单位矩阵 $I$ 在矩阵乘法中扮演着数字1的角色:将矩阵 $A$ 乘以 $I$(在维度兼容的情况下), $A$ 保持不变。也就是说,$AI = A$ 且 $IA = A$。这一性质对于理解如何“撤销”矩阵乘法很重要,就像除法或倒数撤销普通数字的乘法一样。考虑一个简单的代数方程,比如 $5x = 10$。要找出 $x$,你可以将两边都除以 5,或者等效地,将两边都乘以 5 的倒数,即 $1/5$ 或 $5^{-1}$。 $$ (5^{-1}) \times 5x = (5^{-1}) \times 10 $$ $$ 1 \times x = 2 $$ $$ x = 2 $$ 通过乘以倒数 $5^{-1}$,有效地分离了 $x$,将系数 $5$ 变成了 $1$。我们能否为矩阵找到一个类似的思想?如果我们有矩阵方程 $Ax = b$,我们能否找到一个表现得像 $A$ 的“倒数”或“逆”的矩阵?如果这样的矩阵存在,我们就可以将方程的两边都乘以它,从而可能分离出向量 $x$。这引出了矩阵逆的定义。对于一个方阵 $A$(即它有相同数量的行和列,例如 $n \times n$),它的逆,记作 $A^{-1}$,是另一个 $n \times n$ 矩阵,使得当它与 $A$ 相乘时(无论哪个顺序),结果是 $n \times n$ 单位矩阵 $I$。形式上,如果 $A$ 是一个 $n \times n$ 方阵,它的逆 $A^{-1}$ 是一个满足以下条件的 $n \times n$ 矩阵: $$ AA^{-1} = I \quad \text{并且} \quad A^{-1}A = I $$矩阵逆的性质必须是方阵: 只有方阵才能有逆。如果一个矩阵不是方阵(例如,$3 \times 2$),它就没有这个意义上的逆。思考一下原因:为了使 $AA^{-1}$ 和 $A^{-1}A$ 都被定义并且等于同一个方单位矩阵,$A$ 和 $A^{-1}$ 都必须是具有相同维度的方阵。存在性不保证: 并非每个方阵都有逆。确实有逆的方阵被称为可逆矩阵或非奇异矩阵。没有逆的方阵被称为不可逆矩阵或奇异矩阵。我们将在下一节中了解可逆性的条件。唯一性: 如果矩阵 $A$ 确实有逆,那么这个逆($A^{-1}$)是唯一的。只有一个矩阵满足该定义。逆的逆: 如果 $A$ 可逆,那么它的逆 $A^{-1}$ 也可逆,并且它的逆是原始矩阵 $A$。 $$ (A^{-1})^{-1} = A $$乘积的逆: 如果 $A$ 和 $B$ 都是相同大小的可逆方阵,那么它们的乘积 $AB$ 也可逆。乘积的逆是其逆矩阵的乘积,但顺序相反: $$ (AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1} $$ 顺序反转很重要,因为矩阵乘法通常不满足交换律($AB \neq BA$)。为什么逆对 $Ax = b$ 有用?矩阵逆的思想为我们提供了一种求解系统 $Ax = b$ 的方法。如果 $A$ 可逆,我们可以将方程的两边从左侧乘以 $A^{-1}$: $$ A^{-1}(Ax) = A^{-1}b $$ 使用矩阵乘法的结合律: $$ (A^{-1}A)x = A^{-1}b $$ 因为 $A^{-1}A = I$(单位矩阵): $$ Ix = A^{-1}b $$ 而且因为单位矩阵 $I$ 乘以任何向量 $x$ 都等于 $x$: $$ x = A^{-1}b $$ 这看起来是找出解向量 $x$ 的直接方法:只需找到 $A$ 的逆,然后将其乘以向量 $b$。虽然这在数学上是正确的,并提供了一个清晰的代数解法,但在实践中,仅仅为了计算 $x = A^{-1}b$ 而明确计算逆 $A^{-1}$ 通常不是求解方程组最高效或数值最稳定的方法,特别是对于大型矩阵。像 NumPy 这样的库通常使用更有效率的算法(我们很快会看到)。然而,理解逆对于掌握线性系统和矩阵运算的性质极为重要。在我们开始用 NumPy 计算逆之前,我们需要了解矩阵何时才真正拥有逆。什么使得一个方阵可逆或奇异?这就是我们接下来要介绍的内容。