我们再来看看表示线性方程组的矩阵方程:矩阵方程 Ax = b 表示一个线性方程组。这里,$A$ 是系数矩阵(已知),$x$ 是未知变量向量(我们希望找出),$b$ 是常数项向量(我们也已知)。我们的目标是分离并找出向量 $x$。回想一下简单的代数运算。如果你有一个方程,例如:$$ 5x = 10 $$你如何求解 $x$?你通常会用 5 除以方程两边。另一种思考方式是,将方程两边乘以 5 的乘法逆元,即 $\frac{1}{5}$ 或 $5^{-1}$:$$ 5^{-1}(5x) = 5^{-1}(10) $$ $$ (5^{-1} \cdot 5)x = \frac{10}{5} $$ $$ 1 \cdot x = 2 $$ $$ x = 2 $$矩阵逆 $A^{-1}$ 对于矩阵方程 $Ax = b$ 起着类似的作用。如果矩阵 $A$ 可逆(意思是它是方阵且其逆矩阵 $A^{-1}$ 存在,如前一节所述),我们就可以使用逆矩阵来求解 $x$。我们从方程开始:$$ Ax = b $$现在,就像我们在简单例子中乘以标量逆元 $5^{-1}$ 一样,我们可以将矩阵方程的两边乘以矩阵逆 $A^{-1}$。请记住,矩阵乘法不满足交换律,因此顺序很重要。由于 $x$ 是被 $A$ 从左侧乘以的,我们需要将两边前乘 $A^{-1}$(从左侧相乘):$$ A^{-1}(Ax) = A^{-1}b $$矩阵乘法具有结合律,这意味着我们可以重新组合左侧的项:$$ (A^{-1}A)x = A^{-1}b $$回想一下矩阵逆的定义:将一个矩阵乘以它的逆矩阵会得到单位矩阵 $I$。所以,$A^{-1}A = I$:$$ Ix = A^{-1}b $$最后,请记住单位矩阵的属性:将任何矩阵或向量乘以单位矩阵,其值不变($Ix = x$)。因此:$$ x = A^{-1}b $$这为我们提供了一个找出解向量 $x$ 的公式。如果我们能找出系数矩阵 $A$ 的逆,我们只需将其乘以常数向量 $b$ 即可得到未知数向量 $x$。这个理论解法非常简洁。它告诉我们,如果 $A$ 可逆,则方程组 $Ax=b$ 有一个由 $x = A^{-1}b$ 给出的唯一解。这直接将矩阵逆的思想与求解线性方程组联系起来。然而,需要提醒的是:尽管 $x = A^{-1}b$ 这个公式对于理解理论非常重要,但在实际中,显式计算逆矩阵 $A^{-1}$ 然后进行矩阵-向量乘法,通常不是求解方程组计算效率最高或数值最稳定的方法,特别是对于大型系统。可以把它看作是直接计算 $10/5$,而不是先找出 $5^{-1}=0.2$ 然后计算 $0.2 \times 10$。对于简单的数字来说,这没什么大不了,但对于矩阵,找出逆矩阵的过程可能计算量大且容易产生浮点误差。在接下来的章节中,我们将看到 NumPy 等库如何让我们计算 $A^{-1}$,但更重要的是,我们将学习专门设计用于直接高效求解 $Ax = b$ 的函数,通常无需显式形成逆矩阵。这些方法在实际使用中通常更受青睐。