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向量是空间箭头

向量是空间中的箭头

在不同的领域,人们对向量的看法也不同。计算机科学家可能认为向量是一个有序的数字列表,而物理学家则认为它是一个同时具有大小和方向的量。线性代数巧妙地将这两种观点联系起来。

从几何学的角度来看,向量是一个在空间中带有箭头的线段。这个箭头指明了向量的方向,而线段的长度则代表了它的大小。想象一下,从一个点出发,朝着某个方向走一定的距离——这就是一个向量。为了方便起见,我们通常将向量的起点放在坐标系的原点。

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标量乘法:拉伸与压缩

在线性代数中,普通的数字通常被称为。将一个向量乘以一个标量,本质上是在“缩放”这个向量。这个操作会改变向量的长度,有时也会改变它的方向。

如果用一个大于1的数去乘,向量会被拉长。如果乘以一个0到1之间的数,它会缩短。而如果乘以一个负数,它不仅会被缩放,还会完全反转方向,指向180度的反方向。

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这个操作非常直观。如果向量 v\vec{v} 代表向某个方向移动一定距离,那么 2v2\vec{v} 就代表朝着同一个方向移动两倍的距离。

向量加法:位移的叠加

向量加法描述的是一种连续的位移。想象一下,你先按照向量 a\vec{a} 的指示走了一段路,然后停下来,再按照向量 b\vec{b} 的指示继续走。你最终的位移——从起点到终点的直线距离和方向——就是这两个向量的和,记作 a+b\vec{a} + \vec{b}

在几何上,这可以通过“首尾相接”法来表示。将第二个向量的起点移动到第一个向量的终点,然后从第一个向量的起点画一个箭头指向第二个向量的终点,这个新的箭头就是它们的和。

这个方法也解释了著名的平行四边形定则。如果你将两个向量的起点都放在原点,然后以它们为邻边画一个平行四边形,那么从原点出发的对角线就代表了它们的和。

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向量加法满足交换律:a+b=b+a\vec{a} + \vec{b} = \vec{b} + \vec{a}。无论你先走哪一段,最终到达的终点都是一样的。

坐标系:万物的标尺

现在,让我们把纯粹的几何概念和数字联系起来。坐标系为我们提供了一个描述向量的框架。在二维平面上,我们通常使用两个相互垂直的,分别记作 ı^\hat{\imath}ȷ^\hat{\jmath}

ı^\hat{\imath} 是一个指向x轴正方向的单位向量(长度为1)。 ȷ^\hat{\jmath} 是一个指向y轴正方向的单位向量。

任何一个二维向量都可以表示为这两个基向量的缩放和相加的结果,也就是它们的线性组合。例如,向量 (32)\begin{pmatrix} 3 \\ 2 \end{pmatrix} 实际上是说:“沿着x轴方向走3个 ı^\hat{\imath} 的长度,然后沿着y轴方向走2个 ȷ^\hat{\jmath} 的长度”。

v=3ı^+2ȷ^\vec{v} = 3\hat{\imath} + 2\hat{\jmath}

因此,我们熟悉的坐标 (3,2)(3, 2) 实际上是构建向量 v\vec{v} 所需的“配方”:它告诉我们需要多少“份”的 ı^\hat{\imath} 和多少“份”的 ȷ^\hat{\jmath}

将向量看作是空间中的箭头,而不仅仅是列表中的数字,这种几何直觉是理解更高级概念(如线性变换)的关键。一个变换可能会拉伸、旋转或剪切整个空间,而理解这一切是如何发生的,始于理解它是如何影响这些基本箭头的。

Quiz Questions 1/4

在线性代数的语境中,“标量”指的是什么?

Quiz Questions 2/4

如果将一个非零向量乘以标量-2,将会发生什么?