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过渡矩阵是左乘还是右乘
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发布时间:2025-05-07 11:54:14
188****3100
2025-05-07 11:54:14

取决于你站哪边,或者说,取决于你的“世界观”是怎么设定的。

传统的、教科书里最常见的,特别是当你处理列向量的时候,多半是左乘。想象一下,你的向量 `v` 像个笔直站立的士兵,它的分量从上到下排列。而你的过渡矩阵`P`,它就像一个操作员,站在左边,挥舞着它的行向量,一行一行地去“作用”于 `v` 的分量,算出新的向量 `v'` 的分量。公式大概长这样:`v' = P v`。在这里,矩阵 `P` 的列通常是新基向量在旧基下的坐标表示。这是大多数物理、工程领域,以及很多计算机图形学( যদিও近些年这块有点微妙,后面再说 )习惯的方式。感觉上,矩阵 `P` 是一个“变换”或者一个“映射”,它把向量 `v` “送”到了另一个地方或者另一个坐标系 `v'` 里。矩阵在前,向量在后,符合我们从函数 `f(x)` 那里继承来的直觉,操作符在前。

但是,嘿,别高兴得太早!还有另一拨人,他们喜欢把向量写成行向量。就像一排人手拉着手横着排开:`v^T`。这时候,为了维度匹配能进行乘法,过渡矩阵就得放在右边了。公式变成:`v'^T = v^T P`。这种写法,在某些领域可太常见了,比如马尔可夫链!在很多关于随机过程的文献里,状态向量就是一个行向量,记录了系统处于各个状态的概率。下一时刻的状态分布,就是当前状态行向量右乘上转移概率矩阵。这里的逻辑感觉稍微有点不同,好像是向量的每个分量在“权重”矩阵的各个“通道”上分配开去。

所以你看,这不是左乘对不对、右乘错不错的技术问题,它是约定俗成的问题!是关于你如何定义你的向量表示形式,以及你如何定义你的过渡矩阵里面的元素代表什么。

要命的是,它真不一样。

比如,你有一个从基 A 到基 B 的基变换。如果用列向量左乘的约定,那个过渡矩阵 `P_AB` (从 A 到 B 的矩阵)的列就是基 B 的向量在基 A 下的坐标。一个在基 A 下的向量 `v_A`,在基 B 下的坐标 `v_B` 满足 `v_B = P_AB v_A`。

但如果换成行向量右乘的约定呢?假设矩阵还是叫 `P`。这时,行向量 `v_A^T` 经过 `P` 得到 `v_B^T`,即 `v_B^T = v_A^T P`。这里的矩阵 `P`,很可能就 不是 前面那个 `P_AB` 了!它可能是 `P_AB` 的转置,甚至是 `P_AB` 的逆的转置(这取决于更深层的定义,比如基向量本身的表示方式)。

这种不一致,简直是噩梦的源泉。你翻开一本概率书讲马尔可夫链,再翻开一本信号处理书讲线性系统,再翻开一本三维图形学的书讲坐标变换,可能看到三种不同的习惯!矩阵符号可能一样,但它肚子里装的东西,或者使用它的方式,南辕北辙。你不能想当然地把一个地方看到的矩阵直接搬到另一个地方用。

我记得有一次,为了解一个跨领域的模型,一段涉及到状态转移,一段涉及到几何变换,我硬是花了半宿,把所有的公式、所有的定义、所有的矩阵乘法都从头用最原始的基向量表示法推导了一遍,才最终确认哪个矩阵该左乘、哪个该右乘,以及那个矩阵里的数字到底代表着新基在旧基下的投影,还是旧基在新基下的表示,还是别的什么鬼。那种感觉,就像是个侦探,拿着碎片化的线索,一点点拼凑出真相。但代价是,头都大了,半夜对着屏幕,眼前全是符号在飘。

更有意思的是,即使在同一个领域,不同年代的书、不同的作者也可能有不同的偏好。早期的某些数值计算或统计学文献,行向量右乘似乎更流行。现代的很多教材,受计算机编程中数组按行优先存储习惯的影响(尽管这跟数学上的行向量概念并非完全等同),加上数学上左乘理论体系的成熟和优雅,列向量左乘渐渐成了主流。但总有例外,总有“遗老遗少”,或者仅仅是作者自己的习惯使然。

话说回来,这种“不确定性”也并非毫无缘由。很多时候,行向量右乘在表达某些概念时确实更直观。比如,在处理行向量形式的数据集(每行是一个样本)时,右乘一个变换矩阵,对每个样本应用相同的变换,感觉上更自然。而列向量左乘则更符合“变换作为函数作用于点”的抽象代数视角。它们各自有适用的语境和便利性。

所以,回到最初的问题:“过渡矩阵左乘还是右乘?”答案是:看情况!别偷懒,别想当然!每次遇到,都要:

1. 搞清楚你的向量是列向量还是行向量

2. 搞清楚那个神秘的过渡矩阵它是怎么定义的!它的列(或行)代表的是什么?是新基在旧基下的表示?还是旧基在新基下的表示?是从哪个空间“过渡”到哪个空间?

3. 对照着定义,小心翼翼地写出乘法,看看维度是否匹配,看看结果的意义是否符合预期。

这虽然麻烦,但却是避免犯错的唯一可靠路径。真希望所有作者都能在书里醒目地标出他们的约定,省得大家猜来猜去。这根本不是左乘右乘哪个“对”,而是大家能不能坐下来,在同一个语境下用一套话语体系愉快地玩耍的问题。这才是最让人心累的地方。数学本身的美妙在于其逻辑的严谨和普适性,但这约定的五花八门,有时真让人觉得,我们还在巴别塔建成前的时代徘徊。

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