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基變換與相似矩陣

同一個幾何變換,依你用哪套座標系來描述它,看起來會是完全不同的矩陣。用 B^(-1)*A*B 做基變換,不過是把一位觀察者的描述翻譯成另一位的——而以這種方式相聯繫的矩陣,稱為相似矩陣,它們悄悄地共享著最重要的那些數。

一個映射,多種描述

一個變換是一樁幾何事實——無論誰來看,它移動空間的方式都一樣。但描述它的那個*矩陣*取決於你的 ,因為矩陣記錄的是基向量的去向。換到另一組基,同一個映射就有了不同的 座標 描述,因而也就是不同的矩陣。

用 B^(-1)*A*B 來翻譯

設 B 的各行是新的基向量。要把映射作用到一個以新座標給出的向量上,就把它夾在中間:B 把新座標送回標準座標,A 在那裡完成變換,B^(-1) 再把結果帶回來。這條 基變換 公式,就是在新座標系裡讀同一個映射。

  1. 從右往左讀:B^(-1) ( A ( B v ) )——翻譯進去,做變換,翻譯出來。
  2. 結果 A' = B^(-1)*A*B 是同一個變換的矩陣,只是在新的基下來看。
  3. 對角化恰好就是取 B = 特徵向量的這種情形:B^(-1)*A*B = D,可能存在的最簡單視角。

相似矩陣共享指紋

由 A' = B^(-1)*A*B 相聯繫的兩個矩陣,稱為相似矩陣。既然它們描述的是同一個底層映射,它們就必須在每一個屬於映射本身、而非屬於座標的量上保持一致。你該記住的三個:行列式 與特徵值。

A = [[2,1],[0,3]]   trace = 2+3 = 5,  det = 6,  eigenvalues 2,3
D = [[2,0],[0,3]]   trace = 2+3 = 5,  det = 6,  eigenvalues 2,3
same map, same fingerprints
A 與它的對角形相似,所以跡、行列式與特徵值全都吻合。