线代第三章向量第一节:n维向量及其运算

n 维向量及其运算

n 维向量是线性代数的核心基础概念之一,也是 AI 领域中数据表示、特征提取、模型计算 的核心载体(例如机器学习中用 n 维向量表示样本的特征)。以下从定义、核心运算、运算性质、应用场景四个维度展开,结合推导和示例进行详细讲解。

一、n 维向量的定义

1. 基本定义

由 n 个实数 a1​,a2​,...,an​ 组成的有序数组,称为 n 维实向量,记作:

  • 前者称为 n 维列向量(默认形式,与矩阵运算兼容性更好);
  • 后者称为 n 维行向量(列向量的转置);
  • ai 称为向量 α 的第 i 个分量(或坐标)。

2. 特殊向量

3. 向量相等的条件

两个 n 维向量 α=(a1​,a2​,...,an​)T 和 β=(b1​,b2​,...,bn​)T 相等,当且仅当对应分量全部相等,即:

二、n 维向量的核心运算

n 维向量的运算分为 ** 线性运算(加法、数乘)和非线性运算(内积、范数)** 两大类,其中线性运算是向量空间的基础,内积和范数则是度量向量关系的核心工具。

1. 线性运算:加法与数乘

(1)向量加法

定义:设两个 n 维列向量 α=(a1​,a2​,...,an​)T,β=(b1​,b2​,...,bn​)T,则它们的和为:

(3)线性运算的性质

设 α,β,γ 为 n 维向量,k,l 为实数,则满足以下 8 条运算律(构成向量空间的核心条件):

  1. 交换律:α+β=β+α
  2. 结合律:(α+β)+γ=α+(β+γ)
  3. 零向量存在:α+0=α
  4. 负向量存在:α+(−α)=0
  5. 数乘单位律:1⋅α=α
  6. 数乘结合律:k(lα)=(kl)α
  7. 数乘分配律 1:k(α+β)=kα+kβ
  8. 数乘分配律 2:(k+l)α=kα+lα
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