- 构造旋转、缩放、剪切和反射矩阵,并把它们应用于二维和三维点
- 通过矩阵乘法复合多个变换,并验证顺序很重要
- 从特征方程出发计算 2×2 矩阵的特征值和特征向量
- 解释为什么特征值决定了 PCA 方向、RNN 稳定性和谱聚类行为
问题
你读到 PCA,看到「求协方差矩阵的特征向量」;你读到模型稳定性,看到「检查所有特征值的模是否小于 1」;你读到数据增强,看到「应用随机旋转」。在理解矩阵对空间的几何作用之前,这些说法都没有意义。
矩阵不只是数字网格,它们是空间机器。旋转矩阵让点绕圈,缩放矩阵拉伸点,剪切矩阵倾斜点。神经网络对数据施加的每一次变换都是这些操作之一,或它们的复合。本节课让这些操作变得具体可感。
概念
变换即矩阵
二维中的任何线性变换都可以写成一个 2×2 矩阵。矩阵告诉你基向量 [1, 0] 和 [0, 1] 最终落在哪里,其余一切由此推导。
graph LR
subgraph Before["Standard Basis"]
e1["e1 = [1, 0] (along x)"]
e2["e2 = [0, 1] (along y)"]
end
subgraph Transform["Matrix M"]
M["M = columns are new basis vectors"]
end
subgraph After["After Transformation M"]
e1p["e1' = new x-basis"]
e2p["e2' = new y-basis"]
end
e1 --> M --> e1p
e2 --> M --> e2p旋转
二维旋转保持角度 \theta 不变,保持距离和夹角不变,让每个点沿圆弧移动。
graph LR
subgraph Before["Before Rotation"]
A["A(2, 1)"]
B["B(0, 2)"]
end
subgraph Rot["Rotate 45 degrees"]
R["R(θ) = [[cos θ, -sin θ], [sin θ, cos θ]]"]
end
subgraph After["After Rotation"]
Ap["A'(0.71, 2.12)"]
Bp["B'(-1.41, 1.41)"]
end
A --> R --> Ap
B --> R --> Bp在三维中,你绕某根轴旋转,每个轴都有各自的旋转矩阵:
缩放
缩放沿各轴独立地拉伸或压缩。
graph LR
subgraph Before["Before Scaling"]
A["A(2, 1)"]
B["B(0, 2)"]
end
subgraph Scale["Scale sx=2, sy=0.5"]
S["S = [[2, 0], [0, 0.5]]"]
end
subgraph After["After Scaling"]
Ap["A'(4, 0.5)"]
Bp["B'(0, 1)"]
end
A --> S --> Ap
B --> S --> Bp剪切
剪切在保持一轴固定的同时倾斜另一轴,把矩形变成平行四边形。
graph LR
subgraph Before["Before Shear"]
A["A(1, 0)"]
B["B(0, 1)"]
end
subgraph Shear["Shear in x, k=1"]
Sh["Shx = [[1, k], [0, 1]]"]
end
subgraph After["After Shear"]
Ap["A(1, 0) unchanged"]
Bp["B'(1, 1) shifted"]
end
A --> Sh --> Ap
B --> Sh --> Bp剪切矩阵:
Shx = [[1, k], [0, 1]]把 x 沿 k \cdot y 方向偏移Shy = [[1, 0], [k, 1]]把 y 沿 k \cdot x 方向偏移
反射
反射把点关于某根轴或某条直线做镜像。
graph LR
subgraph Before["Before Reflection"]
A["A(2, 1)"]
end
subgraph Reflect["Reflect across y-axis"]
R["[[-1, 0], [0, 1]]"]
end
subgraph After["After Reflection"]
Ap["A'(-2, 1)"]
end
A --> R --> Ap反射矩阵:
- 关于 y 轴反射:
[[-1, 0], [0, 1]] - 关于 x 轴反射:
[[1, 0], [0, -1]]
复合:链式变换
先应用变换 A,再应用变换 B,等价于矩阵相乘:result = B @ A @ point。顺序很重要。先旋转再缩放与先缩放再旋转结果不同。
graph LR
subgraph Path1["Rotate 90 then Scale (2, 0.5)"]
P1["(1, 0)"] -->|"Rotate 90"| P2["(0, 1)"] -->|"Scale"| P3["(0, 0.5)"]
end复合结果:S @ R = [[0, -2], [0.5, 0]]
graph LR
subgraph Path2["Scale (2, 0.5) then Rotate 90"]
Q1["(1, 0)"] -->|"Scale"| Q2["(2, 0)"] -->|"Rotate 90"| Q3["(0, 2)"]
end复合结果:R @ S = [[0, -0.5], [2, 0]]
结果不同。矩阵乘法不满足交换律。
特征值与特征向量
大多数向量被矩阵作用后都会改变方向。特征向量很特别:矩阵只缩放它们,从不旋转它们。缩放因子就是特征值。
A @ v = lambda * v
v is the eigenvector (direction that survives)
lambda is the eigenvalue (how much it stretches)
Example: A = | 2 1 |
| 1 2 |
Eigenvector [1, 1] with eigenvalue 3:
A @ [1,1] = [3, 3] = 3 * [1, 1] (same direction, scaled by 3)
Eigenvector [1, -1] with eigenvalue 1:
A @ [1,-1] = [1, -1] = 1 * [1, -1] (same direction, unchanged)这个矩阵沿 [1, 1] 方向把空间拉伸 3 倍,沿 [1, -1] 方向保持不变。其他所有方向都是这两个方向的混合。
特征分解
如果一个矩阵有 n 个线性无关的特征向量,它就可以被分解:
A = V @ D @ V^(-1)
V = matrix whose columns are eigenvectors
D = diagonal matrix of eigenvalues
V^(-1) = inverse of V
This says: rotate into eigenvector coordinates, scale along each axis, rotate back.为什么特征值重要
PCA。 协方差矩阵的特征向量就是主成分。特征值告诉你每个成分捕获了多少方差。按特征值排序,保留前 k 个,就完成了降维。
稳定性。 在循环网络和动态系统中,模大于 1 的特征值会让输出爆炸,模小于 1 则会让输出消失。一句话说清了梯度消失/爆炸问题。
谱方法。 图神经网络使用邻接矩阵的特征值,谱聚类使用拉普拉斯矩阵的特征值。特征向量揭示了图的结构。
行列式作为体积缩放因子
变换矩阵的行列式告诉你它在二维中把面积、在三维中把体积缩放了多少。
det = 1: area preserved (rotation)
det = 2: area doubled
det = 0: space crushed to lower dimension (singular)
det = -1: area preserved but orientation flipped (reflection)
| det(Rotation) | = 1 (always)
| det(Scale sx, sy) | = sx * sy
| det(Shear) | = 1 (area preserved)
| det(Reflection) | = -1 (orientation flipped)构建它
步骤 1:从零实现变换矩阵(Python)
pythonimport math
def rotation_2d(theta):
c, s = math.cos(theta), math.sin(theta)
return [[c, -s], [s, c]]
def scaling_2d(sx, sy):
return [[sx, 0], [0, sy]]
def shearing_2d(kx, ky):
return [[1, kx], [ky, 1]]
def reflection_x():
return [[1, 0], [0, -1]]
def reflection_y():
return [[-1, 0], [0, 1]]
def mat_vec_mul(matrix, vector):
return [
sum(matrix[i][j] * vector[j] for j in range(len(vector)))
for i in range(len(matrix))
]
def mat_mul(a, b):
rows_a, cols_b = len(a), len(b[0])
cols_a = len(a[0])
return [
[sum(a[i][k] * b[k][j] for k in range(cols_a)) for j in range(cols_b)]
for i in range(rows_a)
]
point = [1.0, 0.0]
angle = math.pi / 4
rotated = mat_vec_mul(rotation_2d(angle), point)
print(f"Rotate (1,0) by 45 deg: ({rotated[0]:.4f}, {rotated[1]:.4f})")
scaled = mat_vec_mul(scaling_2d(2, 3), [1.0, 1.0])
print(f"Scale (1,1) by (2,3): ({scaled[0]:.1f}, {scaled[1]:.1f})")
sheared = mat_vec_mul(shearing_2d(1, 0), [1.0, 1.0])
print(f"Shear (1,1) kx=1: ({sheared[0]:.1f}, {sheared[1]:.1f})")
reflected = mat_vec_mul(reflection_y(), [2.0, 1.0])
print(f"Reflect (2,1) across y: ({reflected[0]:.1f}, {reflected[1]:.1f})")步骤 2:变换的复合
pythonR = rotation_2d(math.pi / 2)
S = scaling_2d(2, 0.5)
rotate_then_scale = mat_mul(S, R)
scale_then_rotate = mat_mul(R, S)
point = [1.0, 0.0]
result1 = mat_vec_mul(rotate_then_scale, point)
result2 = mat_vec_mul(scale_then_rotate, point)
print(f"Rotate 90 then scale: ({result1[0]:.2f}, {result1[1]:.2f})")
print(f"Scale then rotate 90: ({result2[0]:.2f}, {result2[1]:.2f})")
print(f"Same? {result1 == result2}")步骤 3:从零计算特征值(2×2)
对于 2×2 矩阵 [[a, b], [c, d]],特征值求解特征方程:\lambda^2 - (a+d)\lambda + (ad - bc) = 0。
pythondef eigenvalues_2x2(matrix):
a, b = matrix[0]
c, d = matrix[1]
trace = a + d
det = a * d - b * c
discriminant = trace ** 2 - 4 * det
if discriminant < 0:
real = trace / 2
imag = (-discriminant) ** 0.5 / 2
return (complex(real, imag), complex(real, -imag))
sqrt_disc = discriminant ** 0.5
return ((trace + sqrt_disc) / 2, (trace - sqrt_disc) / 2)
def eigenvector_2x2(matrix, eigenvalue):
a, b = matrix[0]
c, d = matrix[1]
if abs(b) > 1e-10:
v = [b, eigenvalue - a]
elif abs(c) > 1e-10:
v = [eigenvalue - d, c]
else:
if abs(a - eigenvalue) < 1e-10:
v = [1, 0]
else:
v = [0, 1]
mag = (v[0] ** 2 + v[1] ** 2) ** 0.5
return [v[0] / mag, v[1] / mag]
A = [[2, 1], [1, 2]]
vals = eigenvalues_2x2(A)
print(f"Matrix: {A}")
print(f"Eigenvalues: {vals[0]:.4f}, {vals[1]:.4f}")
for val in vals:
vec = eigenvector_2x2(A, val)
result = mat_vec_mul(A, vec)
scaled = [val * vec[0], val * vec[1]]
print(f" lambda={val:.1f}, v={[round(x,4) for x in vec]}")
print(f" A@v = {[round(x,4) for x in result]}")
print(f" l*v = {[round(x,4) for x in scaled]}")步骤 4:行列式作为体积缩放因子
pythondef det_2x2(matrix):
return matrix[0][0] * matrix[1][1] - matrix[0][1] * matrix[1][0]
print(f"det(rotation 45) = {det_2x2(rotation_2d(math.pi/4)):.4f}")
print(f"det(scale 2,3) = {det_2x2(scaling_2d(2, 3)):.1f}")
print(f"det(shear kx=1) = {det_2x2(shearing_2d(1, 0)):.1f}")
print(f"det(reflect y) = {det_2x2(reflection_y()):.1f}")
singular = [[1, 2], [2, 4]]
print(f"det(singular) = {det_2x2(singular):.1f}")
print("Singular: columns are proportional, space collapses to a line.")使用它
NumPy 用优化过的例程处理这一切。
pythonimport numpy as np
theta = np.pi / 4
R = np.array([[np.cos(theta), -np.sin(theta)],
[np.sin(theta), np.cos(theta)]])
point = np.array([1.0, 0.0])
print(f"Rotate (1,0) by 45 deg: {R @ point}")
S = np.diag([2.0, 3.0])
composed = S @ R
print(f"Scale(2,3) after Rotate(45): {composed @ point}")
A = np.array([[2, 1], [1, 2]], dtype=float)
eigenvalues, eigenvectors = np.linalg.eig(A)
print(f"\nEigenvalues: {eigenvalues}")
print(f"Eigenvectors (columns):\n{eigenvectors}")
for i in range(len(eigenvalues)):
v = eigenvectors[:, i]
lam = eigenvalues[i]
print(f" A @ v{i} = {A @ v}, lambda * v{i} = {lam * v}")
print(f"\ndet(R) = {np.linalg.det(R):.4f}")
print(f"det(S) = {np.linalg.det(S):.1f}")
B = np.array([[3, 1], [0, 2]], dtype=float)
vals, vecs = np.linalg.eig(B)
D = np.diag(vals)
V = vecs
reconstructed = V @ D @ np.linalg.inv(V)
print(f"\nEigendecomposition A = V @ D @ V^-1:")
print(f"Original:\n{B}")
print(f"Reconstructed:\n{reconstructed}")用 NumPy 做三维旋转
pythondef rotation_3d_z(theta):
c, s = np.cos(theta), np.sin(theta)
return np.array([[c, -s, 0], [s, c, 0], [0, 0, 1]])
def rotation_3d_x(theta):
c, s = np.cos(theta), np.sin(theta)
return np.array([[1, 0, 0], [0, c, -s], [0, s, c]])
point_3d = np.array([1.0, 0.0, 0.0])
rotated_z = rotation_3d_z(np.pi / 2) @ point_3d
rotated_x = rotation_3d_x(np.pi / 2) @ point_3d
print(f"\n3D point: {point_3d}")
print(f"Rotate 90 around z: {np.round(rotated_z, 4)}")
print(f"Rotate 90 around x: {np.round(rotated_x, 4)}")交付它
本节课为 PCA(第 2 阶段)和神经网络权重分析奠定了几何基础。这里构建的特征值/特征向量代码,与生产级 ML 系统中驱动降维、谱聚类和稳定性分析的算法是同一套。
练习
- 对单位正方形(顶点为 [0,0]、[1,0]、[1,1]、[0,1])分别施加旋转、缩放和剪切。打印每种变换后的顶点,并验证旋转保持顶点间距离不变。
- 先用手工方式通过特征方程求矩阵 [[4, 2], [1, 3]] 的特征值,然后用你从零实现的函数和 NumPy 验证。
- 构造一个三变换复合(旋转 30 度、按 [1.5, 0.8] 缩放、kx=0.3 的剪切),把它应用于圆周上均匀分布的 8 个点。打印变换前后的坐标,计算复合矩阵的行列式,并验证它等于各自行列式的乘积。
提示
练习 1. 用 rotation_2d、scaling_2d 和 shearing_2d 配合 mat_vec_mul 对每个顶点进行变换。对旋转,计算变换前后 4 条边长和 2 条对角线长度;它们必须保持不变。
练习 2. 写出特征方程 \lambda^2 - (\text{trace})\lambda + \det = 0 并求解。检查两个特征值之和等于迹(7)、之积等于行列式(10),然后与 eigenvalues_2x2 和 np.linalg.eigvals 比较。
练习 3. 构造三个矩阵,剪切用 shearing_2d(0.3, 0),按应用顺序用 mat_mul 相乘,再把结果作用于 8 个点 (\cos\theta, \sin\theta)。旋转的行列式为 1,剪切的行列式为 1,因此复合矩阵的 det_2x2 必须等于 1.5 \times 0.8 = 1.2。
关键术语
| 术语 | 人们常说 | 实际含义 |
|---|---|---|
| 旋转矩阵 | "让东西转起来" | 正交矩阵,让点沿圆弧移动,保持距离和夹角不变。行列式恒为 1。 |
| 缩放矩阵 | "让东西变大或变小" | 对角矩阵,沿各轴独立拉伸或压缩。行列式是缩放因子的乘积。 |
| 剪切矩阵 | "让东西倾斜" | 把某一坐标按比例偏移到另一坐标,把矩形变成平行四边形。行列式为 1。 |
| 反射 | "镜像东西" | 把空间关于某根轴或某个平面翻转。行列式为 -1。 |
| 复合 | "做两件事" | 把变换矩阵相乘以链式执行操作。顺序很重要:B @ A 表示先 A 后 B。 |
| 特征向量 | "特殊方向" | 矩阵只缩放它、不旋转它的方向。是变换的「指纹」。 |
| 特征值 | "拉伸了多少" | 矩阵对其特征向量进行缩放的标量因子。可以为负(翻转)或复数(旋转)。 |
| 特征分解 | "把矩阵拆开" | 把矩阵写成 V D V^{-1},分离出基本的缩放方向和大小。 |
| 行列式 | "矩阵里的一个数" | 变换对面积(2D)或体积(3D)的缩放因子。为 0 意味着变换不可逆。 |
| 特征方程 | "特征值从哪来" | \det(A - \lambda I) = 0。其根就是特征值。 |
延伸阅读
- 3Blue1Brown: Linear Transformations —— 矩阵如何重塑空间的视觉直觉
- 3Blue1Brown: Eigenvectors and Eigenvalues —— 特征向量几何意义的最佳视觉解释
- MIT 18.06 Lecture 21: Eigenvalues and Eigenvectors —— Gilbert Strang 的经典讲解