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向量的基本运算 ​

向量是向量空间中的一个元素,除了最基本的加法和数乘运算外,还有一些其他的运算。当然,正如向量空间有着明确的几何意义一样(比如二维向量空间是一个平面),这些运算我们同样也可以从几何的角度来理解。

当然,在介绍这些运算之前,我们先来回顾一下向量最基本的加法和数乘运算。设向量 x,y 都为 n 维向量空间 V 中的元素,那么向量的加法运算定义为:

x+y=[x1x2⋮xn]+[y1y2⋮yn]=[x1+y1x2+y2⋮xn+yn]

设 α 为实数,那么向量的数乘运算定义为:

αx=α[x1x2⋮xn]=[αx1αx2⋮αxn]

向量的内积 ​

内积是向量空间中最基本的运算之一,它不仅可以用来定义向量的长度,还可以用来定义向量之间的夹角。我们首先给出内积的定义。

给定两个 n 维向量 x,y,它们的内积定义为:

⟨x,y⟩=x1y1+x2y2+⋯+xnyn=∑i=1nxiyi.

简单来说,就是将两个向量对应位置的元素相乘,然后再将所有的乘积相加。并且,我们可以发现,内积满足如下性质:

⟨x,y+z⟩=⟨x,y⟩+⟨x,z⟩.

那么,在给定内积的定义后,我们就可以进一步地给出向量的模长的计算公式:

∥x∥2=⟨x,x⟩=x12+x22+⋯+xn2.

换句话说就是,一个向量的模长的平方等于这个向量与自身的内积。

接下来,我们需要回忆一下三角形余弦公式:

∥c∥2=∥a−b∥2=∥a∥2+∥b∥2−2∥a∥∥b∥cos⁡θ,

其中 a,b,c 为三角形三个边,而θ 为 a 与 b 的夹角。

与此同时,根据模长的计算公式,我们有

∥a−b∥2=⟨a−b,a−b⟩=⟨a,a⟩+⟨b,b⟩−2⟨a,b⟩=∥a∥2+∥b∥2−2⟨a,b⟩.

对比上面两个公式,我们可以发现,两个向量之间的内积与它们的模长以及夹角之间存在着如下关系:

⟨a,b⟩=∥a∥∥b∥cos⁡θ.

因此,两个向量之间的夹角可以通过如下公式计算:

cos⁡θ=⟨a,b⟩∥a∥∥b∥.

如此一来,向量的内积的几何意义就非常清晰了。不妨令向量 b 的模长为 1,那么向量 a 在向量 b 上的投影长度就是 ∥a∥cos⁡θ,而这就刚好等于 ⟨a,b⟩。

图1. 向量内积

向量的线性组合 ​

由于线性空间是加法和数乘封闭的,因此我们自然很关心多个向量以及他们的组合之间有什么联系。首先,我们先给出向量的线性组合的定义:

给定 m 个 n 维向量,x1,x2,⋯,xk∈Rn×1,以及一个 m 维列向量 v=[v1v2⋯vm]T,那么这 m 个向量的线性组合定义为:

y=v1x1+v2x2+⋯+vkxm.

如果我们将这 m 个向量写成如下的形式:

X=[x1x2⋯xm],=[X11X12⋯X1mX21X22⋯X2m⋮⋮⋱⋮Xn1Xn2⋯Xnm],

显然,Xij 为向量 xj 的第 i 个元素,并且 X 是一个有着 n×m 元素的阵列,被称作矩阵。通常情况下,我们使用加粗的大写正体字母来表示矩阵,用如下的形式来标明矩阵的大小:

X∈Rn×k.

与此同时,矩阵与向量的乘法被定义为:

给定一个 n×m 的矩阵 X,以及一个 m 维向量 v,那么矩阵与向量的乘法定义为:

yi=(Xv)i=∑j=1mXijvj.

其中 yi 为向量 y 的第 i 个元素,(Xv)i 则表示矩阵乘以向量的结果的第 i 个元素。通常情况下,我们将矩阵与向量的乘法写成如下的形式:

y=Xv.

尽管矩阵与向量的乘法看起来有些复杂,但是我们可以发现,矩阵与向量的乘法等价于向量的线性组合:一个矩阵 X∈Rn×m 乘以一个向量 v∈Rm×1,实际上就是对矩阵的每一列进行线性组合,而向量 v 中的每一个元素则是对应的线性组合的系数,即

y=Xv=[x1x2⋯xm][v1v2⋮vm]=v1x1+v2x2+⋯+vkxm.

特别地,当 X=xT=[x1x2⋯xm]∈R1×m 时,也就是矩阵 X 实际上是一个行向量时,此时矩阵与向量的乘法就是向量的内积:

y=Xv=∑i=1mxivi=⟨x,v⟩.

因此当给定两个维度相同的列向量x,y∈Rn×1时,我们可以将它们的内积写成如下的形式:

⟨x,y⟩=xTy.

从几何的角度来说,向量的线性组合就是将一组向量拉伸或者压缩,然后再将它们相加。比如,图 2 中的两个向量

x1=[110],x2=[011].
图2. 线性组合的几何示意

用组合系数 v=[0.52]T来对这两个向量进行线性组合,我们可以得到如下的结果:

y=0.5[110]+2[011]=[0.52.52].

也就是图 2 中的黄色箭头所指示的向量。

小结 ​

本节介绍了向量的内积以及向量的线性组合。向量的内积可以用来定义向量的模长以及向量之间的夹角,而向量的线性组合则引出了矩阵与向量的乘法。此外,对于这两种运算,我们还从几何的角度来理解了它们的意义。

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