2023-09-04

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奇怪的线性代数空间思考问题,主要内容是思考Ax≤b形成的空间


🔗 [線性代數基本定理 (一) | 線代啟示錄] https://ccjou.wordpress.com/2009/03/23/線性代數基本定理-一/

以此理解线性规划方程Ax=b的一些特性(退化解,以及为什么一般默认m x n的矩阵A:m<n)


Ax=b, 假设b是一个10维向量,但Ax=b我们有的时候会画成一个二维平面上的多胞体鸡蛋图形。这个鸡蛋是高维b的投影吗?想象一下b从2维开始增加,投影的变化。

2025-08-15:可能当初写草稿的时候有点偏差,对“多胞体鸡蛋”而言:

整个鸡蛋(包括内部)是Ax<=b的解空间。

鸡蛋的所有表面是在满足Ax<=b的前提下,至少有一个等式成立的点的集合

鸡蛋的一个顶点/一条边/一个面是Ax=b的解空间

这里的“一个面”可能会引发高维度空间对于“面”的定义,所以重新阐述为:对于一个n维的Ax=b(不考虑A=0)如果有解,解空间可以是从(n-1)维到0维(vertex)的任何东西. 如果只有1个解,那么就是vertex,如果有无穷多的解,那么有可能是一条边或者一个二维平面或者一个三维“表面”或者(更高维度空间下的高维度表示方法,直到(n-1)维).

无论是鸡蛋表面还是整个鸡蛋,在二维平面上的图形都是x的投影(而不是b的投影).


如果抛开高维空间,只讨论这张图(假设这张图就是3维空间下的Ax<=b形成的空间):

快速过一遍:

n=3,m很大,这是一个n=3维空间

x:3 x 1的vector

A:m x 3的矩阵

b:m x 1的vector

b是一个行数很多,列数只有1的矩阵

这个多胞体的多个“切削面”来自很多很多[mathjax]A_{i1}x_1+A_{i2}x_2+A_{i3}x_3=b_i[/mathjax]形成的很多很多半空间的“切削”.

[mathjax]A_{i1}x_1+A_{i2}x_2+A_{i3}x_3=b_i[/mathjax]代表什么?代表一个平面

[mathjax]A_{i1}x_1+A_{i2}x_2+A_{i3}x_3\leq b_i[/mathjax]代表什么?代表一个平面形成的半空间。

在满足Ax<=b的前提下,正好有1个等式成立:Ax<=b的解会落在这个多胞体的“表面(二维平面)”上(但不能是vertex/edge);为什么会落在二维平面的表面上 -> [mathjax]A_{i1}x_1+A_{i2}x_2+A_{i3}x_3=b_i[/mathjax]代表什么?代表一个平面

正好有2个等式成立:Ax<=b的解会落在这个多胞体的edge上(但不能是vertex);(2个独立的平面确定一条边)

有3个等式成立:Ax<=b的解会落在这个多胞体的vertex上(也就是图中的橘黄色点);(3个独立的平面确定一个点)

但m很大,如果有4个等式成立,Ax<=b的解会落在哪里呢?上一步已经到了vertex,似乎不能再“进一步”了!

答案是,如果有4个等式成立,Ax<=b的解会落在这个多胞体的degeneracy vertex上面。依然是vertex,只是这个顶点是退化解。(4个独立的平面确定一个点)



 Last Modified in 2025-08-16 

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