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矩陣乘法

大一 · 線性代數

觀念

01A ↓B →1012213443

矩陣乘法 (matrix multiplication) (AB)ij=∑kAikBkj(AB)_{ij} = \sum_k A_{ik}B_{kj}:取 AA 的第 ii 列與 BB 的第 jj 行做內積。AA 是 m×nm\times n、BB 是 n×pn\times p 才能乘(中間的 nn 要對上),結果是 m×pm\times p。

算例:[1234][0110]=[2143]\begin{bmatrix}1&2\\3&4\end{bmatrix}\begin{bmatrix}0&1\\1&0\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}2&1\\4&3\end{bmatrix};反過來乘會得到 [3412]\begin{bmatrix}3&4\\1&2\end{bmatrix}——矩陣乘法不交換。

為什麼這樣定義?因為矩陣代表線性變換,ABAB 代表「先做 BB 再做 AA」的合成;AvA\mathbf{v} 是把 AA 的各行用 v\mathbf{v} 的分量做線性組合。這個觀點讓旋轉、投影、座標變換、神經網路的每一層都變成矩陣相乘。

例題

A=[1333−3−1]A = \begin{bmatrix} 1 & 3 & 3 \\ 3 & -3 & -1 \end{bmatrix} 是 2×32\times 3,B=[−303002]B = \begin{bmatrix} -3 & 0 \\ 3 & 0 \\ 0 & 2 \end{bmatrix} 是 3×23\times 2,求 ABAB(填矩陣)。

看解法與答案

2×32\times 3 乘 3×23\times 2 得 2×22\times 2(中間的 3 要相同),每個元素是三項乘積的和。

第 1 列:(AB)11=(1)(−3)+(3)(3)+(3)(0)=6(AB)_{11} = (1)(-3) + (3)(3) + (3)(0) = 6、(AB)12=(1)(0)+(3)(0)+(3)(2)=6(AB)_{12} = (1)(0) + (3)(0) + (3)(2) = 6。

第 2 列:(AB)21=(3)(−3)+(−3)(3)+(−1)(0)=−18(AB)_{21} = (3)(-3) + (-3)(3) + (-1)(0) = -18、(AB)22=(3)(0)+(−3)(0)+(−1)(2)=−2(AB)_{22} = (3)(0) + (-3)(0) + (-1)(2) = -2。

所以 AB=[66−18−2]AB = \begin{bmatrix} 6 & 6 \\ -18 & -2 \end{bmatrix}。

答案: [66−18−2]\left[\begin{matrix}6 & 6\\-18 & -2\end{matrix}\right]

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