一点点矩阵知识1:由一个矩阵理论题目展开的关于矩阵的核(kernel)与像(Image)的讲解。

本文首先解释了多项式空间及线性变换等概念,并通过构造矩阵A来展示如何求解核与像。随后介绍了相似矩阵及其过渡矩阵的概念。

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题目如下

先解释的题目中将要用到的符号和概念:

:多项式空间,下角标的3指的是维数为3

Span():括号里面是向量,意思就是由括号内的向量张开形成的空间。

 

 Ker(A):矩阵A的核即为齐次线性方程组的解空间

Im(A):矩阵A的像即为由列向量组长成的子空间

数学定义如下:

 知道了上述知识后就可以做这道题目了。

先取标准基这样就可以用向量表示这个多项式了,

题目中取的标准基为1,t,,所以f(t)的向量表示为(a,b,c)

(f(t))的向量表示为(a-b,b-c , c-a)所以描述线性变换的转换矩阵A就出来了

然后根据定义就可以求A的核和像,下面用语言描述一下:

因为A的秩为2,所以Ax=0有非零解,非零解的基解展开的空间就是A的核。

因为秩为2,所以线性无关的列向量为2,所以任意选择两个线性无关的列向量,其展开的空间就是矩阵A的像。

第2小问的答案如下

第2小问就用了一个定理:

在同一个线性变化下,在不同基下的矩阵表示是相似的,且相似变换矩阵就是这两个基的过渡矩阵。

好的,下面是一个简单的MATLAB代码示例,用于对PNG图像文件进行基于矩阵变换的简单加密和解密。 ### 加密部分: ```matlab function encryptedImage = encrypt_image(imagePath, keyMatrix) % 读取原始图像并转换为双精度型 originalImage = imread(imagePath); [rows, cols, channels] = size(originalImage); % 如果图像是灰度图,则channels会等于1;如果是RGB图像则等于3. if channels == 3 % 对于彩色图像(RGB),我们需要分别处理每个通道。 encryptedImage = zeros(size(originalImage), 'like', originalImage); for i = 1:channels channelData = double(originalImage(:,:,i)); % 应用密钥矩阵做点乘运算(假设keyMatrix是方阵) paddedChannelData = padarray(channelData, [(size(keyMatrix)-1)/2], 'replicate'); transformedChannel = conv2(paddedChannelData, keyMatrix, 'valid'); % 将结果映射回0到255之间,并保存至对应的色彩层中 encryptedImage(:,:,i) = uint8(mod(transformedChannel + 256, 256)); end % 显示及保存加扰后的图像 imshow(encryptedImage); imwrite(encryptedImage, 'encrypted.png'); elseif channels == 1 % 灰度图直接操作即可 grayImageData = double(originalImage); paddedGrayImageData = padarray(grayImageData, [(size(keyMatrix)-1)/2], 'replicate'); transformedGray = conv2(paddedGrayImageData, keyMatrix, 'valid'); encryptedImage = uint8(mod(transformedGray + 256, 256)); imshow(encryptedImage, []); imwrite(encryptedImage, 'encrypted_gray.png'); else error('Unsupported image format.'); end end ``` ### 解密部分: 为了保证正确的解码,在这里我们使用了相同的`keyMatrix`作为加密过程中的逆向矩阵。需要注意的是,实际应用时应确保所选矩阵具有良好的条件数,以便能够稳定地求得其逆矩阵。 ```matlab function decryptedImage = decrypt_image(encryptedImagePath, inverseKeyMatrix) encryptedImage = imread(encryptedImagePath); % 类似上述流程,只是将convolution kernel从原来的keyMatrix变为它的逆矩阵inverseKeyMatrix ... % 此处省略上面相似的操作步骤 imshow(decryptedImage); imwrite(decryptedImage,'decrypted.png'); end ``` 请注意以上只是一个非常基础的例子,真实的加密算法通常更为复杂并且涉及到更安全的技术如AES等标准加密协议。此外,当选择`keyMatrix`时要考虑它是否易于计算出准确可靠的反矩阵,以及考虑到浮点误差的影响等因素。
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