矩陣

  呢篇文章講嘅係數學上嘅概念。想搵電影，請睇「22世紀殺人網絡系列」。

矩陣（英文：matrix，眾數matrices）係線性代數入面其中一個基本概念。矩陣可以用嚟表示一個線性映射（linear transformation）。

一個${\displaystyle m\times n}$矩陣，有${\displaystyle m}$個橫行、${\displaystyle n}$個直行。每一個元素用雙下標嘅變數嚟表示，例如${\displaystyle a_{1,2}}$咁，就係第一橫行第二直行嘅元素。如果唔會造成誤會，可以連逗號都唔寫：${\displaystyle a_{12}}$

一個${\displaystyle m\times n}$嘅矩陣係一個由${\displaystyle m}$行${\displaystyle n}$列元素排列成嘅矩形陣列，元素可以係數字、符號或者數式。下面係個${\displaystyle 2\times 3}$嘅矩陣：$${\displaystyle {\begin{bmatrix}2&3&4\\1&2&3\\\end{bmatrix}}}$$矩陣喺電腦科學、工程學、物理學入面都有好重要嘅作用。

喺電腦科學上，「矩陣」最廣義可以泛指 2D 嘅陣列。

定義

一個矩陣係由一啲元素組成嘅方型矩陣。

矩陣入面嘅嘢係叫元素（Elements），佢哋會排成橫行（horizontal rows）同直行（vertical columns）。

喺中國大陸，橫向嘅元素係叫「行」，縱向嘅係叫「列」；而喺台灣就係相反。

例子

買T恤嘅例子：如果紅色嘅要${\displaystyle 3}$件中碼、${\displaystyle 1}$件大碼；黃色嘅要${\displaystyle 9}$件細碼、${\displaystyle 5}$件中碼；綠色嘅要${\displaystyle 9}$件細碼、${\displaystyle 5}$件中碼；藍色就要${\displaystyle 1}$件中碼；紫色就要${\displaystyle 1}$件大碼。咁就以上嘅資料，就可以寫成以下呢個矩陣。$${\displaystyle S={\begin{bmatrix}0&9&9&0&0\\3&5&5&1&0\\1&0&0&0&1\end{bmatrix}}}$$

基本嘅樣

一個${\displaystyle m\times n}$矩陣${\displaystyle A}$（m by n matrix），係呢個樣：

${\displaystyle A={\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}&\cdots &a_{1n}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}&\cdots &a_{2n}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}&\cdots &a_{3n}\\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\a_{m1}&a_{m2}&a_{m3}&\cdots &a_{mn}\\\end{bmatrix}}}$

${\displaystyle A}$入面嘅元素${\displaystyle a_{ij}}$，${\displaystyle ij}$係${\displaystyle a_{ij}}$嘅置數（index，indices）代表住${\displaystyle a_{ij}}$係${\displaystyle A}$入面嘅第${\displaystyle i}$行第${\displaystyle j}$棟。

基數

矩陣嘅基數（order）係指個矩陣會有幾大。一個${\displaystyle m\times n}$嘅矩陣係一個由${\displaystyle m}$列${\displaystyle n}$行元素排列成；而${\displaystyle m\times n}$就係呢個矩陣嘅基數。

例子

${\displaystyle A={\begin{bmatrix}1&2&3\\4&5&6\\\end{bmatrix}}}$

咁矩陣${\displaystyle A}$嘅基數就係${\displaystyle 2\times 3}$。

單位矩陣

單位矩陣（identity matrix，通常用I或E表示）係一種正方形矩陣，主對角線上面嘅元素全部係 ${\displaystyle 1}$ ，其他位置全部係 ${\displaystyle 0}$。例如：

${\displaystyle I_{2}={\begin{bmatrix}1&0\\0&1\\\end{bmatrix}}\ ,\ I_{3}={\begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\\\end{bmatrix}}\ ,\ I_{4}={\begin{bmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&1&0\\0&0&0&1\\\end{bmatrix}}}$

任何矩陣(A)同單位矩陣乘埋(如果可以乘)都會等於自己本身。即係：

${\displaystyle A_{m\times n}I_{n}=A_{m\times n}\ ,\ I_{m}A_{m\times n}=A_{m\times n}}$

可見單位矩陣就好似數字嘅1噉。

零矩陣

零矩陣，即係所有元素都係0嘅矩陣，通常用大階O代表。例如：

${\displaystyle O_{1,2}={\begin{bmatrix}0&0\\\end{bmatrix}}\ ,\ O_{3,2}={\begin{bmatrix}0&0\\0&0\\0&0\\\end{bmatrix}}\ ,\ O_{2,4}={\begin{bmatrix}0&0&0&0\\0&0&0&0\\\end{bmatrix}}}$

零矩陣同任何矩陣(A)乘埋(如果可以乘)都會等於零矩陣。即係：

${\displaystyle OA=O\ ,\ AO=O}$

任何矩陣(A)同零矩陣加埋(如果可以加)都會等於自己本身。即係：

${\displaystyle A+O=A\ ,\ O+A=A}$

可見零矩陣就好似數字嘅0噉。

對角元素同方型矩陣

一個${\displaystyle m\times n}$嘅矩陣入面，第${\displaystyle (1,1),(2,2),(3,3),\cdots }$嘅元素就係叫做對角元素（diagonal element）。

用數學形式寫，就係所有嘅${\displaystyle [a_{ii}]}$嘅元素。

係一個${\displaystyle m\times n}$嘅矩陣睇，所有嘅${\displaystyle [a_{ii}]}$嘅元素就係矩陣由左上到右下條對角線上面嘅元素。

${\displaystyle A={\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}&\cdots &a_{1n}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}&\cdots &a_{2n}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}&\cdots &a_{3n}\\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\a_{m1}&a_{m2}&a_{m3}&\cdots &a_{mn}\\\end{bmatrix}}}$

如果一個矩陣，佢嘅基數係${\displaystyle n\times n}$。咁呢個矩陣就係一個正方形。

${\displaystyle A={\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}&\cdots &a_{1n}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}&\cdots &a_{2n}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}&\cdots &a_{3n}\\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\a_{n1}&a_{n2}&a_{n3}&\cdots &a_{nn}\\\end{bmatrix}}}$

咁${\displaystyle a_{11},a_{22},a_{33},\cdots ,a_{nn}}$就會係呢個矩陣嘅對角線（Diagonal）。

運算

加法，只須要對位運算。好似噉：

${\displaystyle {\begin{bmatrix}a&d\\b&e\\c&f\\\end{bmatrix}}\ +\ {\begin{bmatrix}1&4\\2&5\\3&6\\\end{bmatrix}}\ =\ {\begin{bmatrix}a+1&d+4\\b+2&e+5\\c+3&f+6\\\end{bmatrix}}}$

矩陣乘法係左橫乘右棟。就好似：

${\displaystyle {\begin{bmatrix}a&c\\b&d\\\end{bmatrix}}\ {\begin{bmatrix}e&g\\f&h\\\end{bmatrix}}\ =\ {\begin{bmatrix}ae+cf&ag+ch\\be+df&bg+dh\\\end{bmatrix}}}$

睇埋

• 矩陣運算
• 矩陣約簡法
• 線性方程系統
• 向量