คณิตศาสตร์

เรารู้ว่ามีสิ่งที่เรียกว่าจำนวนจินตภาพอยู่ นั่นคือจำนวนที่เป็นรากที่สอง (Square root) ของจำนวนที่เป็นลบ เช่น รากที่สองของลบหนึ่งแทนด้วย $i:=\sqrt{-1}$ พอได้ยินคำว่า “จินตภาพ” ทำให้หลายคนคิดไปว่าจำนวนจินตภาพมีอยู่แค่ในจินตนาการ ไม่ได้มีอยู่จริง ประกอบกับความคิดที่ว่าจำนวนที่มีอยู่จริงจะต้องวัดค่าของมันออกมาได้ แต่จำนวนจินตภาพไม่มีสถานการณ์ที่เห็นได้ง่ายในชีวิตประจำวันที่เราอะไรแล้วได้ค่าเป็นจำนวนจินตภาพ ก็ยิ่งพาให้เราคิดว่าจำนวนจินตภาพนี้ไม่ได้มีอยู่จริง เป็นเพียงจินตนาการของนักคณิตศาสตร์เท่านั้น ในทางกลับกัน ในบทความนี้จะพาทุกคนกลับมาตั้งคำถามกับความเชื่อโดยไม่ได้ตั้งข้อสงสัย ว่าจำนวนจริงทุกจำนวนนั้นมีอยู่จริง จริง ๆ หรือ มีอยู่จริงในที่นี้มีความหมายในทำนองเดียวกันกับการตั้งคำถามกับจำนวนจินตภาพ เราจะพาตั้งคำถามว่าเราวัดค่าบางอย่างให้ออกมาเป็นจำนวนจริงได้หรือไม่ แน่นอนว่าเราวัดและจับต้องจำนวนที่เป็นจำนวนเต็ม เศษส่วนได้อยู่แล้ว สิ่งที่น่าสงสัยที่สุดก็คือจำนวนที่ไม่ได้เป็นเศษส่วนอย่างจำนวนอตรรกยะ (irrational numbers) เช่น $\pi$, $\sqrt{2}$, $\sqrt{3}$, หรือ $\phi$ (สัดส่วนทองคำ) อะไรเป็นจำนวนจริงบ้าง การให้คำนิยามของจำนวนจริง เช่น จำนวนจริงคือจำนวนที่อยู่บนเส้นจำนวนจริง จำนวนทุกจำนวน จำนวนที่มีอยู่จริง เหล่านี้ เป็นนิยามที่อาจจะพอทำให้เห็นภาพ แต่ก็ไม่ได้รัดกุมเท่าใดนักและสุ่มเสี่ยงที่จะสร้างความเข้าใจผิด ในบทความนี้เราจะไม่ได้อธิบายว่าจำนวนจริงคืออะไร นิยามอย่างไร แต่จะบอกว่าในเซตของจำนวนจริง $\mathbb{R}$ ประกอบไปด้วยอะไรบ้าง ในเซตของจำนวนจริงมี จำนวนนับ $\mathbb{N}$ (เช่น $1,2,3,\dots$) จำนวนเต็ม $\mathbb{Z}$ (เช่น $\dots ,-2,-1,0,1,2,\dots$) จำนวนตรรกยะ $\mathbb{Q}$ (จำนวนที่เป็นเศษส่วนของจำนวนเต็ม เช่น $\frac{1}{2},\frac{2}{3},\frac{3}{4},\dots$) จำนวนอตรรกยะ $\mathbb{R}\setminus \mathbb{Q}$ (เครื่องหมาย $\setminus$ หมายถึง เซตของสมาชิกใน $\mathbb{R}$ ที่ไม่อยู่ในเซต $\mathbb{Q}$) จำนวนอตกรรยะเป็นจำนวนที่สำคัญมากในการสร้างเซตของจำนวนจริงขึ้นมา หากไม่มีจำนวนอตรรกยะอยู่ในเซตนี้ เซตนี้จะเรียกว่าเป็นเพียงจำนวนตรรกยะเท่านั้น...

หลาย ๆ คนตอนเรียนน่าจะเรียนมาว่าเมทริกซ์คือตัวเลขที่เรียงกันในตาราง และก็นิยามการบวกว่าเป็นการดำเนินการในแต่ละสมาชิกที่อยู่ในตำแหน่งเดียวกัน และนิยามการคูณว่าเป็นการนำแต่ละตัวในแถวไปคูณแต่ละตัวในหลัก คำถามที่ทุกคนน่าจะมีคือทำไมถึงนิยามเช่นนี้ มันมีความหมายอะไร เราได้ให้ตัวอย่างไปแล้วในสองบทความก่อนหน้า สำหรับบทความนี้ เราจะนำเสนอเมทริกซ์ในมุมมองที่เป็นนามธรรมมากขึ้น เพื่อให้เห็นคอนเซปของเมทริกซ์แบบที่ไม่ได้ติดพันอยู่กับแค่บริบทใดบริบทหนึ่ง อย่างไรก็ดีเรานำเสนอตัวอย่างด้วยว่าเมทริกซ์สามารถบรรยายการขายผักได้ การคูณเมทริกซ์กับเวกเตอร์ และฟังก์ชันเชิงเส้น หนึ่งในวิธีที่จะเข้าใจเมทริกซ์คือการมองว่าเมทริกซ์เป็นการเขียนบรรยายฟังก์ชันเชิงเส้นหลายตัวแปรในรูปแบบหนึ่ง (ขอให้ทดไว้ในใจว่าจะเป็นฟังก์ชันตัวแปรเดียวก็ได้) ฟังก์ชันเชิงเส้น ฟังก์ชันเชิงเส้นหมายถึงฟังก์ชันประเภทที่มีหน้าตาเช่น $$f(x)=ax$$ โดยที่ $a$ เป็นค่าคงที่ และ $x$ เป็นตัวแปร ถ้ามีหลายตัวแปรก็จะเป็น $$f(x_1,x_2,\dots ,x_n)=a_1{x}_1+a_2{x}_2+\cdots +a_n{x}_n$$ โปรดระมัดระวังว่าสิ่งนี้ต่างจากการสมการเส้นตรงที่หน้าตาเป็น $$y=ax+b$$ เมื่อเราลองเทียบระหว่างการคูณเมทริกซ์กับการบรรยายฟังก์ชันเชิงเส้นตัวแปรเดียว เราจะเห็นว่าเราสามารถเขียนฟังก์ชันนี้ว่าเป็นการคูณระหว่างเมทริกซ์ขนาด $1\times n$ กับเมทริกซ์ขนาด $n\times 1$ ได้ $$f(x_1,x_2,\dots ,x_n)=\left[\begin{array}{cccc}{a}_1& a_2& \dots & a_n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ ⋮\\ x_n\end{array}\right]$$ หลายฟังก์ชันเชิงเส้น หลายตัวแปร ทีนี้ถ้าเราลองขยายแนวคิดนี้ออกไป แทนที่เราจะเขียนฟังก์ชันเพียงฟังก์ชันเดียว เรามีหลาย ๆ ฟังก์ชัน เช่น $$f_1(x_1,x_2,\dots ,x_n)=a_{11}{x}_1+a_{12}{x}_2+\cdots +a_{1n}{x}_n$$ $$f_2(x_1,x_2,\dots ,x_n)=a_{21}{x}_1+a_{22}{x}_2+\cdots +a_{2n}{x}_n$$ $$⋮$$ $$f_m(x_1,x_2,\dots ,x_n)=a_{m1}{x}_1+a_{m2}{x}_2+\cdots +a_{mn}{x}_n$$ เราสามารถเขียนเป็นเมทริกซ์ได้เช่นกัน $$\overrightarrow{f}=\left[\begin{array}{c}{f}_1(x_1,x_2,\dots ,x_n)\\ f_2(x_1,x_2,\dots ,x_n)\\ ⋮\\ f_m(x_1,x_2,\dots ,x_n)\end{array}\right]=\underset{:=A}{\underbrace{\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \dots & a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& \dots & a_{2n}\\ ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ a_{m1}& a_{m2}& \dots & a_{mn}\end{array}\right]}}\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ ⋮\\ x_n\end{array}\right]$$ นั่นก็คือการคูณเมทริกซ์ $A$ ขนาด $m\times n$ กับเวกเตอร์ขนาด $n$ (เมทริกซ์ขนาด $n\times 1$) สามารถมองได้ว่าคือการใส่ตัวแปรต้นจำนวน $n$ ตัว เข้าไปในฟังก์ชันเชิงเส้นจำนวน $m$ ฟังก์ชัน ผลลัพธ์ที่ได้ก็คือเวกเตอร์ของตัวแปรตามขนาด $m$ ตัว เราอาจจะพอจำเป็นสโลแกนได้ดังนี้ ใช้ขายผัก สมมติว่าเราเปิดร้านขายผัก แต่ร้านนี้เพิ่งเปิดเงินลงทุนยังไม่มาก เรามีผักขายแค่สองชนิดคือผักชีและมะเขือเทศ (มะเขือเทศจัดเป็นผักได้ เช่นเดียวกับพริก บวบ ฟัก หรือมะเขือ อ้างอิง)...

นอกจากการแก้สมการที่ได้พูดถึงไปในตอนที่ 1 แล้ว การคูณเมทริกซ์ยังมีความหมายอื่นอีก ในตอนนี้เราจะมาดูตัวอย่างว่าการคูณเมทริกซ์ในบริบทนอกจากการแก้สมการแล้ว ให้ความหมายอะไร สามารถใช้ไปซื้อผักได้หรือไม่ หนูนิดไปซื้อผักที่ตลาด ขอสมมติตัวละครหลักให้ชื่อว่าหนูนิด หนูนิดเป็นคนที่ออกจากบ้านไปซื้อผักที่ตลาดให้กับครอบครัวตอน 7 โมงเช้าทุกวัน แต่ก่อนจะไปซื้อผัก หนูนิดจะต้องแวะไปซื้อหนังสือพิมพ์ท้องถิ่นจากร้านหนังสือให้กับป้าข้างบ้าน และหลังจากนั้นค่อยไปซื้อผักที่ตลาด และค่อยกลับมาบ้าน สมมติว่าบ้าน ตลาด และร้านหนังสืออยู่ห่างกัน 5 นาที ถ้าเราดูว่าทุก ๆ 5 นาทีหนูนิดอยู่ที่ใด บ้าน ตลาด หรือร้านหนังสือ เราสามารถใช้เมทริกซ์มาบรรยายการเปลี่ยนตำแหน่งของหนูนิดได้ดังต่อไปนี้ เมทริกซ์และการเดินทางของหนูนิด เริ่มแรก เราจะแทนตำแหน่งของหนูนิดด้วย เลขหนึ่ง ในคอลัมน์เวกเตอร์​ $\overrightarrow{n}$ (คอลัมน์เวกเตอร์คืออเมทริกซ์ที่มีเพียง 1 คอลัมน์) และเริ่มต้นด้วยตำแหน่งของหนูนิดที่บ้าน ดังนี้ $$\overrightarrow{n}=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right)$$ ถ้าหนูนิดอยู่ที่ร้านหนังสือ เลขหนึ่งก็จะมาอยู่ที่แถวที่สองของเวกเตอร์ $\overrightarrow{n}$ และถ้าหนูนิดอยู่ที่ตลาด เลขหนึ่งก็จะมาอยู่ที่แถวที่สามของเวกเตอร์ $\overrightarrow{n}$ เรารู้ว่าตอน 7 โมงเช้า ในอีก 5 นาทีหนูนิดจะอยู่ที่ร้านหนังสือเพื่อซื้อหนังสือพิมพ์ให้ป้าข้างบ้าน ใน 5 นาทีถัดไปก็จะอยู่ที่ตลาดเพื่อซื้อผักและอีกห้านาทีถัดไปก็จะกลับมาที่บ้าน การเปลี่ยนตำแหน่งทั้งหมดของหนูนิดนี้สามารถบรรยายได้ด้วยเมทริกซ์ $T$ $$T:=\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 1\\ 1& 0& 0\\ 0& 1& 0\end{array}\right)$$...

ว่าแต่เมทริกซ์คูณกันยังไง? หากใครจำไม่ได้แล้วว่าการคูณเมทริกซ์นั้นทำอย่างไร เราจะย้อนเตือนความจำกันด้วยสมการนี้ สมมติว่าเมทริกซ์ $A$ มีขนาด $2\times 3$ และเมทริกซ์ $B$ มีขนาด $3\times 2$ พอนำมาคูณกันเมทริกซ์ผลคูณ $AB$ จะมีขนาด $2\times 2$ จากภาพตัวอย่าง จำง่าย ๆ ว่าอันนี้เรียกว่าหลักคูณแถว แปลไทยเป็นไทยทับศัพท์ก็คือเอาคอลัมน์มาคูณกับแถว สมาชิกตัวสีเหลืองในด้านขวาเกิดจากผลคูณของแต่ละตัวในด้านซ้าย ดังนี้ $1\times 4+2\times 1+3\times 3=15$ ลองถอยจากตัวอย่างนี้ เมทริกซ์ใด ๆ สองตัว สมมติเรียกว่า $A$ และ $B$ จะคูณกันได้ก็ต่อเมื่อจำนวนหลักของเมทริกซ์ $A$ เท่ากับจำนวนแถวของเมทริกซ์ $B$ ขอสมมติว่าเท่ากันที่ $n$ (หลักสำหรับ $A$ แถวสำหรับ $B$) และผลลัพธ์ที่ได้จะมีขนาดเท่ากับจำนวนแถวของเมทริกซ์ $A$ และจำนวนหลักของเมทริกซ์ $B$ สมาชิกตำแหน่งที่ $ij$ (แถวที่ $i$ หลักที่ $j$) ของผลคูณ $AB$ จะเป็นไปตามสมการนี้ $$A{B}_{ij}=\sum _{k=1}^n{A}_{ik}{B}_{kj}$$...