【機器學習|數學基礎】Mathematics for Machine Learning系列之線性代數(1):二階與三階行列式、全排列及其逆序數

海轟Pro發表於2021-09-12

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文章僅作為自己的學習筆記 用於知識體系建立以及複習
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二階與三階行列式

二階行列式

記作

\(\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12}\\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix}=a_{11}*a_{22}-a_{12}*a_{21}\)

定義

主對角線上的兩元素之積減去副對角線上兩元素之積所得的差,即:\(a_{11}*a_{22}-a_{12}*a_{21}\)

注:行列式本質是一個數值,比如\(\begin{vmatrix} 1 & 2\\ 3 &4 \end{vmatrix}\)代表的就是數值(-2=1×4-2×3)

舉例

\(\begin{vmatrix} 3 & -2\\ 2 & 1 \end{vmatrix} = ?\)

答:

\(\begin{vmatrix} 3 & -2\\ 2 & 1 \end{vmatrix}=3*1-(-2)*2=3-(-4)=7\)

三階行列式

記作

\(\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13}\\ a_{21} & a_{22} & a_{23}\\ a_{31} & a_{32} & a_{33}\\ \end{vmatrix}=a_{11}*a_{22}*a_{33}+a_{12}*a_{23}*a_{31}+a_{13}*a_{21}*a_{32}-a_{11}*a_{23}*a_{32}-a_{12}*a_{21}*a_{33}-a_{13}*a_{22}*a_{31}\)

舉例

\(\begin{vmatrix} 1 & 2 & -4\\ -2 & 2 & 1\\ -3 & 4 & -2\\ \end{vmatrix} = ?\)

答:

\(\begin{vmatrix} 1 & 2 & -4\\ -2 & 2 & 1\\ -3 & 4 & -2 \end{vmatrix}=1*2*(-2)+2*1*(-3)+(-4)*(-2)*4-1*1*4-2*(-2)*(-2)-(-4)*2*(-3)=-14\)

全排列及其逆序數

全排列

定義

從n個不同元素中任取m(m≤n)個元素,按照一定的順序排列起來,叫做從n個不同元素中取出m個元素的一個排列。

當m=n時所有的排列情況叫全排列。

公式

全排列數f(n)=n!(定義0!=1)

舉例

用1、2、3三個數字,可以組成多少個沒有重複數字的三位數 ?

答:3×2×1=6種。

假設先放百位,有三種可能,再放十位,有兩種可能,最後放個位,只有一種可能了。

故為3×2×1=6種

從上面例子可以發現:

當有n個不同數字進行排列時

第一個位置有(n)選擇,第二個位置有(n-1)種選擇...第n個位置有1種選擇,一共有n(n-1)(n-2)...2*1種可能,也就是n!種排列方式。

我們用\(P_{n}\)表示n種不同元素的所有排列的種數,則

\(P_n=n*(n-1)*(n-2)*...*3*2*1=n!\)

逆序數

概念

  • 標準次序:n個不同的數字,我們可以規定從小到大為標準次序
  • 逆序:與標準排列次序相反(比如兩個元素排序是從大到小,與標準次序相反,則視為逆序)
  • 排列的逆序數:一個排列中所有逆序的總數

計算排列的逆序數的方法

n個元素(依次為1,2,3...n-1,n),規定從小到大為標準次序

\(p_1p_2...p_n\)為這n個元素的一個排列,對於元素\(p_i\)(i=1,2...,n),如果比\(p_i\)大的且排在\(p_i\)前面的元素有\(t_i\)個,那麼就說\(p_i\)這個元素的逆序數是\(t_i\)

全體元素的逆序數總和為t,那麼

\(t=t_2+t_2+...+t_n=\sum_{t=1}^nt_i\)

即是這個排列的逆序數。

舉例

求排列32514的逆序數

答:3在第一位,前面沒有數,逆序數為0

2在第二位,前面的數中,有一個數3比2大,所以逆序數為1

5的前面沒有比5的數,逆序數為0

1的前面比1大的數有:3、2、5,所以逆序數為3

4的前面比4大的只有5,所以逆序數為1

綜上,該排列的逆序數t=0+1+0+3+1=5

補充概念

  • 齊排列:逆序數為奇數的排列
  • 偶排列:逆序數為偶數的排列

結語

文章僅作為學習筆記,記錄從0到1的一個過程

希望對您有所幫助,如有錯誤歡迎小夥伴指正~

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