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$\开始组$

矩阵的乘法运算——取第一个矩阵的第$i$行和第二个矩阵的第$j$列的点积,得出乘积的第$ij$项——不是一个非常直观的运算:如果你问某人如何使两个矩阵静音,他可能不会想到这种方法。当然,结果证明它非常有用:矩阵乘法正是表示变换组合的操作。但这不是直觉。所以我的问题是它从哪里来。谁想到了用这种方法乘矩阵,为什么?(也许首先是矩阵和向量的乘法吗?如果是,谁想到了乘法他们这样,为什么?)无论矩阵乘法是在用作变换组合的表示之后才这样做,还是相反,矩阵乘法首先出现,我的问题都是完整的。(再一次,我不是在问效用矩阵乘法:这对我来说很清楚。我在问一个关于历史的问题。)

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    $\开始组$ 至于最后一个,矩阵乘法肯定是最先出现的(几个世纪前),我从线性方程组的紧凑表示中可以相当肯定。莱布尼茨已经有了一个行列式。由于我没有第一次使用的历史资料,这并不能回答你的问题。 $\端组$ 评论 2013年1月7日4:19
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    $\开始组$ 矩阵是线性算子,只有当它作用于向量时才有意义。给定矩阵$A$和$B$,我们希望运算符/矩阵$BA$是什么意思?理想情况下,我们希望$BA$具有以下含义。对于所有向量$x$,我们希望$(BA)x=B。至于为什么矩阵-向量乘积是按原样定义的,引入矩阵的主要原因是为了以一种符号方便的方式处理线性变换。 $\端组$
    – 用户17762
    评论 2013年1月7日4:21
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    $\开始组$ 当然,还有另一个问题,与其说是矩阵乘法为什么会这样定义,不如说是为什么它会坚持下去——为什么这个看似奇怪的定义开始流行起来,并没有因为这么多假定的定义而消亡。这是因为它在数学上证明是富有成效的。 $\端组$ 评论 2013年1月7日8:47
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    $\开始组$ 的可能副本math.stackexchange.com/questions/192835/…. $\端组$
    – 左手
    评论 2014年6月2日12:45
  • $\开始组$ 为什么它“不直观”?如果你问某人如何将两个矩阵相乘,他们会考虑乘法的含义,他们肯定会给出通常的定义。 $\端组$ 评论 2016年11月30日15:25

3个答案

重置为默认值
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$\开始组$

矩阵乘法是将变量的一个线性变化替换为另一个线性改变的符号方法。如果$x'=ax+by$和$y'=cx+dy$,并且$x''=a'x''+b'y''$和$y''=c'x''+d'y'',然后我们可以将第一对公式插入到第二对公式中,以用$x$和$y$表示$x''和$y''$:$$x''=a'x'+b'y'=a'(ax+by)+b'(cx+dy)=(a'a+b'c)x+(a'b+b'd)y$$$$y’’=c’x’+d’y’=c’(ax+by)+d’(cx+dy)=(c’a+d’c)x+(c’b+d’d)y。$$继续写变量可能会很麻烦,所以我们使用数组来跟踪系数,第一行是$x'$和$x''$,第二行是$y''$和$y''$。上述两个线性替换与矩阵乘积一致$$\左(\开始{array}{cc}a“&b”\\c“&d”\结束{数组}\右侧)\左(\开始{array}{cc}a和b \\c和d\结束{数组}\右)=\左(\开始{array}{cc}a'a+b'c&a'b+b'd\\c'a+d'c&c'b+d'd\结束{数组}\右侧)。$$所以矩阵乘法只是一个簿记线性代换系统的设备相互插入(顺序问题)。这些公式不是直观的,但它只不过是将两个连续变量的线性变化组合在一起的简单想法。

1858年,Cayley在印刷品中首次明确定义了矩阵乘法,以反映线性变换的合成效果。见第3段http://darkwing.uoregon.edu/~vitulli/441.sp04/LinAlgHistory.html然而,当变量的一个线性变化被替换为另一个线性改变(我们将其视为矩阵乘法)时,跟踪系数发生了什么的想法可以追溯到更远的地方。例如,19世纪早期数学家关于二元二次型$ax^2+bxy+cy^2$的工作充满了相互插入的变量的线性变化(特别是我们认为来自${\rm SL}_2({\mathbf Z})$的变量线性变化)。有关背景的更多信息,请参阅托马斯·霍金斯(Thomas Hawkins)于1974年发表的关于矩阵理论的论文。在谷歌上搜索“ICM 1974托马斯·霍金斯”,你会发现他的论文名列前三。

$\端组$
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    $\开始组$ 很好的解释方式!我一直在寻找一个很好的理由来解释为什么矩阵乘法是这样定义的,而每个人似乎都没有抓住问题的重点。谢天谢地,这个答案以正确的方式解释了它(让我理解)。 $\端组$
    – 西亚
    评论 2022年12月29日20:51
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    $\开始组$ 有趣的是,维基百科提到,比奈在1812年首次描述矩阵乘法,以表示由矩阵表示的线性映射的组成。en.wikipedia.org/wiki/Matrix_multiplication#cite_note-2 $\端组$ 评论 2023年5月1日20:18
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这是一个直接反映论文历史观点的答案矩阵理论回忆录作者:Authur Cayley,1857年。此论文可用在这里.

本文被誉为“包含矩阵的第一个抽象定义”和“定义加法、乘法、标量乘法和逆的矩阵代数”(来源).

本文使用了非标准符号。我会尽我所能把它放在一个更“现代”(但仍然不标准)的符号中。这篇文章的大部分内容将来自第20-21页。

为了引入符号,$$(X,Y,Z)=\左(\开始{数组}{ccc}酒店和客房\\a'&b'&c'\\a“”&b“”&c“”\end{数组}\right)(x,y,z)$$

将表示一组线性函数$(ax+by+cz,a'x+b'y+c'z,a''x+b''y+c''z)$然后被称为$(X、Y、Z)$.

凯利定义了加法和标量乘法,然后转向矩阵乘法或“合成”。他特别想处理以下问题:

$$(X,Y,Z)=\左(\开始{数组}{ccc}酒店和客房\\a'&b'&c'\\a“&b”“&c”“结束{数组}\right)(x,y,z)\quad\text{其中}\quad(x,y,z)=\left(\begin{array}{ccc}\α&\β&\γ\\\阿尔法'&&\贝塔'&&\伽马'\\\alpha“”&\ beta“”&\ gamma“”\\\\end{array}\right)(\xi,\eta,\zeta)$$

他现在想代表$(X、Y、Z)$依据$(\xi,\eta,\zeta)$他通过创建另一个满足等式的矩阵来实现这一点:

$$(X,Y,Z)=\左(\开始{数组}{ccc}A&B&C公司\\A'&B'&C'\\A“&B”“&C”“\\end{数组}\right)(\xi,\eta,\zeta)$$

他继续写道,我们获得的价值是:

$$\开始{align}\left(\begin{array}{ccc}A、B、C\\A'&B'&C'\\A“&B”“&C”“\\end{array}\right)&=\ left(\begin{array}{ccc}酒店和客房\\a'&b'&c'\\a“”&b“”&c“”\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\α&\β&\γ\\\alpha'&\beta'&\gamma'\\\alpha“”&\beta“”&\ gamma“”\\end{array}\right)\\[.25cm]&=\left(\begin{array}{ccc}a\alpha+b\alpha'+c\alpha''&a\beta+b\beta'+c\ beta''&a \gamma+b\gamma'+c\gamma''\\a“\alpha+b”\alpha'+c'\alpha“&a”\beta+b'\beta'+c'\beta'“&a“\gamma+b'\ gamma'+c''\gamma'”\\a“”\alpha+b“”\alpha“+c”“\alpha”&a“”\ beta+b“”\ beta“+c”“\ beta“”&a()\ gamma+b“)\ gama“+c“”\gamma“”\end{数组}\right)\ end{align}$$

这是矩阵乘法的标准定义。我必须相信矩阵乘法的定义是为了处理这个特定的问题。本文继续讨论矩阵乘法的几个性质,如非交换性、单位零合成和幂运算。

以下是写作规则:

通过将第一个分量矩阵的对应行与第二个矩阵的几列连续组合,可以获得复合矩阵的任意行(第21页)

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    $\开始组$ 线性函数集$(ax+by+cz,a'z+b'y+c'z,a''z+b''y+c''z)$应该是$(ax+by+cz',a'x+b'y+c'z',a'x+b'y+c'z)$吗? $\端组$ 评论 2017年5月11日18:11
  • $\开始组$ 我认为布拉德就是答案。从(x,y,z)的双重变换中获得的最终系数要求左变换矩阵的行元素乘以右变换矩阵的相应列元素。我自己的老想法是,如果向量与矩阵的乘法是像a(x,y,z)=(x',y',z')那样进行的,即使用行向量,然后,生成的系统将不会像(x,y,z)&(x',y',z')被写为列向量那样清晰地“读取”。这只适用于三维系统。更高阶的系统更加困难。但布拉德的想法已经过时了。 $\端组$
    – 行李箱
    评论 2017年12月28日15:57
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$\开始组$

\开始{align}u&=3x+7y\\v&=-2x+11y\\\\\\p&=13u-20v\\q&=2u+6v\结束{对齐}给定$x$和$y$,如何找到$p$和$q$?你怎么写:\开始{align}p&=\bullet\,x+\bullet_,y\\q&=\bullet\、x+\bullet_、y\quad\text{?}\结束{对齐}四个$\bullet$所在的位置是什么数字?

这就是矩阵乘法。其基本原理是数学上的,而不是历史上的。

$\端组$

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