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雜談: 線性 Linear

概念

線性Linear,通常被應用于函數;而線性代數中的線性變換本質是一種函數映射,是以兩者有較強的關聯性。

其最基本的代數意義由兩條性質決定:

  1. 可加性:若f(x)是線性的,則有 \(f(x_1 + x_2) = f(x_1) + f(x_2)\)。
  2. 齊次性(比例性):若f(x)是線性的,則有 \(f(kx) = kf(x)\),其中k為常數。

例子

考慮函數 f(x) = ax,驗證一下上述兩性質:

  • \(f(x_1 + x_2) = a(x_1 + x_2) = f(x_1) + f(x_2)\),滿足可加性。
  • \(f(kx) = akx\),\(kf(x) = akx\),滿足齊次性。

此時稱f(x)為線性函數

注意

考慮函數 g(x) = ax + b,上中學時你或許會聽到有老師稱它為線性函數,但這是不嚴謹的:

  • \(g(x_1 + x_2) = a(x_1 + x_2) + b\);然而 \(g(x_1) + g(x_2) = a(x_1 + x_2) + 2b\),不滿足可加性。
  • \(g(kx) = akx + b\);然而 \(kg(x) = akx + kb\),它也不滿足齊次性!

由此可知,形如 g(x) = ax + b 的并非線性函數,而是另有其名:仿射函數。

可加性與齊次性的組合便是線性的全部意義:

\(f(k_1x_1 + k_2x_2) = k_1f(x_1) + k_2f(x_2)\)