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矩阵性质简介

矩阵

一个 n × m n\times m n×m矩阵 M M M是由 n n n m m m列数字组成的数组,
M r c M_{rc} Mrc表示矩阵的第 r r r c c c列的元素

方阵

如果一个矩阵的行列相等,该矩阵称为方阵

对角矩阵

如果一个方阵只有主对角元素不等于零,该矩阵称为对角矩阵,主对角元素即 M r c , r = c M_{rc},r=c Mrcr=c的元素,注意:

  • 对角矩阵是方阵
  • 对角矩阵只有主对角元素不等于零

矩阵转置

一个 n × m n\times m n×m矩阵 M M M的转置为 m × n m\times n m×n矩阵,记为 M T M^T MT,就是把行列进行了调换, M i j T = M j i M^T_{ij} = M_{ji} MijT=Mji

单位矩阵

如果对角矩阵的所有主对角元素都等于1,该矩阵为单位矩阵,单位矩阵一般用 I I I表示

矩阵乘法

矩阵乘法不满足交换律,即一般情况下
M N ≠ N M MN\neq NM MN=NM

矩阵相乘转置

( M N ) T = N T M T (MN)^T = N^TM^T (MN)T=NTMT

矩阵的逆

对任意 n × n n\times n n×n矩阵 M M M,如果存在一个矩阵 M − 1 M^{-1} M1,使 M M − 1 = M − 1 M = I MM^{-1}=M^{-1}M=I MM1=M1M=I,则称矩阵 M M M可逆, 矩阵 M − 1 M^{-1} M1称为矩阵 M M M的逆矩阵

奇异矩阵

没有逆矩阵的矩阵称为奇异矩阵

矩阵可逆性

  • 包含0行或者0列的矩阵不可逆。
  • 当且仅当 M T M^T MT矩阵可逆,矩阵 M M M可逆
  • 如果两个矩阵 M M M N N N都可逆,那么 M N MN MN可逆,并且 ( M N ) − 1 = N − 1 M − 1 (MN)^{-1} = N^{-1}M^{-1} (MN)1=N1M1
  • 当且仅当 n × n n\times n n×n矩阵 M M M的列向量形成的向量集合线性无关时,矩阵可逆。所以一般情况下我们使用的3D笛卡尔坐标系进行的线性变换矩阵都可逆

3D变换使用的矩阵

对于一个 3 × 3 3\times 3 3×3矩阵,如果每列向量都满足 e i ⋅ e j = 0 e_i\cdot e_j = 0 eiej=0,则矩阵称为正交矩阵,如果每个列向量的单位向量,则称矩阵为标准正交矩阵

标准正交矩阵表示纯旋转
标准正交矩阵的逆矩阵等于转置

4 × 4 4\times 4 4×4矩阵可表示任意三维变换,包括

  • 三维平移
  • 三维旋转
  • 三维缩放
  • 三维切变

这种矩阵称为变换矩阵

仿射矩阵

仿射矩阵是一个 4 × 4 4\times 4 4×4变换矩阵,它能维持直线在变换前后的平行性以及相对的距离比,但是不一定维持直线在变换前后的绝对长度及角度

由平移、旋转、缩放、切变 (shear )所组合而成的变换都是仿射矩阵

所有仿射矩阵都有逆矩阵


http://www.mrgr.cn/news/15698.html

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