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数学基础 -- 线性代数之向量基本概念

向量的基本概念

向量是一个具有大小(长度)和方向的数学对象,通常用于表示空间中的位置、速度、力等物理量。向量的基本概念包括:

向量的表示

  • 图形表示:向量用箭头表示,箭头的长度代表大小,方向代表方向。
  • 坐标表示
    • 在二维空间中,向量 v \mathbf{v} v 表示为 ( v x , v y ) (v_x, v_y) (vx,vy)
    • 在三维空间中,向量 v \mathbf{v} v 表示为 ( v x , v y , v z ) (v_x, v_y, v_z) (vx,vy,vz)

向量的运算

  • 加法 c = a + b \mathbf{c} = \mathbf{a} + \mathbf{b} c=a+b,其中 c \mathbf{c} c 的分量是 ( a x + b x , a y + b y , a z + b z ) (a_x + b_x, a_y + b_y, a_z + b_z) (ax+bx,ay+by,az+bz)
  • 减法 c = a − b \mathbf{c} = \mathbf{a} - \mathbf{b} c=ab,其中 c \mathbf{c} c 的分量是 ( a x − b x , a y − b y , a z − b z ) (a_x - b_x, a_y - b_y, a_z - b_z) (axbx,ayby,azbz)
  • 标量乘法 k a k \mathbf{a} ka 的分量是 ( k a x , k a y , k a z ) (k a_x, k a_y, k a_z) (kax,kay,kaz)
  • 点积(内积): a ⋅ b = a x b x + a y b y + a z b z \mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = a_x b_x + a_y b_y + a_z b_z ab=axbx+ayby+azbz
  • 叉积(外积):在三维空间中, a × b \mathbf{a} \times \mathbf{b} a×b 是一个垂直于 a \mathbf{a} a b \mathbf{b} b 的向量,其大小为 ∣ a × b ∣ = ∣ a ∣ ∣ b ∣ sin ⁡ ( θ ) | \mathbf{a} \times \mathbf{b} | = | \mathbf{a} | | \mathbf{b} | \sin(\theta) a×b=a∣∣bsin(θ)

向量的性质

  • 大小(模) ∥ v ∥ = v x 2 + v y 2 + v z 2 \| \mathbf{v} \| = \sqrt{v_x^2 + v_y^2 + v_z^2} v=vx2+vy2+vz2
  • 单位向量:长度为1的向量, u = v ∥ v ∥ \mathbf{u} = \frac{\mathbf{v}}{\|\mathbf{v}\|} u=vv
  • 零向量:所有分量均为零的向量。

向量的应用

  • 物理:描述力、速度、加速度等。
  • 计算机图形学:表示图像中点的位置、光线的方向等。
  • 工程:描述力学系统、结构分析等。

范数与内积

范数(Norm)

范数是一个函数,将向量映射到非负实数,表示向量的“大小”或“长度”。常见的范数包括:

  • 欧几里得范数(L2范数)
    ∥ v ∥ 2 = v x 2 + v y 2 + v z 2 \| \mathbf{v} \|_2 = \sqrt{v_x^2 + v_y^2 + v_z^2} v2=vx2+vy2+vz2
    在二维空间中:
    ∥ v ∥ 2 = v x 2 + v y 2 \| \mathbf{v} \|_2 = \sqrt{v_x^2 + v_y^2} v2=vx2+vy2

  • 曼哈顿范数(L1范数)
    ∥ v ∥ 1 = ∣ v x ∣ + ∣ v y ∣ + ∣ v z ∣ \| \mathbf{v} \|_1 = |v_x| + |v_y| + |v_z| v1=vx+vy+vz
    在二维空间中:
    ∥ v ∥ 1 = ∣ v x ∣ + ∣ v y ∣ \| \mathbf{v} \|_1 = |v_x| + |v_y| v1=vx+vy

  • 无穷范数(L∞范数)
    ∥ v ∥ ∞ = max ⁡ ( ∣ v x ∣ , ∣ v y ∣ , ∣ v z ∣ ) \| \mathbf{v} \|_\infty = \max(|v_x|, |v_y|, |v_z|) v=max(vx,vy,vz)
    在二维空间中:
    ∥ v ∥ ∞ = max ⁡ ( ∣ v x ∣ , ∣ v y ∣ ) \| \mathbf{v} \|_\infty = \max(|v_x|, |v_y|) v=max(vx,vy)

内积(Dot Product)

内积是两个向量之间的代数运算,结果是一个标量,表示两个向量的相似度或投影。

  • 定义
    a ⋅ b = a x b x + a y b y + a z b z \mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = a_x b_x + a_y b_y + a_z b_z ab=axbx+ayby+azbz
    在二维空间中:
    a ⋅ b = a x b x + a y b y \mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = a_x b_x + a_y b_y ab=axbx+ayby

  • 几何解释
    a ⋅ b = ∥ a ∥ ∥ b ∥ cos ⁡ ( θ ) \mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = \| \mathbf{a} \| \| \mathbf{b} \| \cos(\theta) ab=a∥∥bcos(θ)
    其中 θ \theta θ 是两个向量之间的夹角。

  • 正交性:如果 a ⋅ b = 0 \mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = 0 ab=0,则 a \mathbf{a} a b \mathbf{b} b 正交。

范数与内积的关系

  • 欧几里得范数
    ∥ v ∥ 2 = v ⋅ v \| \mathbf{v} \|_2 = \sqrt{\mathbf{v} \cdot \mathbf{v}} v2=vv

子空间上的投影

子空间上的投影是线性代数中的一个重要概念,用于将一个向量在一个子空间上进行“投影”,即找到该向量在子空间中的最佳逼近。

正交投影

如果子空间 U U U 是正交的(即 U U U 的所有向量彼此正交),则:

  1. 正交基:找到子空间 U U U 的正交基 { u 1 , u 2 , … , u k } \{\mathbf{u}_1, \mathbf{u}_2, \ldots, \mathbf{u}_k\} {u1,u2,,uk}
  2. 投影公式
    p = ∑ i = 1 k v ⋅ u i u i ⋅ u i u i \mathbf{p} = \sum_{i=1}^k \frac{\mathbf{v} \cdot \mathbf{u}_i}{\mathbf{u}_i \cdot \mathbf{u}_i} \mathbf{u}_i p=i=1kuiuivuiui

投影矩阵

给定子空间 U U U 的基向量矩阵 A A A,投影矩阵 P P P 为:
P = A ( A T A ) − 1 A T P = A (A^T A)^{-1} A^T P=A(ATA)1AT
投影结果为:
Proj U ( v ) = P v \text{Proj}_U(\mathbf{v}) = P \mathbf{v} ProjU(v)=Pv

投影性质

  • 最小距离:投影向量使得原向量与子空间的距离最小。
  • 正交 v − Proj U ( v ) \mathbf{v} - \text{Proj}_U(\mathbf{v}) vProjU(v) 与子空间正交。
  • 线性:投影操作是线性的。

应用

  • 数据降维:例如主成分分析(PCA)。
  • 计算机图形学:将三维场景投影到二维视图平面。

http://www.kler.cn/a/282609.html

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