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线性代数 01|向量、线性组合与空间

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一张购物清单,为什么也能当向量?#

你买 2 盒牛奶、3 个面包,朋友买 1 盒牛奶、4 个面包。把清单写成 (2,3)(2,3) 和 (1,4)(1,4),两人的合并采购就是 (3,7)(3,7)。

如果某个套餐是“一盒牛奶加两个面包”,另一个套餐是“两盒牛奶加一个面包”,你买 aa 份前者、bb 份后者,总清单就是 a(1,2)+b(2,1)a(1,2)+b(2,1)。线性组合说的就是“按各自份数拼起来”。

实际购物不允许负份数,但退货、库存差额和数学建模会需要负数。向量空间允许所有实数系数,真实可购买清单只是其中满足额外条件的一部分。分清模型与限制,后面就不会把“所有清单”误当成“所有合法订单”。

坐标是两张清单的使用份数#

先把基本清单定成 e1=(1,0)e_1=(1,0) 和 e2=(0,1)e_2=(0,1):一个只买牛奶,一个只买面包。清单 (2,3)(2,3) 就是 2e1+3e22e_1+3e_2。所谓坐标,其实是在说你各用了多少份基本清单。

现在不按单品记账,改用套餐 v=(1,2)v=(1,2)、w=(2,1)w=(2,1)。同一份 (3,3)(3,3) 清单,在单品坐标里是 (3,3)(3,3),在套餐坐标里却是 (1,1)(1,1),因为 v+w=(3,3)v+w=(3,3)。

东西没有变,变的是描述方法。这是理解换基的重要一步:你可以换计量方式,不能把计量数字的改变误当成物体自己变了。

两种套餐能否拼出所有清单#

用 av+bw=(p,q)av+bw=(p,q),得到 a+2b=pa+2b=p、2a+b=q2a+b=q。解得

a=2q−p3,b=2p−q3.a=\frac{2q-p}{3},\qquad b=\frac{2p-q}{3}.

对任何实数 p,qp,q 都有唯一实数解,所以这两个方向在线性模型里能张成整个平面。实际采购若要求 a,b≥0a,b\ge0,可购买区域就缩成一个扇形;这是额外的非负约束,并不改变它们作为数学基的地位。

如果改成 w=(2,4)w=(2,4),两个套餐始终保持牛奶与面包为 1:2,只能到达同一直线。无论组合多少次,都造不出 (1,0)(1,0)。张成空间在回答的就是“这些基本材料究竟能做出哪些结果”。

为什么相减与零向量特别重要#

若两种组合得到同一份清单,例如 av+bw=a′v+b′wav+bw=a'v+b'w,两边相减得到 (a−a′)v+(b−b′)w=0(a-a')v+(b-b')w=0。因此“表示是否唯一”可以转为“有没有非零系数组合出零”。

这就是线性无关定义的来历。零向量像一个校验口:只要能用非零系数绕一圈回到零,就有某种冗余配比;若只有全部系数为零才能回到零,描述就不会互相冲突。

带你做:调色能到达哪些颜色#

暂时把颜色简化成红、蓝两个强度坐标。基础灯 A 输出 (2,1)(2,1),灯 B 输出 (1,2)(1,2)。想得到 (5,4)(5,4),需要解 2a+b=52a+b=5、a+2b=4a+2b=4,得 a=2,b=1a=2,b=1。

现在想得到纯红 (1,0)(1,0),同一方程给 a=2/3,b=−1/3a=2/3,b=-1/3。在抽象线性空间里,这个组合合法;实际灯光强度不能为负,所以这套非负灯光组合做不到纯红。

这道题不在教授真实色彩科学,而是在用一个可算的两通道模型区分“代数上可以张成”和“物理限制下可以实现”。今后遇到概率、浓度和非负图像,也会有同样差别。

看到一个应用问题时,先写清向量空间是背景环境,再把非负、总和为一等限制写成可行集合。不要因为背景是向量空间,就自动允许现实方案做任意数乘。

回头整理:定义、工具与练习#

一次散步也能说明线性组合#

从原点向东走两步,再向北走一步,终点是 2e1+e22e_1+e_2。如果换成两个斜方向 v,wv,w,所有 av+bwav+bw 就构成它们张成的集合。两个不平行方向能到达整个平面;两个平行方向只能覆盖一条直线。

向量既能表示位移,也能表示一天的温度采样、一个人的特征或一个多项式。坐标是表示向量的方式,抽象向量空间才是允许线性组合的结构。

向量空间与子空间#

向量空间允许向量相加、标量数乘,并满足通常的结合、交换、分配和单位元规则。判断一个集合是否是已有向量空间的子空间,最常用三步:包含零向量;对加法封闭;对数乘封闭。

例:{(x,y,z):x+y+z=0}\{(x,y,z):x+y+z=0\} 是子空间;把右端改为 1 就不是,因为原点不在其中。后一种集合叫仿射平面,可看作子空间的平移。

函数也能相加和伸缩#

C[0,1]C[0,1] 表示区间上连续实函数的集合。若 f,gf,g 连续,则 af+bgaf+bg 连续,所以它是向量空间。1,t,t21,t,t^2 就是三个向量,2−t+3t22-t+3t^2 是线性组合。

次数恰好为 2 的多项式不构成子空间:相加可能抵消二次项,也不含零函数。次数至多为 2 的多项式则构成子空间。

这一步是泛函分析的关键入口:函数在这里不是“画在坐标纸上的曲线”,而是一个完整的向量。

张成与线性相关#

span⁡{v1,…,vk}={∑j=1kajvj:aj∈R}.\operatorname{span}\{v_1,\ldots,v_k\} =\left\{\sum_{j=1}^ka_jv_j:a_j\in\mathbb R\right\}.

若 ∑ajvj=0\sum a_jv_j=0 只有全零系数解,则线性无关;否则线性相关。相关意味着至少一个向量可以用其他向量表示,所以它没有增加新的自由方向。

例如 (1,0),(0,1),(1,1)(1,0),(0,1),(1,1) 线性相关,因为前两者相加等于第三个。这个结论与画图相符:二维空间放不下三个独立方向。

例题:多项式中的独立性#

若 a+bt+ct2=0a+bt+ct^2=0 对所有 t∈[0,1]t\in[0,1] 成立,则多项式各系数为零。因此 1,t,t21,t,t^2 线性无关。这里的零是零函数,不是“在某一点值为零”。

练习与解答#

  1. 所有非负坐标向量是否构成子空间?
  2. 所有满足 f(0)=0f(0)=0 的连续函数是否构成子空间?
  3. {1,t,t2,…}\{1,t,t^2,\ldots\} 的有限线性组合能否恰好表示 ete^t?

解答:1. 否,乘以 −1-1 不封闭。2. 是,边界条件对线性组合保持。3. 不能,有限组合仍是多项式。它们可以在恰当的极限意义下逼近 ete^t,但“张成”通常只允许有限组合;加入极限后形成的闭线性张成是另一个概念。

几何伴读#

3Blue1Brown:线性组合、张成与基。先看不同方向能到达哪些点,再做子空间练习。


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线性代数 01|向量、线性组合与空间
https://f1yingwhite.github.io/posts/数学/线性代数教程/01-向量、线性组合与空间/
作者
F1yingWhite
发布于
2026-11-03
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0