线性代数【18】点积和对偶性

article/2025/11/3 14:49:19

前言:

本节,尝试通过线性变换来理解,或者说来表述点积。

在尝试理解的过程中,我们发现了线性变换,尤其是从多维空间到一维空间的线性变换,一定有某个严格的1x2的向量和他对应,这种微妙的而自然的联系,我们又将思路拓展到了更深入的模式,对偶。这节的内容比较难,但是,一旦理解,会讲你的数学思维水平提高一个新的层次,去理解向量,他无非是一个记号,一个表征变换的记号。而这种记号,我们再中间一下,就是一个对偶的特征再现而已。


 1 点积的通用定义和几何意义:

点积的几何意义:

 


 

 2 点积的计算定义:

【弹幕:点积,内积,点乘,标量积】

【点积应该看夹角,夹角为0,点积为零】

【夹角考虑余弦定理 】

3 点积几何意义的细说:

3.1 先投影

3.2 然后计算长度:

把w投射到v所在的直线上,将w在v上投影的长度乘以v的长度,就是其点积的值

【案,正交坐标系,加这句是因为向量的长度,如果是纯长度的话是没有考虑夹角的,我们必须考虑余弦定理的夹角啊】

【案,线性代数的本质,这一节,我觉得有点太啰嗦,写的太细致以至于几乎没有耐心去看了,还是给出几个例子,把这个视频里面讲的知识应用一下:】

【案,投影和方向,其实就是余弦定理的应用,所以点乘的结果是向量的长度*向量的余弦值,而不是仅仅长度相乘,这一点视频估计有错误,或者忘了说了】

3.3 点积表述向量的关系: 

 

>0为向量方向相同:

=0,向量在另外一个向量上的投影为0,cos90 =0

【案,又叫做正交性,看个例子】

 【案,上面这个例子,计算了一个平面表达式的正交性】

<0

 

 【弹幕】其实是余弦定理?

4 点积的性质:

4.1        和顺序无关性:

你可以w投射到v,或者v投射到w


【问题1】,为啥和顺序无关:

 1 假设w,v相同

 因为,w,v长度相同,那么我们可以利用对称性:

 w,v互为镜像:这样应该没问题

2 现在拓展一下,如果v的长和w不同,

例如是2倍,

 但是,我们可以理解为,w投射和v投射后,再搞翻倍的动作。因为,不管V怎么变化,他就是变成外星人,老实的w是没有变化的。

【弹幕】

【案,是对偶的,可以反着操作】 理解为,向量的操作,每个分向量是独立的,或者理解为互为映射的,或者理解为乘法嘛。所以没有顺序。所以,这个顺序问题解决了。


 

问题2,为啥点积和投影有联系:?

下面用对偶性进行解释,考虑对偶之前,我们从下面多维到一维度空间变化开始搞事情。


5 点积和对偶性:

这节,解释点积和空间的投影的对应建立的关系理由。

5.1 多维空间到一维空间的转换:

数轴上的两个向量,为一维空间:

 

 我们简单的用等距离的点来表示线性空间

 现在,我们看,在数轴上基向量就是两个数字:

这是个1x2的矩阵:


6 我们再考察一个例子:

 将待变换的基向量从二维的空间【4,3】T【列的元素2个】,

通过线性变换【1,-2】

会得到什么样的向量呢?

我们跟踪这个向量的变换,待变换的向量基向量分别乘以线性变换然后相加,

 

上面这个乘积的过程,其实就是很像点积的过程,只不过什么呢,

只不过我们把其中一个向量给倒了一下,就是行、列倒了一下。

【案,记住我们的想法是找到点积、对偶和向量空间的联系】

是时候我们开始公示【1x2矩阵和二维向量之间的微妙联系了】- 【先表述他们之间数值的关系】

上面是一对二维向量

 上面是一对1x2的矩阵


 然后,我们看他们之间向量空间的几何关系,

1 构建一个斜向的数轴:

【案,这个数轴是在一个二维空间】

 2 在这个数轴上,有一个二维向量U,终点落在这个数轴的1上。

【落在1上,考虑为单位向量】 

如果将二维向量直接投射到这个数轴上,前面我们已经讨论,我们只需要考虑向量的尖部tips,也就是

这样我们就构建了一个,二维向量到数轴上的数的一个映射,也就是函数。

【前面的章节我们提到过,这个对应关系其实是可以理解为函数,但是,因为向量有方向,所以,我们用变换来代替函数。但是,现在又是一个数了,这个映射可以再理解为函数】

当然,这个函数是线性的,因为投射也是等距离的。

然而,我们刚才定义的U向量,是众多二维向量空间的一个向量,他正好和数轴重叠。

 而这个投影,正是一个二维向量到数的一个线性变换。【注意,这里是一个数,而不是一个向量,这样后面的讨论就比较方便】

现在,我们来来尝试找到能够描述这个变换的1x2的矩阵,

为了找到这个变换的矩阵,

我们把这个斜着的数轴放大来看:

并且需要考虑变化后,基向量的位置【基向量就是要找的矩阵的列】

 

 


【以下部分非常精彩】

【通过精妙的对称性来进行推理】

并且需要考虑变化后,基向量的位置【基向量就是要找的矩阵的列】

【^i】和【^u】都是单位向量,

由于U向量的特殊性,我们有,向量U投影就是向数轴投影。

【这一点其实前面已经讨论,再讨论一下】

单位向量,那么长度一致,由于对称,所以,【^i】向【^u】的所在直线的投影和【^u】向【^i】的X轴的投影是对称的。

【所以,如果要问【^i】投影后落在这个斜向的数轴的哪个数上?

 

答案就是【^u】向X轴的对称投影所得的

 而,

【^u】向X轴的投影,正是【^u】的横坐标,

也即是, 

 

同理的【^j】的在斜向数轴投影后数,就是他的Y坐标。

由此,并且需要考虑变化后,基向量的位置【基向量就是要找的矩阵的列】

所以,这个1x2矩阵【ux,uy】表述了一个二维向量【^u】到数的投影变换,而这个变换,的就是你要投影的基向量【^u】的两个坐标构成的。


上面的例子,我们找到了一个单位向量u的投影变换【ux,uy】。

现在,

如果是整个二维空间的向量x,y,推而广之,就是

计算空间任意一个向量的投影变换,我们命名这个向量为【v】,

就是投影矩阵【Transform】和这个要变换的向量 v【x,y】的乘积。

 

 最后,我们得出结论:【微妙的联系】

矩阵向量的乘积和点积之间的表达的关系,如下:


这就是为什么,与单位向量的点积,可以解读为 将向量【v】投影到单位向量【u】所张成的空间上(SPAN)【这个例子里是一条斜的数轴直线】,所得的投影的长度。

 

【注意上面,这里出现了向量v和单位向量u的点积】        V * ^u


上面,我们把一个单位向量【^u】的一个二维到一维的投射变换,推广到了任意向量V【x,y】投影到单位向量【^u】所张成空间的一个投射变换。现在,我们再推而广之,就是如果向量V,投射到非单位向量(所张成的空间)是什么情况呢?

1 假如我们将单位向量【^u】扩大3倍,

2 依据上小节的方法,可以得到投影变换矩阵如下

 3 因为是线性的,可以看成是任意向量向斜着的数轴的投影,然后将结果乘以3


也就是与非给定单位向量的u的点积可以解读为:

首先,向给定的向量投影

然后,将投影的值乘以给定的非单位向量的长度。

【思考】由此,我们得到一个二维空间到数轴的线性变换,这个变换不是点积运算定义得到的,而是,通过将空间投影到给定的数轴来定义的。因为这个变换是线性的,所以,必须用1x2的矩阵表述,

又因为这个1x2的矩阵与二维向量相乘的计算过程,和他的转置矩阵并求点积的计算过程相同,

这个投影变换,必然会与某个二维向量相关。

任何一个,二维到一维的线性变换,只要他 输出空间是一维的数轴,

他都会和某个向量相关。这个线性变换【也就是这个1x2的矩阵相乘】和与这个相关的向量的点积做了同样的事情。


7 点积的应用:

 7.1 点积来计算面积:

7.1.1 例一

【案,这里和点积的公式已经很像了】

【这样就把点积可以用上了】

 

【现在求A'】 

 如果A = <a1, a2>,则A’ = A = <-a2, a1>,对于任意象限,该结论都适用。由此:

 推而广之:计算平行四边形面积:‘

 【案,这个公式和之前定义行列式的几何意义是一致的】

7.1.2 例二

似乎是很简单的点积计算,需要注意的是,点积只对向量有意义,对普通的点则没有任何意义,所以需要把其中的两边转换成向量


 

7.2 计算向量的角度

7.2.1 例一

 

 -----------------------------------------

7.2.2 例二

例:i, j, k是不同的向量,求向量i +j + 2k, 2i –j + k间的夹角

7.2.3 例三

 


 

 

 

 

 


 小结:

一个向量的对偶,是由他定义的线性变换。

一个线性变换的对偶,是某个特定的相关向量。

 表面上看,点积知识理解投影的有利的一个几何工具:

例如:

鉴定向量的方向是否相同:

向量是否垂直:【正交性】

 向量是否相反:

 但是,从我们这节的研究来看,

两个向量的点积,就是

 就是将其中一个向量变成了一个线性变换:虽然,点积和线性变换的数学计算过程一致,

向量不是空间的箭头,他是线性变换的物质载体。是一个特定变换的概念性记号。


 (45条消息) 线性代数笔记3——向量2(点积)_我是8位的-CSDN博客icon-default.png?t=LA92https://iam8bits.blog.csdn.net/article/details/78872549

(59条消息) 点乘 线性代数_线性代数笔记3——向量2(点积)_weixin_39890289的博客-CSDN博客icon-default.png?t=LA92https://blog.csdn.net/weixin_39890289/article/details/113018065 


参考:

3Blue1Brown:“线性代数的本质”完整笔记 - 简书 (jianshu.com)

【官方双语/合集】线性代数的本质 - 系列合集_哔哩哔哩_bilibili
 


词汇:

1        Dot product 点积

2        Duality 对偶性

3        Non-unit vector 非单位向量

4         Perpendicular 互相垂直

5        Symmetry对称性


http://chatgpt.dhexx.cn/article/pZi3u9KG.shtml

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