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重要更正第1号:过渡矩阵和坐标变换推导

尽管《机器学习数学基础》这本书,耗费了比较长的时间和精力,怎奈学识有限,错误难免。因此,除了在专门的网页( 勘误和修订 )中发布勘误和修订内容之外,对于重大错误,我还会以专题的形式发布,并做出更多的相关解释。

更欢迎有识之士、广大读者朋友,指出其中的错误。非常感谢大家的帮助。

在《机器学习数学基础》第29页到第30页,推导过渡矩阵和坐标变换的时候,原文有一些错误。下面将推导过程重新编写如下,并且增加一些更详细的说明。此说明没有写入原文,是为了协助理解这段推导而作。

针对性的修改,请参阅:勘误与修订


${\pmb{\alpha}_1, \cdots, \pmb{\alpha}_n}$$\pmb{\alpha}_i$ 表示列向量) 是某个向量空间的一个基,则该空间中一个向量 $\overrightarrow{OA}$ 可以描述为:

$$ \overrightarrow{OA} = x_1\pmb{\alpha}_1 + \cdots + x_n\pmb{\alpha}_n\tag{1.3.4} $$ 其中的 $(x_1, \cdots, x_n)$ 即为向量 $\overrightarrow{OA}$ 在基 ${\pmb{\alpha}_1, \cdots, \pmb{\alpha}_n}$坐标

如果有另外一个基 ${\pmb{\beta}_1, \cdots, \pmb{\beta}_n}$$\pmb{\beta}_i$ 表示列向量),向量 $\overrightarrow{OA}$ 又描述为:

$$ \overrightarrow{OA} = x_1'\pmb{\beta}_1 + \cdots + x_n'\pmb{\beta}_n\tag{1.3.5} $$ 那么,同一个向量空间的这两个基有没有关系呢?有。不要忘记,基是一个向量组,例如基 ${\pmb{\beta}_1, \cdots, \pmb{\beta}_n}$ 中的每个向量也在此向量空间,所以可以用基 ${\pmb{\alpha}_1, \cdots, \pmb{\alpha}_n}$ 线性表出,即:

$$ \begin{cases}\begin{split}\pmb{\beta}1 &= b{11}\pmb{\alpha}1 + \cdots + b{n1}\pmb{\alpha}_n \ \vdots \\pmb{\beta}n &= b{1n}\pmb{\alpha}1 + \cdots + b{nn}\pmb{\alpha}_n \end{split}\end{cases} $$ 以矩阵(这里提前使用了矩阵的概念,是因为本书已经在前言中声明,不假定读者完全没有学过高等数学。关于矩阵的更详细内容,请参阅第2章)的方式,可以表示为:

$$ \begin{bmatrix}\pmb{\beta}1&\cdots&\pmb{\beta}n\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\pmb{\alpha}1&\cdots&\pmb{\alpha}n\end{bmatrix}\begin{bmatrix}b{11} & \cdots & b{1n}\\vdots\b{n1} & \cdots &b{nn}\end{bmatrix}\tag{1.3.6} $$ 其中:

$$ \pmb P = \begin{bmatrix}b_{11} & \cdots & b_{1n}\\vdots\b_{n1} & \cdots &b_{nn}\end{bmatrix} $$ 称为基 ${\pmb{\alpha}_1, \cdots, \pmb{\alpha}_n}$ 向基 ${\pmb{\beta}_1, \cdots, \pmb{\beta}_n}$过渡矩阵。显然,过渡矩阵实现了一个基向另一个基的变换。

定义 在同一个向量空间,由基 ${\pmb{\alpha}_1\quad\cdots\quad\pmb{\alpha}_n}$ 向基 ${\pmb{\beta}_1\quad\cdots\quad\pmb{\beta}_n}$ 的过渡矩阵是 $\pmb{P}$ ,则: $$ [\pmb{\beta}_1\quad\cdots\quad\pmb{\beta}_n] = [\pmb{\alpha}_1\quad\cdots\quad\pmb{\alpha}_n]\pmb P $$

根据(1.3.5)式,可得:

$$ \begin{split}x_1'\pmb{\beta}1 + \cdots + x_n'\pmb{\beta}n &= x_1'b{11}\pmb{\alpha}1 + \cdots + x_1'b{n1}\pmb{\alpha}n \ & \quad + \cdots \ & \quad + x_n'b{1n}\pmb{\alpha}1 + \cdots + x_n'b{nn}\pmb{\alpha}n \ &=(x_1'b{11}+ \cdots + x_n'b{1n})\pmb{\alpha}1 \ & \quad + \cdots \ &\quad+(x_1'b{n1} + \cdots + x_n'b_{nn})\pmb{\alpha}_n\end{split} $$ (1.3.4)式 和(1.3.5)式描述的是同一个向量,所以:

$$ \begin{cases}\begin{split}x_1 &= x_1'b_{11} + \cdots + x_n'b_{1n}\&\vdots\x_n &= x_1'b_{n1} + \cdots + x_n'b_{nn}\end{split}\end{cases} $$ 如果写成矩阵形式,即:

$$ \begin{bmatrix}x_1\\vdots\x_n\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}b_{11} & \cdots & b_{1n}\\vdots\b_{n1} & \cdots &b_{nn}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1'\\vdots\x_n'\end{bmatrix}\tag{1.3.7} $$ 表示了在同一个向量空间中,向量在不同基下的坐标之间的变换关系,我们称为坐标变换公式

定义 在某个向量空间中,由基 ${\pmb{\alpha}_1\quad\cdots\quad\pmb{\alpha}_n}$ 向基 ${\pmb{\beta}_1\quad\cdots\quad\pmb{\beta}_n}$ 的过渡矩阵是 $\pmb{P}$ 。某向量在基 ${\pmb{\alpha}_1\quad\cdots\quad\pmb{\alpha}_n}$ 的坐标是 $\pmb{x}=\begin{bmatrix}x_1\\vdots\x_n\end{bmatrix} $,在基 ${\pmb{\beta}_1\quad\cdots\quad\pmb{\beta}_n}$ 的坐标是 $\pmb x'=\begin{bmatrix}x_1'\\vdots \x_n'\end{bmatrix}$,这两组坐标之间的关系是: $$ \pmb x = \pmb P \pmb x' $$


以上错误,是我在录制《机器学习数学基础》的视频课程时候,讲到了这里,发现的。现在深刻体会到:教,然后知不足。教学相长,认真地研究教学,也是自我提升。著名物理学家费恩曼有一种非常好的学习方法,就是将要学的东西,讲给别人听,看看是否能讲明白。