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工程数学

向量就是一个移动

一说"向量",你会想到箭头的图,也会想到 (3, 2) 这样的一对数。到底哪个才是真正的向量?这大概把你绕过。答案是,两个都是,而且其实是同一个东西。向量就是一个"往这个方向走这么远"的移动。把这个移动画成箭头,就是图;把它沿每条轴走多远写下来,就是一对数。只要抓住这个视角,向量加法、矩阵、后面所有的东西都会顺下来。而这一讲,会揭开第5讲悄悄用过的那个"î, ĵ"到底是什么。

把向量看成一个"移动"。(3, 2) 的意思是"向右走3格,向上走2格"。拖动箭头看看。旁边那对数也跟着一起变。反过来改数字,箭头就动。箭头和那对数,只是把同一道指令写成了两种样子。看图直观,写成数好算。哪个顺手就用哪个。能在两者之间自由切换,就是第一步。

v
v = (3, 2)
拖动箭头,数对跟着变

向量相加会怎样?就是把移动接起来。先走 a,再从那儿走 b,最后落到的地方就是 a + b。把箭头首尾相接看看:让 b 从 a 的末端出发,从最初的起点到 b 的末端,就是和。用数就更简单了——按分量相加就行。(3,2)+(1,4) 就是 (4,6)。把移动接起来,这就是向量加法的全部。

aa+b
(2,1) + (1,2) = (3,3)
拖动 a、b 的末端

给向量乘一个数会怎样?方向不变,只有距离变。乘2就走两倍远,乘0.5就走一半,方向都一样。乘负数呢?长度不变,翻到正相反的方向去。用滑块拖那个乘数看看。箭头在同一条直线上,伸长、缩短、翻转。给向量乘个数,就是"方向留着,只调距离"。

s1.5
s·v = (2.3, 1.5)
拖 s:方向不变,只有距离变

现在是核心。准备两支基本箭头:向右一格的 î,向上一格的 ĵ。光把这两个拉伸、相加,你就能到达平面上的任何一点。(3, 2) 呢?就是3个 î 加2个 ĵ,也就是 3î + 2ĵ。拖动目标点看看。你会看到那个点是由"几个 î 加几个 ĵ"拼出来的。平面上的每一个向量,说到底就是一份配方:多少个 î 加多少个 ĵ。第5讲说矩阵只要知道 î 和 ĵ 去哪儿就行,正是因为这个——每个点都是 î 和 ĵ 的组合。

îĵv
v = 3î + 2ĵ
拖动目标点,看 î·ĵ 的配方

那用 î 和 ĵ 能走到多远?整个平面。这就是"二维空间"这个词的意思:用两个不同的方向组合,能到达的所有点。要是你那两个方向都是横着、并排的呢?不管你怎么加、怎么拉,也只能拼出一条横的直线。填不满平面。用切换把两个方向变成平行的看看。平面缩成了一条线。所以空间就是"你的方向能到达的所有点",只有当方向彼此独立时,整个平面才豁然打开。(这个"一平行就被压扁",跟第6讲的行列式为0是连着的。)

独立 → 整个平面
实际应用向量,既是一个移动,也是一串数字。看图方便就用箭头,算的时候就用数字。加法是把移动接起来,乘法是调距离。而最重要的是:任何向量都是基本方向的组合(多少个 î 加多少个 ĵ)。用几个基本方向把一切搭出来——这个想法,是整个线性代数的种子,也是第5讲那个矩阵只用追 î 和 ĵ 的原因。在工程里,向量装着位置、速度、力、RGB 颜色、一个数据点,凡是好几个数捆成一束一起动的东西,都用它来装。
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