线性代数中的几何图形

线性代数中,比如某 2 维的向量,如果乘上系数,就可以表示它所在的、过原点的直线:

而有两个 2 维的线性无关向量,通过它们的线性组合就可以表示整个

但如果我们不感兴趣过原点的直线和整个,而是别的一些几何图形,比如过的直线(不过原点),或者以为两端的线段,或者围成的多边形,甚至一些曲线,那么线性代数能够帮到我们吗?

上述几何图形其实就是的一部分,因此只需要对系数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 过的直线

如果限制,即令:

那么就表示过的直线:

1.2 包含的平面

如果再增加,还是限制系数之和为 1,即令:

此时代表什么呢?可以这么来看,当的时候,得到的还是过的直线:

然后令,那么会得到与上述直线平行的直线:

不断变换会得到所有平行直线,最终填满整个。所以此时的代表了包含的平面,也就是

当然上述作法在中没有必要,但是在中就可以轻松表示包含的平面:

2 线段和封闭区域
2.1 端点为的线段

如果除了限制外,还要求系数都大于等于 0,即令:

那么就表示端点为的线段:

2.2 围成的封闭区域

如果再增加,即令:

的时候,得到的还是端点为的线段:

然后令,那么会得到下面的线段:

不断变换最终会填满围成的封闭区域。所以此时的代表了围成的封闭区域:

2.3 凸包

如果再增加一个,即令:

那么表示的不是像下面这样凹进去的图像:

它表示的是包含这 4 个点的凸出的图像:

用数学的语言就是,表示的由以及构成的凸包,这也是一个重要的概念,在凸优化中会用到。

3 贝塞尔曲线

如下的以及会构成一个凸包:

如果像下面这样对系数进行限制:

那么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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