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兩個三維向量相乘公式_3Blue1Brown線代學習筆記#1:向量

兩個三維向量相乘公式_3Blue1Brown線代學習筆記#1:向量
向量

(英語:vector,也稱作矢量)是線性代數最基礎、最根源的組成部分,也是數學、實體學和工程科學等多個自然科學中的基本概念。

1.不同視角下的向量

通常來說,有三種視角看待向量,看似不同卻有所關聯:

1.1 實體學專業視角
兩個三維向量相乘公式_3Blue1Brown線代學習筆記#1:向量

從實體學專業視角來看,

向量是空間中的箭頭

,指一個同時具有大小和方向(比如:東、南、西、北)的幾何對象。

決定一個向量的是它的長度和它所指的方向,隻要這兩個特征相同,你就可以在空間中自由移動一個向量而保持它不變。

把一個向量分解成幾個方向的向量的和,那些方向上的向量就叫做向量的分量

在平面中的向量是二維的,而在現實空間的向量則是三維的。

1.2 計算機科學專業視角

從計算機科學專業視角來看,

向量是有序的數字清單

,比如說

兩個三維向量相乘公式_3Blue1Brown線代學習筆記#1:向量

當需要強調分量個數時,我們分别稱上面的例子為2維向量、3維向量和4維向量。比如說你正在做一些有關房價的分析,你可能隻關心兩個特征:房屋面積和價格。你可能會用一對數組即二維向量對每個房屋進行模組化。

1.3 數學家視角

數學家視角試圖統一實體學專業和計算機科學專業兩類視角:換言之,在他們看來,

向量可以是任何東西,隻要保證兩個向量相加以及數字與向量相乘是有意義的即可。

這種觀點暗示了一個事實,即向量加法和向量數乘始終貫穿了線性代數學科本身,起着非常重要的作用。

2. 線性代數中的向量

在繼續讨論向量之前,讓我們先來确定一種思考向量的“特定方式”:

首先讓我們考慮一個箭頭,更具體地說,這個箭頭落在了某個坐标系中,比如平面直角坐标系,并且箭頭起點位于原點。這和實體學專業的學生視角略有不同,在他們看來,向量可以在空間中自由落腳。但是線上性代數中,

向量卻經常以原點為起點。

如果你已經了解“向量是空間中的箭頭”這種觀點,那麼我們可以通過向量坐标來了解“向量是有序的數字清單”這種觀點。

比如說二維向量

兩個三維向量相乘公式_3Blue1Brown線代學習筆記#1:向量

它是由一對數組(a,b)構成的,這對數告訴你是如何從原點(向量起點)出發到達它的末端(向量終點),第一個數a告訴你沿着x軸移動的距離,第二個數b告訴你沿着平行于y軸的方向移動的距離。

為了把向量和點區分開,慣用是把這對數豎着寫,然後用方括号[ ] 括起來,每一對數組給出唯一一個向量,而每一個向量恰好也對應唯一一對數組。

三維向量也類似,如果對應于空間坐标,則是在空間中多了垂直于x軸和y軸的z軸。在這種情況,每個三維向量就與一個有序三元數組對應。

3. 線性代數中的向量運算

3.1 向量加法
兩個三維向量相乘公式_3Blue1Brown線代學習筆記#1:向量

向量加法幾乎是線性代數中唯一允許向量離開原點的情形。我們可以把每個向量看作是一種特定的運動,即在空間中朝某個方向邁出一定距離。

那我們可以這樣來了解向量加法,如果你先沿着第一個向量運動,然後再按着第二個向量所描述的運動方式運動,總體效果與你沿着這兩個向量的和運動無異。

如果從“向量是有序的數字清單”觀點了解,那麼向量加法就是把對應項進行相加。

3.2 向量數乘
兩個三維向量相乘公式_3Blue1Brown線代學習筆記#1:向量

當我們選擇2、-1.8、31或者其他數字與向量相乘,這會分别拉伸,壓縮或者使向量反向,這呗稱為“

縮放(Scaling)

”。

而用于縮放向量的數字,被稱為“

标量

”。

實際上,數字或者說标量線上性代數中起到的主要作用就是縮放向量。

從數字的角度地說,将一個向量伸長為原來的2倍,對應于每個分量分别乘以2;是以将向量看作是一個數字清單時,

向量與标量相乘就是将向量中的每個分量與标量相乘。

4. 小結

兩個三維向量相乘公式_3Blue1Brown線代學習筆記#1:向量

如果把向量看作是空間中的箭頭,這種觀點恰好有漂亮的數值表示與其對應;如果把向量看作是數字清單,這種觀點又恰好有漂亮的幾何意義與其對應。

線性代數的效用很少地隻停留在這些觀點某個方面,而是更多地展現它能夠在這些觀點中互相轉化:線性代數為資料分析提供了一條将大量資料清單概念化、可視化的管道,它讓資料樣式變得非常明晰,并讓你大緻了解特定運算的意義。另一方面,線性代數為實體學家和計算機圖形程式員提供了一種語言,讓他們通過計算機能處理的數字來描述并且操作空間。

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