矩阵的基变换及对应基变换下向量的坐标变换

本文探讨了在不同基下的向量变换原理,通过矩阵运算实现了向量从一个坐标系到另一个坐标系的转换,揭示了基变换与坐标变换之间的内在联系。

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假设在世界坐标系中有两组基分别是E1E_1E1E2E_2E2,两组基上分别有一个向量XXXYYY。那么:

XXX向量进行一次AAA变换得到向量ZZZ,再对YYY向量进行一次BBB变换得到同样得到向量ZZZ
根据以上描述便得到:

X⋅A=Z=Y⋅BX\cdot A=Z= Y\cdot BXA=Z=YB

将变换单独提出来表示:

X⟶AZ⟵BYX\stackrel{A}{\longrightarrow} Z \stackrel{B}{\longleftarrow} YXAZBY

如果要让向量XXX变换为向量YYY,那么从上面的过程可以看出来只需要进行如下操作:

X⟶AZ⟶B−1YX\stackrel{A}{\longrightarrow}Z \stackrel{B^{-1}}{\longrightarrow} YXAZB1Y

对应的矩阵操作就是:

X⋅A⋅B−1=YX\cdot A\cdot B^{-1} = YXAB1=Y

A⋅B−1=CA\cdot B^{-1} = CAB1=C, 则X⋅C=YX\cdot C = YXC=Y,表示如下:

X⟶CYX \stackrel{C}{\longrightarrow} YXCY

上面的意义就在于用一次变换CCC表示了两次变换A⋅B−1A \cdot B^{-1}AB1

综合以上表述得到如下两个式子:

{A=C⋅BX=Y⋅C−1\begin{cases}A=C\cdot B \\X=Y\cdot C^{-1} \end{cases}{A=CBX=YC1

上式中AAABBB之间的变换便是E1E_1E1E2E_2E2的基变换,而向量XXX与向量YYY之间的变换可以看出是在基变换下向量的坐标变换。

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