向量的多重视角
向量可以被物理地理解为自由浮动的箭头(由大小和方向定义),或者被计算地理解为固定的数字数据列表。线性代数通过将数字列表视为几何对象来连接这两种观点。
3Blue1Brown · YouTube · 9:51
本视频片段通过对比物理系学生(空间中的箭头)、计算机系学生(有序数字列表)和数学家(抽象定义)的三种视角,介绍了线性代数中向量的概念。确立了以坐标系原点为起点的标准几何表示法。随后定义了向量的两个基本运算:加法(通过首尾相接法和分量算术演示)和标量乘法(解释为对向量的拉伸、压缩或反向缩放)。
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依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。
线性代数建立在向量的基础之上。为了全面理解它们,我们需要透过三个不同的镜头来看待。首先,物理学家将向量视为空间中的箭头,仅由其长度和方向定义;它可以移动到任何地方而不改变其身份。其次,计算机科学家将向量简单地看作有序的数字列表,例如房屋大小和价格的坐标。第三,数学家将其推广为支持合理加法和标量乘法的任何对象。在我们的学习中,我们将主要使用几何视图:锚定在坐标系原点的箭头。
在具有相交于原点的x轴和y轴的二维平面中,向量的坐标告诉我们要如何从原点移动到该向量的尖端。第一个数字决定水平运动(右为正,左为负),第二个数字决定垂直运动(上为正,下为负)。我们用方括号将这些数对垂直书写,以区别于点。这种逻辑可以通过添加z轴扩展到三维空间,其中向量由对应于沿x、y和z轴运动的三元组数字表示。
两个最关键的运算是向量加法和标量乘法。几何上将两个向量相加涉及将第二个向量的尾部放置在第一个向量的头部;它们的和是从起点画到终点的向量。数值上,这对应于将它们各自的组件相加( 和 )。标量乘法起到“缩放”的作用。乘以大于1的数字会拉长向量,分数会缩短它,而负数则翻转其方向并调整其长度。按分量计算时,只需将每个条目乘以该标量即可。 更精确地说,长度乘以|c|;0<|c|<1才缩短,反向,得到零向量。向量用列表示是记号约定,并非与点有不同的括号形式就改变了其数学含义。
向量可以被物理地理解为自由浮动的箭头(由大小和方向定义),或者被计算地理解为固定的数字数据列表。线性代数通过将数字列表视为几何对象来连接这两种观点。
将自由向量画在原点是方便的表示约定;向量本身仍由位移决定。向量的坐标依赖所选基底,点的位置还依赖原点。
几何上定义为“首尾相接”法。代数上,它是通过对输入向量的相应分量求和来执行的。
标量c使长度变成原来的|c|倍。保持方向,反向,产生没有方向的零向量。
从几何上看,添加两个向量涉及将第二个向量的尾部放置在第一个向量的头部;总和是从第一个向量的起点绘制到第二个向量终点的向量。
适用条件:有两个可用于加法的向量;欧几里得几何表示
在二维平面中,第一个分量决定水平运动(右为正,左为负),第二个分量决定从原点到顶端的垂直运动(上为正,下为负)。
适用条件:标准笛卡尔坐标系;锚定在原点的向量
从数值上看,向量加法对应于独立地添加它们各自的分量(x 坐标为 ,y 坐标为 )。
适用条件:向量表示为列数组;两个向量具有相同的维度