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ベクトルの基本演算md cbe8725
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ベクトルの基本演算きほんえんざん

mathlinear-algebraundergraduatelecture

Basic operations on vectorsベクトル

1導入どうにゅう

この講義こうぎ重要じゅうようなのは、ベクトルを矢印やじるしとしてだけでなく、成分せいぶんcomponent計算対象けいさんたいしょうとしてあつかうことである。

線型代数せんけいだいすうでは、ベクトルの、スカラーばい線型結合せんけいけつごうlinear combinationがすべての入口いりぐちになる。図形的ずけいてき意味いみだけでなく、成分せいぶんcomponentごとの計算けいさんとして実行じっこうできることが必要ひつようである。

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1Introduction

The essential point is to treat a vectorベクトル not only as an arrow but also as an object with ordered components成分せいぶん that can be calculated. Vector addition, subtraction, scalar multiplicationスカラー倍, and linear combinations線型結合せんけいけつごう are the entry point to linear algebra.

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2用語ようご定義ていぎ

ベクトルVector とは、複数ふくすうかず順序じゅんじょつきでならべた対象たいしょうである。Rn のベクトルは

v=(v1v2vn)

あらわす。

れいベクトルZero vector とは、全成分ぜんせいぶんが 0 のベクトルであり、加法かほう基準きじゅんになる。

標準基底ひょうじゅんきていStandard basis とは、Rn で 1 つの成分せいぶんcomponentだけが 1、ほかが 0 のベクトルからなる基底きていbasisである。

れつベクトルColumn vector成分せいぶんcomponentたてならべたベクトルであり、ぎょうベクトルRow vector成分せいぶんcomponentよこならべたベクトルである。行列ぎょうれつmatrixとのせきではかたちとサイズ条件じょうけん重要じゅうようになる。

スカラーScalar とは、ベクトルを拡大かくだい縮小しゅくしょうする係数けいすうcoefficientである。ここでは実数じっすうreal number基本きほんにする。

線型結合せんけいけつごうLinear combination とは、ベクトルにスカラーをけてくわえた c1v1++ckvkかたちである。

2Terms and definitions

A vector in Rn is an ordered list of numbers, written as

v=(v1v2vn).

The zero vector零ベクトル has all components equal to 0 and is the additive identity. The standard basis標準基底ひょうじゅんきてい of Rn consists of vectors with one component equal to 1 and the others equal to 0.

A column vectorれつベクトル lists components vertically, while a row vectorぎょうベクトル lists them horizontally. Shape matters when multiplying by matrices.

A scalarスカラー is a coefficient used to scale a vector. A linear combination線型結合せんけいけつごう has the form

c1v1++ckvk.

3方針ほうしん

まず 2 次元じげんdimension成分せいぶんcomponentごとの計算けいさん確認かくにんし、そのあと n 次元じげんdimension拡張かくちょうする。線型代数せんけいだいすうでは、次元じげんdimension増加ぞうかしても規則きそく成分せいぶんcomponentごとのまま維持いじされる。

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

ベクトルのは、移動いどうつづけて実行じっこうすることに対応たいおうする。スカラーばいは、おな方向ほうこう移動量いどうりょう変更へんこうすることに対応たいおうする。

成分表示せいぶんひょうじでは、この操作そうさoperation各座標かくざひょう別々べつべつ実行じっこうする。したがって、ベクトル演算えんざん複雑ふくざつ規則きそくではなく、座標軸ざひょうじくごとの同型どうけい計算けいさんである。

5厳密げんみつ説明せつめい

u=(u1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],un)Tv=(v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],vn)T とする。ベクトルの

u+v=(u1+v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],un+vn)T
u-v=(u1-v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],un-vn)T

定義ていぎする。スカラー cたいして

cu=(cu1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],cun)T

である。この定義ていぎにより、とスカラーばい同時どうじあつかえる。たとえば

c1v1+c2v2

は、2 ほんのベクトルを係数けいすうcoefficientつきで合成ごうせいした線型結合せんけいけつごうlinear combinationである。

3Strategy

First check component-wise calculations in two dimensions次元じげん, then extend the same rule to n dimensions. In linear algebra, increasing the dimension does not change the rule: each coordinate is handled in the same way.

4Intuitive explanation

Adding vectors corresponds to performing displacements one after another. Scalar multiplicationスカラー倍 changes the amount of displacement in the same direction.

In component notation, these operations are carried out separately on each coordinate. Thus vector operations are not a new complicated rule; they are parallel calculations along the coordinate axes.

5Precise explanation

For u=(u1,,un)T and v=(v1,,vn)T, vector addition and subtraction are defined by

u+v=(u1+v1,,un+vn)T,
u-v=(u1-v1,,un-vn)T.

For a scalar c,

cu=(cu1,,cun)T.

These definitions make addition and scalar multiplication work together. For example,

c1v1+c2v2

is a linear combination線型結合せんけいけつごう of two vectors with chosen coefficients係数けいすう.

6具体例ぐたいれい

u=(1,2)Tv=(3,-1)T とする。このとき

u+v=(4,1)T,u-v=(-2,3)T

である。また

2u-3v=2(1,2)T-3(3,-1)T=(-7,7)T

となる。この計算けいさんでは、第一成分だいいちせいぶん第二成分だいにせいぶん独立どくりつindependent処理しょりしている。

6Worked example

Let u=(1,2)T and v=(3,-1)T. Then

u+v=(4,1)T,u-v=(-2,3)T,

and

2u-3v=2(1,2)T-3(3,-1)T=(-7,7)T.

The first and second components are processed independently. Also, if e1=(1,0)T and e2=(0,1)T, then (a,b)T=ae1+be2.

7よくある誤解ごかい

  • ベクトルをてんそのものと同一視どういつししない。てん位置いちであり、ベクトルは移動量いどうりょう成分せいぶんcomponentあらわ対象たいしょうである。
  • 次元じげんdimension増加ぞうかしても、とスカラーばい規則きそく成分せいぶんcomponentごとである。
  • 線型結合せんけいけつごうlinear combinationたんなるざんではなく、係数けいすうcoefficient自由じゆう選択せんたくして方向ほうこう合成ごうせいする操作そうさoperationである。

7Common misunderstandings

  • Do not identify a vector with a point without context. A point is a position; a vector represents displacement or components.
  • Increasing the dimension does not change the rules: addition and scalar multiplication remain component-wise.
  • A linear combination線型結合せんけいけつごう is not just ordinary addition; the coefficients are freely chosen and determine how directions are combined.

8どこまで成立せいりつするか

ここでは実数じっすうreal numberをスカラーにした。スカラーを複素数ふくそすうcomplex numberにすると複素ふくそcomplexベクトル空間くうかんになる。基本演算きほんえんざんかたちおなじだが、内積ないせきinner product角度かくどでは共役きょうやくあつかいが必要ひつようになる。

8Scope

This page uses real scalars. With complex scalars the basic operations have the same form, but inner products and angles require conjugation.

9最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]u+v=(u1+v1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],un+vn)T
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]cu=(cu1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],cun)T
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]c1v1++ckvkが線型結合である
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=v1e1++vnen(standardbasis)

9Final forms

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]u+v=(u1+v1,,un+vn)T
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]cu=(cu1,,cun)T
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]c1v1++ckvkisalinearcombination
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=v1e1++vnen(standardbasis)

10一言ひとことでいうと

  • ベクトルの基本演算きほんえんざんは、成分せいぶんcomponentごとの計算けいさんとして実行じっこうされ、線型結合せんけいけつごうlinear combination後続こうぞく基底きていbasis階数かいすうrank入口いりぐちになる。

10In one sentence

Basic vector operations are performed component by component, and linear combinations線型結合せんけいけつごう become the entry point to bases and rank階数かいすう.

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