线性代数 · 线性组合

线性组合

两个向量v、w的线性组合是av + bw:取a份v、b份w加起来。转动a、b,点P = av + bw织出一张斜网格:v、w不共线时它能到达平面上的每一个点,而且配方只有一种;共线时只能到达那一条直线(两个都是零向量时只有原点)。

线性组合与本页画面

取两个向量v、w和两个数a、b,向量av + bw就是v、w的一个线性组合,a、b是系数:先走a个v,再走b个w。系数可以是任意实数。0和1之间的数表示只取箭头的一部分,负数表示把箭头掉过头来。

配方和它到达的点,按分量写开
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)

选“任意系数”时,两段腿是细的蓝色箭头:先从O画a·v,再从它的尖画b·w;从O出发的粗蓝箭头是它们的和,终点是P。墨色小点是整数系数的配方。v、w不共线时,只改a,P就平行于v移动,只改b,P就平行于w移动,所以a、b就是P在v、w织成的斜网格上的坐标。淡蓝色的一层,是允许的配方能到达的全部点。

v、w不共线时,平面上每个点都是它们的线性组合,而且配方只有一种。作图可以说明为什么。过P作w的平行线,它和v所在的直线恰好交于一点,这一点是a·v,a只有一个;剩下从a·v到P的这一段沿着w,就是b·w。“平行线”用黄色画出的就是这个作图。

v、w在同一条过O的直线上时,所有组合都留在这条线上,斜网格也叠进这条线里。线外的点到不了,线上每个点的配方都有无穷多种。v = (2, 1)、w = −2v时,点(4, 2)是2v + 0w,也是0v − 1w和4v + 1w。两个向量都是零时,只能到达O。

再让两个系数的和为1:a = 1 − μ,b = μ。这时P − v = μ(w − v),所以v ≠ w时,P沿着过两个尖的直线移动。μ = 0时P在v的尖上,μ = 1时在w的尖上,中间按比例移动。两个权重都不小于0时,P恰好在两个尖之间。越过w的尖,v的权重1 − μ就成了负数。

系数和为1:P在过两个尖的直线上移动
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不共线时,改为固定a + b = k,P就在过kv、方向为w − v的直线上,这条线和过两个尖的直线平行。“等和线”画出k取整数时的这些直线。它们等距排列,到O的距离和|k|成正比。

v、w不共线时,给系数加上限制,就得到各种形状。a, b ≥ 0(“角”)时,配方填满v、w两条射线之间的角。0 ≤ a, b ≤ 1(“平行四边形”)时,填满以v、w为边的平行四边形。a, b ≥ 0且a + b ≤ 1(“三角形”)时,填满以O和两个尖为顶点的三角形。

值得注意

  • 配方不是P平常的x、y。v = (2, 1)、w = (1, 2)时,(4, 5) = 1v + 2w:它的x、y是4和5,配方却是1和2。配方给出的是P在基v、w下的坐标,基那一页讲的就是这个。
  • 渐渐淡去的轨迹只是P刚走过的地方,不是配方能到达的范围。

相关概念