A×B是否一定等于B×A

本文围绕“A×B是否等于B×A”这一矩阵乘法核心问题,介绍矩阵的定义、运算规则,说明矩阵乘法的定义兼具实际需求与数学意义,并提及不可交换性在海森伯量子力学矩阵力学中的应用及获奖情况。

A×B是否一定等于B×A

A×B是否一定等于B×A?

在社会生产实践和科学研究中,常常要处理一些有关联性的数据,比如实验数据、统计数据、财务数据等。为了清楚展示这些数据,通常人们会制作成表格,可将其抽象为矩阵形式:将n×m个数排成n行m列的矩形阵列,称为n×m矩阵,用括号括起,每个数是矩阵的元素,如某商业连锁公司各门店销量可对应2×3矩阵。

19世纪中叶,英国数学家凯莱系统建立了矩阵理论,规定了矩阵的算术运算。矩阵加法较简单,两个行数和列数相同的矩阵,和为对应位置元素相加所得的矩阵。矩阵乘法规定则不同:两个矩阵相乘,要求前一矩阵的列数和后一矩阵的行数相等,其积的第i行、第j列元素等于前一矩阵第i行和后一矩阵第j列对应位置元素相乘再求和所得的数。

一些初学矩阵的人不太理解矩阵乘法,为什么其规定如此古怪,而非像加法一样对应位置元素相乘呢?其实,这样定义矩阵乘法更符合实际需要。以上述商业公司的数据为例,多个门店、多个商品的营业额和利润计算,可通过矩阵乘法对应各表间关系,这是实际计算的需要;更重要的是数学中线性变换的需要,变量间的关系代入后,系数矩阵满足乘法关系,说明该定义是十分自然的。

矩阵乘法还有一个比较奇怪的性质。众所周知,两个数a与b相乘,总有a×b=b×a,即乘法交换律。但对于矩阵乘法,若以A、B表示两个矩阵,通常A×B与B×A并不相等,计算结果与相乘的两个矩阵的前后次序有关,这与常见乘法运算大相径庭。

人们对熟知的乘法交换律已习以为常,对矩阵乘法不可交换的性质曾心存疑惑,然而这种不可交换的矩阵乘法,在量子力学创建中找到了用武之地。1925年夏,24岁的德国物理学家海森伯构建了一套全新的量子理论,其所用乘法结果取决于相乘次序,他将论文交给导师玻恩,玻恩想起了矩阵乘法,海森伯用到的乘法正是矩阵乘法,当时多数物理学家不熟悉,后来该理论被称为矩阵力学,是量子力学的重要组成部分。海森伯因在创建量子力学理论中的重要贡献,于1932年获得了诺贝尔物理学奖。