線性代數·線性組合

線性組合

兩個向量v、w的線性組合是av + bw:取a份v、b份w相加。轉動a、b,點P = av + bw織出斜網格。v、w不共線時,它能到達平面上的每一個點,而且配方只有一種;共線時只能到達那條直線(兩個都是零向量時只有O)。

線性組合與本頁畫面

取兩個向量v、w與兩個數a、b。av + bw是以a、b為係數的線性組合:先走a份v,再走b份w。係數可以是任意實數。0與1之間的數只取箭頭的一部分;負數則把箭頭反向。

配方與到達的點,按分量展開
P=av⃗+bw⃗=(av1+bw1, av2+bw2)P = a\vec v + b\vec w = (a v_1 + b w_1,\ a v_2 + b w_2)

選取任意係數時,兩段路徑是細的藍色箭頭:從O出發走a·v,再從其尖端走b·w。從O指向P的粗藍箭頭就是兩者的和。黑色小點標示整數係數的配方。v、w不共線時,只改a,P就平行於v移動;只改b,就平行於w移動。因此a、b是P在v、w斜網格上的座標。淡藍色區域是允許的配方能到達的所有點。

v、w不共線時,平面上的每個點都能以唯一的方式表示成兩者的線性組合。作圖可以說明原因:過P作w的平行線,它與v所在直線恰好交於一點,這點恰好對應唯一的a,也就是a·v。剩下從a·v到P的路徑沿著w,所以是b·w。平行線會以黃色畫出這個作圖過程。

v、w位於通過O的同一直線上時,所有組合都留在這條直線上,斜網格也壓縮到這條直線上。直線外的點無法到達,線上每個點則有無窮多種配方。v = (2, 1)、w = −2v時,(4, 2)可以是2v + 0w,也可以是0v − 1w或4v + 1w。若兩個向量都是零向量,只能到達O。

接著讓係數和為1,令a = 1 − μ、b = μ。此時P − v = μ(w − v),所以v ≠ w時,P沿著通過兩個尖端的直線移動。μ = 0時在v的尖端,μ = 1時在w的尖端,中間依比例移動。P位於兩個尖端之間,恰好等同於兩個權重都至少為0。越過w的尖端後,v的權重1 − μ就變成負數。

權重和為1:P沿著通過兩個尖端的直線移動
P=(1−μ)v⃗+μw⃗,P−v⃗=μ(w⃗−v⃗)P = (1 - \mu)\vec v + \mu\vec w, \qquad P - \vec v = \mu(\vec w - \vec v)

v、w不共線時,若改成固定a + b = k,P就位於通過kv、方向為w − v的直線上,與通過兩個尖端的直線平行。等和線會畫出整數k對應的這些直線。它們間距相等,到O的距離與|k|成正比。

v、w不共線時,限制係數就能得到不同形狀。a, b ≥ 0(角區域)時,配方填滿v、w兩條射線之間的角。0 ≤ a, b ≤ 1(平行四邊形)時,填滿以v、w為邊的平行四邊形。a, b ≥ 0且a + b ≤ 1(三角形)時,填滿以O與兩個尖端為頂點的三角形。

值得注意

  • 配方不是P平常的x、y座標。v = (2, 1)、w = (1, 2)時,(4, 5) = 1v + 2w:x、y是4、5,配方卻是1、2。配方給出的是P在基底v、w下的座標,這也是基底與座標那一頁的主題。
  • 逐漸淡去的軌跡是P剛經過的地方,不是配方能到達的點集合。

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