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第 0 讲

零基础课——线性代数入门

考题:—
重难点:建立向量、矩阵、变换的直观图景
⚡ 核心公式速览

本讲为零基础直观课,无核心公式;重点是下面这张"全景图":

$$\text{向量(对象)} \;\xrightarrow{\text{拼成}}\; \text{矩阵(工具)} \;\xrightarrow{\text{作用}}\; \text{线性变换} \;\xrightarrow{\text{检查}}\; \text{秩与行列式}$$

一、全书地图:六讲三大版块

线性代数分册共 6 讲,分三大版块递进:

一句话理解线性代数:它是一种代数结构,向量空间是这个结构的基石,我们在向量空间中研究向量与向量的关系。

二、对象(元素):向量

定义:拼在一起的有序数组,如 \([-1, 1]\)。维数:向量中数的个数,\([-1,1]\) 是 2 维向量。

数据可以表达信息:假设某人对运动和音乐的兴趣程度分为不喜欢、无所谓和喜欢(用 −1、0、1 表示),则其兴趣画像可用向量表达:

$$[\text{运动兴趣程度},\ \text{音乐兴趣程度}]$$

如 \([-1,1]\) 代表"不喜欢运动、喜欢音乐"。

三、工具:矩阵

矩阵表达系统信息:如两个系别男女对比的数表

$$\begin{bmatrix} 2 & 95 \\ 98 & 5 \end{bmatrix}_{2 \times 2}$$

第 1 列表达英语系的男、女生人数,第 1 行表达男、女生人数——这是考生对矩阵的初步认识:表达系统信息

四、Gram 矩阵:转置乘本身的数据挖掘

取 1000 个随机点模拟 \(\int_0^1 f(x)dx\):数 \(f(x)\) 下方的点数 ÷ 总点数 ≈ 面积——蒙特卡洛数值模拟。

数据要求服从某种规律、可能涉及矩阵与数据之间的关系时,就要找这个关系。Gram 矩阵是最简单的矩阵:已知 \(A = \begin{bmatrix} a \\ b \end{bmatrix} = \alpha\),作转置 \(A' = [a, b] = \alpha^T\),则

$$A^T A = [a, b]\begin{bmatrix} a \\ b \end{bmatrix} = a^T \cdot a = \|\alpha\|^2 = \|a\|^2\|a\|\cos\theta$$

数据分析中坐标轴只能表示 2、3 维向量,实际数据往往超过 2、3、4 维——通过转置相乘,把向量模长拉长,就可以直接找到向量之间相似度的一个矩阵,从而很好地分析出来。

五、两种重要观点(后续学习的伏笔)

本讲收获

带着"向量(对象)—矩阵(工具)—线性变换(作用)—秩(关系)"的画面感进入第 1 讲,后面的抽象定义就都有了直观锚点。正交矩阵 = 旋转、三角矩阵 = 切变形、A±B = 数据平移。

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