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理解矩陣

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更新時間：2013-03-29
發布人：比木玉

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線性代數課程，無論你從行列式入手還是直接從矩陣入手，從一開始就充斥著莫名其妙。比如說，在全國一般工科院系教學中應用最廣泛的同濟線性代數教材（現在到了第四版），一上來就介紹逆序數這個“前無古人，后無來者”的古怪概念，然后用逆序數給出行列式的一個極不直觀的定義，接著是一些簡直犯傻的行列式性質和習題——把這行乘一個系數加到另一行上，再把那一列減過來，折騰得那叫一個熱鬧，可就是壓根看不出這個東西有嘛用。大多數像我一樣資質平庸的學生到這里就有點犯暈：連這是個什么東西都模模糊糊的，就開始鉆火圈表演了，這未免太“無厘頭”了吧！于是開始有人逃課，更多的人開始抄作業。這下就中招了，因為其后的發展可以用一句峰回路轉來形容，緊跟著這個無厘頭的行列式的，是一個同樣無厘頭但是偉大的無以復加的家伙的出場——矩陣來了！多年之后，我才明白，當老師犯傻似地用中括號把一堆傻了吧嘰的數括起來，并且不緊不慢地說：“這個東西叫做矩陣”的時候，我的數學生涯掀開了何等悲壯辛酸、慘絕人寰的一幕！自那以后，在幾乎所有跟“學問”二字稍微沾點邊的東西里，矩陣這個家伙從不缺席。對于我這個沒能一次搞定線性代數的笨蛋來說，矩陣老大的不請自來每每搞得我灰頭土臉，頭破血流。長期以來，我在閱讀中一見矩陣，就如同阿Q見到了假洋鬼子，揉揉額角就繞道走。

事實上，我并不是特例。一般工科學生初學線性代數，通常都會感到困難。這種情形在國內外皆然。瑞典數學家Lars Garding在其名著Encounter with Mathematics中說：“如果不熟悉線性代數的概念，要去學習自然科學，現在看來就和文盲差不多。”，然而“按照現行的國際標準，線性代數是通過公理化來表述的，它是第二代數學模型，...，這就帶來了教學上的困難�！笔聦嵣�，當我們開始學習線性代數的時候，不知不覺就進入了“第二代數學模型”的范疇當中，這意味著數學的表述方式和抽象性有了一次全面的進化，對于從小一直在“第一代數學模型”，即以實用為導向的、具體的數學模型中學習的我們來說，在沒有并明確告知的情況下進行如此劇烈的paradigm shift，不感到困難才是奇怪的。

大部分工科學生，往往是在學習了一些后繼課程，如數值分析、數學規劃、矩陣論之后，才逐漸能夠理解和熟練運用線性代數。即便如此，不少人即使能夠很熟練地以線性代數為工具進行科研和應用工作，但對于很多這門課程的初學者提出的、看上去是很基礎的問題卻并不清楚。比如說：

* 矩陣究竟是什么東西？向量可以被認為是具有n個相互獨立的性質（維度）的對象的表示，矩陣又是什么呢？我們如果認為矩陣是一組列（行）向量組成的新的復合向量的展開式，那么為什么這種展開式具有如此廣泛的應用？特別是，為什么偏偏二維的展開式如此有用？如果矩陣中每一個元素又是一個向量，那么我們再展開一次，變成三維的立方陣，是不是更有用？

* 矩陣的乘法規則究竟為什么這樣規定？為什么這樣一種怪異的乘法規則卻能夠在實踐中發揮如此巨大的功效？很多看上去似乎是完全不相關的問題，最后竟然都歸結到矩陣的乘法，這難道不是很奇妙的事情？難道在矩陣乘法那看上去莫名其妙的規則下面，包含著世界的某些本質規律？如果是的話，這些本質規律是什么？

* 行列式究竟是一個什么東西？為什么會有如此怪異的計算規則？行列式與其對應方陣本質上是什么關系？為什么只有方陣才有對應的行列式，而一般矩陣就沒有（不要覺得這個問題很蠢，如果必要，針對m x n矩陣定義行列式不是做不到的，之所以不做，是因為沒有這個必要，但是為什么沒有這個必要）？而且，行列式的計算規則，看上去跟矩陣的任何計算規則都沒有直觀的聯系，為什么又在很多方面決定了矩陣的性質？難道這一切僅是巧合？

* 矩陣為什么可以分塊計算？分塊計算這件事情看上去是那么隨意，為什么竟是可行的？

* 對于矩陣轉置運算AT，有(AB)T = BTAT，對于矩陣求逆運算A-1，有(AB)-1 = B-1A-1。兩個看上去完全沒有什么關系的運算，為什么有著類似的性質？這僅僅是巧合嗎？

* 為什么說P-1AP得到的矩陣與A矩陣“相似”？這里的“相似”是什么意思？

* 特征值和特征向量的本質是什么？它們定義就讓人很驚訝，因為Ax =λx，一個諾大的矩陣的效應，竟然不過相當于一個小小的數λ，確實有點奇妙。但何至于用“特征”甚至“本征”來界定？它們刻劃的究竟是什么？

這樣的一類問題，經常讓使用線性代數已經很多年的人都感到為難。就好像大人面對小孩子的刨根問底，最后總會迫不得已地說“就這樣吧，到此為止”一樣，面對這樣的問題，很多老手們最后也只能用：“就是這么規定的，你接受并且記住就好”來搪塞。然而，這樣的問題如果不能獲得回答，線性代數對于我們來說就是一個粗暴的、不講道理的、莫名其妙的規則集合，我們會感到，自己并不是在學習一門學問，而是被不由分說地“拋到”一個強制的世界中，只是在考試的皮鞭揮舞之下被迫趕路，全然無法領略其中的美妙、和諧與統一。直到多年以后，我們已經發覺這門學問如此的有用，卻仍然會非常迷惑：怎么這么湊巧？

我認為，這是我們的線性代數教學中直覺性喪失的后果。上述這些涉及到“如何能”、“怎么會”的問題，僅僅通過純粹的數學證明來回答，是不能令提問者滿意的。比如，如果你通過一般的證明方法論證了矩陣分塊運算確實可行，那么這并不能夠讓提問者的疑惑得到解決。他們真正的困惑是：矩陣分塊運算為什么竟然是可行的？究竟只是湊巧，還是說這是由矩陣這種對象的某種本質所必然決定的？如果是后者，那么矩陣的這些本質是什么？只要對上述那些問題稍加考慮，我們就會發現，所有這些問題都不是單純依靠數學證明所能夠解決的。像我們的教科書那樣，凡事用數學證明，最后培養出來的學生，只能熟練地使用工具，卻欠缺真正意義上的理解。

自從1930年代法國布爾巴基學派興起以來，數學的公理化、系統性描述已經獲得巨大的成功，這使得我們接受的數學教育在嚴謹性上大大提高。然而數學公理化的一個備受爭議的副作用，就是一般數學教育中直覺性的喪失。數學家們似乎認為直覺性與抽象性是矛盾的，因此毫不猶豫地犧牲掉前者。然而包括我本人在內的很多人都對此表示懷疑，我們不認為直覺性與抽象性一定相互矛盾，特別是在數學教育中和數學教材中，幫助學生建立直覺，有助于它們理解那些抽象的概念，進而理解數學的本質。反之，如果一味注重形式上的嚴格性，學生就好像被迫進行鉆火圈表演的小白鼠一樣，變成枯燥的規則的奴隸。

對于線性代數的類似上述所提到的一些直覺性的問題，兩年多來我斷斷續續地反復思考了四、五次，為此閱讀了好幾本國內外線性代數、數值分析、代數和數學通論性書籍，其中像前蘇聯的名著《數學：它的內容、方法和意義》、龔昇教授的《線性代數五講》、前面提到的Encounter with Mathematics（《數學概觀》）以及Thomas A. Garrity的《數學拾遺》都給我很大的啟發。不過即使如此，我對這個主題的認識也經歷了好幾次自我否定。比如以前思考的一些結論曾經寫在自己的blog里，但是現在看來，這些結論基本上都是錯誤的。因此打算把自己現在的有關理解比較完整地記錄下來，一方面是因為我覺得現在的理解比較成熟了，可以拿出來與別人探討，向別人請教。另一方面，如果以后再有進一步的認識，把現在的理解給推翻了，那現在寫的這個snapshot也是很有意義的。

因為打算寫得比較多，所以會分幾次慢慢寫。也不知道是不是有時間慢慢寫完整，會不會中斷，寫著看吧。

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