean squared errorfigure; plot(cnn.rL);assert(er<0.12, &#39;Too big error&#39;);```Example: Neural Networks---------------------```matlabfunction test_example_NNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);% normalize[train_x, mu, sigma] = zscore(train_x);test_x = normalize(test_x, mu, sigma);%% ex1 vanilla neural netrand(&#39;state&#39;,0)nn = nnsetup([784 100 10]);opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samples[nn, L] = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.08, &#39;Too big error&#39;);%% ex2 neural net with L2 weight decayrand(&#39;state&#39;,0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.weightPenaltyL2 = 1e-4; % L2 weight decayopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, &#39;Too big error&#39;);%% ex3 neural net with dropoutrand(&#39;state&#39;,0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.dropoutFraction = 0.5; % Dropout fraction opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, &#39;Too big error&#39;);%% ex4 neural net with sigmoid activation functionrand(&#39;state&#39;,0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = &#39;sigm&#39;; % Sigmoid activation functionnn.learningRate = 1; % Sigm require a lower learning rateopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, &#39;Too big error&#39;);%% ex5 plotting functionalityrand(&#39;state&#39;,0)nn = nnsetup([784 20 10]);opts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through datann.output = &#39;softmax&#39;; % use softmax outputopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, &#39;Too big error&#39;);%% ex6 neural net with sigmoid activation and plotting of validation and training error% split training data into training and validation datavx = train_x(1:10000,:);tx = train_x(10001:end,:);vy = train_y(1:10000,:);ty = train_y(10001:end,:);rand(&#39;state&#39;,0)nn = nnsetup([784 20 10]); nn.output = &#39;softmax&#39;; % use softmax outputopts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, tx, ty, opts, vx, vy); % nntrain takes validation set as last two arguments (optionally)[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, &#39;Too big error&#39;);```[![Bitdeli Badge](https://d2weczhvl823v0.cloudfront.net/rasmusbergpalm/deeplearntoolbox/trend.png)](https://bitdeli.com/free "Bitdeli Badge")

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【线性代数(8)】矩阵行列式、伴随矩阵、逆矩阵

逆矩阵1 矩阵行列式2 伴随矩阵3 逆矩阵3.1 逆矩阵概念3.2 逆矩阵的性质 1 矩阵行列式 方阵的行列式:将矩阵中的元素拿出来,用行列式的形式表示 A=[2,2,23,3,31,1,1]    ∣A∣=∣2,2,23,3,31,1,1∣A = \left[ \begin{matrix} 2,2,2\\3,3,3\\1,1,1 \end{matrix} \right]\space \space \space \space |A|=\begin{vmatri

lys_828的博客 1万+

基于MATLAB的矩阵性质:行列式,秩,迹,范数,特征多项式与矩阵多项式

前言 本节主要讨论矩阵的基本概念和性质,结合MATLAB的基础代码,适合新手。 一. 行列式 矩阵的行列式的数学定义如下: MATLAB调用的格式如下: d=det(A) 例题1 求以下矩阵的行列式: 解: MATLAB代码如下: clc;clear; A=[16 2 3 13;5 11 10 8;9 7 6 12;4 14 15 1]; det(A) 运行结果: ans = 5.1337e-13 例题2 利用解析解的方法计算20✖️20的Hilbert矩...

forest_LL的博客 1万+

理解不变因子、行列式因子、初等因子

1、先导 理解行列式因子之前,我们先要了解它定义中的k阶子式是怎么求出来的。而行列式因子的引入是为了证明smith标准型的唯一性。 k阶子式 在行列式中任取k行k列的,这些行列相交的公共元素,重新组合的新的行列式。以例子来说明加深理解。 主子式 顺序主子式 ...

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deepdsp
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