2用語と定義
ベクトル とは、複数の数を順序つきで並べた対象である。\mathbb R^n のベクトルは
v=\begin{pmatrix}v_1\\v_2\\ \vdots\\ v_n\end{pmatrix}
と表す。
零ベクトル とは、全成分が 0 のベクトルであり、加法の基準になる。
標準基底 とは、\mathbb R^n で 1 つの成分だけが 1、他が 0 のベクトルからなる基底である。
列ベクトル は成分を縦に並べたベクトルであり、行ベクトル は成分を横に並べたベクトルである。行列との積では形とサイズ条件が重要になる。
スカラー とは、ベクトルを拡大・縮小する係数である。ここでは実数を基本にする。
線型結合 とは、ベクトルにスカラーを掛けて加えた c_1v_1+\cdots+c_kv_k の形である。
2Terms and definitions
A vector in \mathbb R^n is an ordered list of numbers, written as
v=\begin{pmatrix}v_1\\v_2\\\vdots\\v_n\end{pmatrix}.
The zero vector has all components equal to 0 and is the additive identity. The standard basis of \mathbb R^n consists of vectors with one component equal to 1 and the others equal to 0.
A column vector列れつベクトル lists components vertically, while a row vector行ぎょうベクトル 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
c_1v_1+\cdots+c_kv_k.
3方針ほうしん
まず 2 次元じげんdimensionで成分せいぶんcomponentごとの計算けいさんを確認かくにんし、そのあと n 次元じげんdimensionへ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が増加ぞうかしても規則きそくは成分せいぶんcomponentごとのまま維持いじされる。
4直感的ちょっかんてきな説明せつめい
ベクトルの和わは、移動いどうを続つづけて実行じっこうすることに対応たいおうする。スカラー倍ばいは、同おなじ方向ほうこうの移動量いどうりょうを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を各座標かくざひょうで別々べつべつに実行じっこうする。したがって、ベクトル演算えんざんは複雑ふくざつな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な計算けいさんである。
5厳密げんみつな説明せつめい
u=(u_1,\dots,u_n)^T、v=(v_1,\dots,v_n)^T とする。ベクトルの和わと差さは
u+v=(u_1+v_1,\dots,u_n+v_n)^T
u-v=(u_1-v_1,\dots,u_n-v_n)^T
で定義ていぎする。スカラー c に対たいして
cu=(cu_1,\dots,cu_n)^T
である。この定義ていぎにより、和わとスカラー倍ばいが同時どうじに扱あつかえる。たとえば
c_1v_1+c_2v_2
は、2 本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=(u_1,\ldots,u_n)^T and v=(v_1,\ldots,v_n)^T, vector addition and subtraction are defined by
u+v=(u_1+v_1,\ldots,u_n+v_n)^T,
u-v=(u_1-v_1,\ldots,u_n-v_n)^T.
For a scalar c,
cu=(cu_1,\ldots,cu_n)^T.
These definitions make addition and scalar multiplication work together. For example,
c_1v_1+c_2v_2
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)^T、v=(3,-1)^T とする。このとき
u+v=(4,1)^T,\qquad 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と第二成分だいにせいぶんを独立どくりつindependentに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,
\qquad
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 e_1=(1,0)^T and e_2=(0,1)^T, then (a,b)^T=ae_1+be_2.
9最終形さいしゅうけい
\boxed{u+v=(u_1+v_1,\dots,u_n+v_n)^T}
\boxed{cu=(cu_1,\dots,cu_n)^T}
\boxed{c_1v_1+\cdots+c_kv_k\text{ が線型結合である}}
\boxed{v=v_1e_1+\cdots+v_ne_n\quad(\text{standard basis})}
9Final forms
\boxed{u+v=(u_1+v_1,\ldots,u_n+v_n)^T}
\boxed{cu=(cu_1,\ldots,cu_n)^T}
\boxed{c_1v_1+\cdots+c_kv_k\text{ is a linear combination}}
\boxed{v=v_1e_1+\cdots+v_ne_n\quad(\text{standard basis})}