矩阵方程求解

图片来自《鸢尾花书4矩阵力量》

这张图在讲一件很核心、很"机器学习/线性代数"风格的事:

把"两个方程"打包成一个矩阵方程 Ax=b,然后用逆矩阵 A⁻¹ 一步解出未知量 x

我按图里的顺序,用最通俗的方式解释一遍。


1)左边:原本是两个一元一次方程(其实是二元)

图里一开始是:

你可以把它理解成:

  • 第一条:

  • 第二条:

我们要找的就是 x1x2​ 这两个未知数。


2)中间:把系数"收集"成一个矩阵

图里做了一个"打包"动作:

它对应关系非常直观:

✅ 系数矩阵 A

就是把每个方程里 x1,x2​ 的系数按顺序排成表格。

✅ 未知量向量 x

把未知数竖着放成一列。

✅ 常数向量 b

把等号右边的常数竖着放成一列。


3)一句话写法:Ax = b

所以图里写:

Ax=b

意思就是:

矩阵 A 乘上未知向量 x,结果等于 b。

这相当于把"两条方程"合成了"一条矩阵方程"。


4)怎么求解 x?用逆矩阵"反过来乘"

如果矩阵 A 是可逆的,那么就能两边同时左乘 A⁻¹

因为:

是单位矩阵(相当于数字里的 1),所以:

因此得到结论:

这就是图里最关键的公式:

解向量 x = 逆矩阵 A⁻¹ × b


5)图里给出了 A 的逆矩阵,并算出了结果

A 的逆矩阵,是如何算出来的?

我们一步步把它算出来(完全对应你图里的 A):


(5.1)先写出矩阵 A


(5.2)2×2 逆矩阵有一个"万能公式"

对任何

它的逆矩阵是:

你会看到它分两部分:

  1. 分母 ad−bc:叫做行列式(determinant)

  2. 右边那个矩阵:把 a,d 交换,b,c 变号


(5.3)代入 A 的 a,b,c,d

所以:

  • a=1

  • b=1

  • c=2

  • d=4


(5.4)先算行列式 det(A)

✅ 行列式不为 0,说明 A 可逆


(5.5)按规则拼出"伴随矩阵那部分"

公式里那部分:


(5.6)最后除以 det(A)=2

✅ 这就得到了你图里那个逆矩阵:


(5.7)为什么这个公式一定对?(快速验算)

逆矩阵的定义是:

我们直接乘一下看看是不是单位矩阵:

逐项算:

  • 左上:2−1=1

  • 右上:−0.5+0.5=0

  • 左下:4−4=0

  • 右下:−1+2=1

得到:

✅ 完全正确。


总结(最记忆友好的版本)

对 2×2 矩阵:

逆矩阵就是:

图中写:

然后计算:

我们来手算验证一下,让它更"有感觉"。


✅ 算 x1

逐步算:

所以:


✅ 算 x2

逐步算:

所以:


6)最后一句:逆矩阵完成了 "b → x 的线性映射"

图里最后写:

逆矩阵 完成 b→x 线性映射。

这句话用大白话讲就是:

你给我一个结果 b,我用 立刻把它"翻译回"未知数 x。

就像:

  • A 是"从原因推出结果"的机器(给 x 得 b)

  • 是"从结果反推原因"的机器(给 b 得 x)


7)用原方程再验算一次(更踏实)

我们算出

带回去:

  1. x1+x2=23+12=35✅

完全匹配。


总结一句话(最通俗版)

这张图就是在讲:

把多个方程整理成矩阵形式 Ax=b,再用 x=A⁻¹b 一步解出所有未知数。

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