(本回答的目标读者是线性代数的初学者。)
先回答题主的问题:
矩阵是对线性变换的表示;对于同一个线性变换,基选择的不同,表示该线性变换的矩阵就不同。
接下来我试着解释这句话。
由于我们研究的对象是『
线性变换
』,而不是『矩阵』,所以在继续往下看之前,
建议暂时忘记一切关于『矩阵』的内容
,直到我提到这个概念为止。
好,开始了呦。
一个线性变换是一个
函数
。一旦确定了函数对于定义域中每一个元素的作用,也就确定了这个函数。对于线性变换来说,我们需要知道
每一个向量
被变换到了哪里。
由于这个变换是
线性
的,所以我们只需要知道
一组基向量
被变换到了哪里,就可以知道任何一个向量的被变换到哪里了。
什么意思呢?我们具体一点来看:考虑一个线性变换T:V\rightarrow W
,我们想要知道V
中每一个向量v
去了哪里,我们只需要知道V
的一组基向量v_{1},...,v_{n}
去了哪里(因为V
中任意向量都是基向量的线性组合),也就是要知道T(v_{k})
是W
中的哪一个向量。
那我们怎么描述W
中的一个向量呢?同样的道理,我们可以用W
的一组基向量w_{1},...,w_{m}
来描述W
中的任意一个向量。
这下就好办了,为了表示一个线性变换T:V\rightarrow W
,我们选择V
的一组基向量v_{1},...,v_{n}
,再选择W
的一组基向量w_{1},...,w_{m}
,接着,把T(v_{k})
用w_{k}
表示出来,就搞定了!
也就是说,我们把每一个T(v_{k})
写成w_{k}
的线性组合:
T({v_{k}})=a_{1,k}w_{1}+...+a_{m,k}w_{m}
再说一遍,
这个式子描述了V
的第k
个基向量被变换到W
中之后的位置。
所以,选定了V
与W
的基向量之后,线性变换可以由a_{j,k}
唯一确定,其中j=1,...,m
,对应的是W
的基,k=1,...,n
,对应的是V
的基。
好了,你肯定猜我要说:『我们把a_{j,k}
写成m\times n
的矩阵中第j
行第k
列的元素。』
先不急,这句话是对的,但我要说的不是这个。来看一张图: