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线性代数中的几何图形

线性代数中,比如某 2 维的向量\boldsymbol{v}_1,如果乘上系数k_1\in\mathbb{R},就可以表示它所在的、过原点的直线:

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而有两个 2 维的线性无关向量\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2,通过它们的线性组合k_1\boldsymbol{v}_1+k_1\boldsymbol{v}_2,k_1,k_2\in\mathbb{R}就可以表示整个\mathbb{R^2}

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但如果我们不感兴趣过原点的直线和整个\mathbb{R}^2,而是别的一些几何图形,比如过\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2的直线(不过原点),或者以\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2为两端的线段,或者\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2\boldsymbol{v}_3\boldsymbol{v}_4围成的多边形,甚至一些曲线,那么线性代数能够帮到我们吗?

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上述几何图形其实就是\mathbb{R^2}的一部分,因此只需要对系数k_i进行一些限制就可以办到,下面来具体解释下(本文不进行具体的推导了,只进行一些介绍)。

1 直线和平面
1.1 过\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2的直线

如果限制k_1+k_2=1,即令:

\boldsymbol{v}=k_1\boldsymbol{v}_1+k_2\boldsymbol{v}_2,\quad k_1+k_2=1

那么\boldsymbol{v}就表示过\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2的直线:

1.2 包含\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2\boldsymbol{v}_3的平面

如果再增加\boldsymbol{v}_3,还是限制系数之和为 1,即令:

\boldsymbol{v}=k_1\boldsymbol{v}_1+k_2\boldsymbol{v}_2+k_3\boldsymbol{v}_3,\quad k_1+k_2+k_3=1

此时\boldsymbol{v}代表什么呢?可以这么来看,当k_3=0的时候,得到的还是过\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2的直线:

然后令k_3=1k_3=3,那么会得到与上述直线平行的直线:

不断变换k_3会得到所有平行直线,最终填满整个\mathbb{R}^2。所以此时的\boldsymbol{v}代表了包含\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2\boldsymbol{v}_3的平面,也就是\mathbb{R}^2

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当然上述作法在\mathbb{R}^2中没有必要,但是在\mathbb{R}^3中就可以轻松表示包含\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2\boldsymbol{v}_3的平面:

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2 线段和封闭区域
2.1 端点为\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2的线段

如果除了限制k_1+k_2=1外,还要求系数都大于等于 0,即令:

\boldsymbol{v}=k_1\boldsymbol{v}_1+k_2\boldsymbol{v}_2,\quad k_1+k_2=1,k_{1,2}\ge 0

那么\boldsymbol{v}就表示端点为\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2的线段:

2.2 \boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2\boldsymbol{v}_3围成的封闭区域

如果再增加\boldsymbol{v}_3,即令:

\boldsymbol{v}=k_1\boldsymbol{v}_1+k_2\boldsymbol{v}_2+k_3\boldsymbol{v}_3,\quad k_1+k_2+k_3=1,k_{1,2,3}\ge 0

k_3=0的时候,得到的还是端点为\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2的线段:

然后令k_3=0.4k_3=0.8,那么会得到下面的线段:

不断变换k_3最终会填满\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2\boldsymbol{v}_3围成的封闭区域。所以此时的\boldsymbol{v}代表了\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2\boldsymbol{v}_3围成的封闭区域:

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2.3 凸包

如果再增加一个\boldsymbol{v}_4,即令:

\boldsymbol{v}=k_1\boldsymbol{v}_1+k_2\boldsymbol{v}_2+k_3\boldsymbol{v}_3+k_4\boldsymbol{v}_4,\quad k_1+k_2+k_3+k_4=1,k_{1,2,3,4}\ge 0

那么\boldsymbol{v}表示的不是像下面这样凹进去的图像:

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它表示的是包含这 4 个点的凸出的图像:

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用数学的语言就是,\boldsymbol{v}表示的由\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2\boldsymbol{v}_3以及\boldsymbol{v}_4构成的凸包,这也是一个重要的概念,在凸优化中会用到。

3 贝塞尔曲线

如下的\boldsymbol{v}_1\boldsymbol{v}_2\boldsymbol{v}_3以及\boldsymbol{v}_4会构成一个凸包:

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如果像下面这样对系数进行限制:

\boldsymbol{v}=(1-t)^3\boldsymbol{v}_1+3t(1-t)^2\boldsymbol{v}_2+3t^2(1-t)\boldsymbol{v}_3+t^3\boldsymbol{v}_4,\quad 0\le t\le 1

那么\boldsymbol{v}表示的就是该凸包内的一条曲线,也称为贝塞尔曲线:

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