線性代數學習筆記(1)--二維向量點積本質(僅供自己理解)


最近看了B站大神的視頻,講解線性代數一些概念的本質,其中P10講到了點積,老師講了點積的本質,當時由於水平不行不理解,重看了幾遍,又自己捋了一下,並補充了一些證明,才弄明白。

在此整理備忘,沒啥數學功底,表達起來相當困難,只能做到自己能看懂的程度,僅供自己以后回憶用。

 

首先,我覺得有一點必須提一下,擺正我的問題,之前我看視頻的時候總在想 “為什么點積的本質是XXX”,而忘了點積其實是一個定義,是由數學家下的定義。

正確的提問方式應該是:點積被定義成這樣,本質是什么。為什么本質是這個(用易於理解的證明方式,而非數學上的證明)。

這里只說二維向量

 

1、二維點積的定義

恰巧

 點積意味着,將一個坐標分別為x和y的二維向量,線性變換到一個一維數軸上之后的長度,正負和它們的方向有關(結合前邊的視頻理解)。

 

 如果u向量的長度為1,即u帽,那么點積就是向量在上邊投影的長度(視頻中的一段闡述的大體意思

 

 

 2、下邊結合定義試着理解視頻中闡述那段想表達的東西

 

 

這個等式的右邊就是它的定義,分成兩個部分去理解,第一個就是加號兩側的這種表示怎么理解,第二個就是加號怎么理解。

 

2.1 加號兩側的這種表示怎么理解

  

先從簡單的解釋,先把u向量的長度設為1(下稱u帽),這樣方便理解。因為,不管其它向量的方向如何,長度如何,都可以用它所在直線上的u向量,乘以一個倍數來表示

 

然后我們把x的坐標設為1即i帽,y的坐標設為1,即j帽,因為所有向量都可以由它們的兩個基,各乘以倍數表示出來

上圖表明了u帽在i帽上的投影和i帽在u帽上的投影相等,因為i帽和u帽長度相等。這個長度就是u帽的x坐標值。

 

也就是說一個向量的x坐標X,用u帽做線性變換后,即X乘以i帽在u帽上的投影,而這個投影恰好是u帽的x坐標

 

即  X乘以u帽的x坐標  可以理解為X乘以i帽在u帽上的投影的長度,即u帽的x坐標,因為這和定義一致!

 

 

另外,這個表達式中點的左邊正好是i帽在u帽上的投影,而這個表達式即代表着點積的左半部分,又代表着二維向量做一維向量變換的左半部分,

 

所以我們可以把i帽做u帽變換,理解為i帽投影到u帽上的長度。因為這和定義一致!!這就是定義想表達的含義。

 

u帽長度為1的時候,變換就是投影

對於j帽,即y坐標上的情況,和上邊是一樣的,不再贅述。

 

2.2 加號怎么理解

換句話說,為什么一個向量在u帽上的投影長度,等於它的x坐標在u帽上的投影長度 加上 y坐標在u帽上的投影長度

 

即,為什么 【x投影的長度】+【y投影的長度】=【這個向量在u帽上投影的長度】

 

這里需要一點容易理解的幾何證明,強調一下,u帽的長度是1,如果u帽的長度不是1,那么就是投影的長度乘以一個倍數了。

 

其實就是證明以下內容:

 

 

證明方式如下:

 圖中的EF GH IJ都和OC垂直,是平行的,因此不難看出

OA:EF = OB:GH = OC:IJ

(OA+OB)/(EF+GH)=OC/IJ

圖中的EF GH IJ都和OC垂直,是平行的,因此EFKI和GHJK都是平行四邊形

顯然EF+GH=IJ

所以OA+OB=OC

 

以上就是為什么有個加號

 


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