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【向量】- 图解线性代数 01

新开的图解线性代数系列,希望借助图像的方式,更加深刻的理解某些较为抽象的概念。先声明一下,这个系列并不会讨论相关的计算,相关练习还请下面动手。
因为本人水平有限,疏忽错误在所难免,希望各位老师和朋友多提宝贵意见,帮助我改进这个系列,感谢感谢啦!好了,让我们赶紧进入主题吧,先从向量谈起。
一、向量的概念
现实中工作中,我们会把几个数值放在一起,当做一个整体来分析,这就有了向量(Vector)——一种有序的数值列表。
为了把向量和点区分开,惯用的方法是把这对数竖着写,然后用括号括起来,比如下面的示例为2维向量,3维向量和4维向量:


 
图1(注: 或者用方括号)
决定一个向量是它的长度和方向,我们可以通过坐标系来更好的理解它。在二维坐标系下用箭头绘制出来,且箭头的起点位于原点,终点就是数值分量对应的点。这样每一个向量就对应唯一对数,而坐标系中的一对数也唯一对应一个向量。

图2
只要向量的大小和方向相同,即视为相等的向量,如下图所示在二维平面(Two-dimensional)下,随便移动一个向量,所留下轨迹上都是相同的向量:

图3
而三维空间的向量就会有三个分量,我们用z轴来表示出来,这样每个向量也会与一个有序三元数组对应:

图4
二、向量的加法
向量加法就是把对应项相加:


 
图5
从图形来看我们可以平移第二个向量,使它的起点与第一个向量的重点重合,然后画一个向量,它从第一个向量的起点出发,指向第二个向量的终点。这个向量就是它们的和;或者观察动画按照每个向量的分量进行运动最终效果是一样的:

图6
三、向量的数乘
另一个基础的向量运算就是一个数值(标量Scalar)乘以向量的每个分量,就是将向量中的每个分量与标量相乘。如选择数值2,把它与一个给定向量相乘,意味着你把这个向量拉长为原向量的2倍:


 
图7
观察下图如果标量为负,则结果向量反向。也就是数乘向量其实是对向量的拉伸,压缩或反向的操作:

图8
向量的加法和数乘非常重要,将会贯穿线性代数,我们第一次的内容就到此为止,不过下面再补充几张动图来加深加法的理解:
向量加法三角形法则。其实与上面加法示例相同,不过这里的向量起点并非原点:

图9
向量加法多边形法则:

图10
平行四边形法则

图11
向量的减法其实就是加法的一种特殊情况:

图12


上面就是利用Wolfram语言制作的图解线性代数例子。好了,现在让我们在下一篇的中再见!你的关注和转发就是我最大的支持!Thanks!

 

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