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線性代數(shù)筆記06 | 通過2D到1D的線性轉(zhuǎn)化和投影可視化理解向量間的點(diǎn)積

Linear Algebra Note 06 - Dot Products and Duality

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此篇筆記是「線性代數(shù)筆記」系列的第6篇,記錄了「3Blue1Brown」「Essence of linear algebra」系列課程的第9章內(nèi)容,討論了線性代數(shù)中「點(diǎn)積的概念」,強(qiáng)調(diào)了它們的「幾何解釋」以及「與線性變換的聯(lián)系」,以及「點(diǎn)積與投影之間的關(guān)系」;最后介紹了「對(duì)偶性」的概念,強(qiáng)調(diào)了「向量和線性變換之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系」。

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1. Intro to Dot Products

Numerical Computation

Numerically, the 「dot product of two vectors with the same dimensions」 involves 「pairing up coordinates」, 「multiplying them」, and 「adding the results」.
在數(shù)值上,「兩個(gè)維數(shù)相同的向量的點(diǎn)積」涉及「配對(duì)坐標(biāo)」, 「相乘并將其結(jié)果相加」

Geometric Interpretation (as Projections)

Geometrically, it represents 「the projection of one vector onto another」.
在幾何上,它表示「一個(gè)向量在另一個(gè)向量上的投影」

  • imagine 「projecting」 「onto the line」 that 「passes through the origin and the tip of  
    想象將向量 「投影」「過原點(diǎn)和向量 終點(diǎn)」「直線上」
  • 「Multiplying」 the 「length of this projection of by the 「length of , then get the 「dot product
    「投影的長度」「向量 的長度相乘」, 就得到了它們的「點(diǎn)積」

The Sign of the Dot Product

  • The 「dot product is positive」 when 「two vectors」 generally point in the 「same direction」,
    當(dāng)「兩個(gè)向量」大致指向「相同方向」時(shí),「點(diǎn)積是正的」
  • 「zero」 when they are 「perpendicular」,
    當(dāng)它們「垂直時(shí)」,「點(diǎn)積為零」;
  • 「negative」 when they 「point generally in opposite directions」
    當(dāng)它們大致「指向相反方向時(shí)」,「點(diǎn)積為負(fù)」

The Order of the Dot Product

「The order of dot product calculations does NOT matter」
「點(diǎn)積的計(jì)算順序無關(guān)緊要:」

2. Think Dot Products as Linear Transformations

Visual Linearity Properties

If we take 「a line of evenly spaced dots」 and 「apply a linear transformation」
如果我們有一系列「等距分布于一條直線上的點(diǎn)」,然后進(jìn)行一個(gè)「線性變換」

  • this 「linear transformation will keep those dots evenly spaced」, once they land in the 「output space」, which is 「the number line」
    「線性變換會(huì)保持這些點(diǎn)等距分布」「輸出空間中」,也就是「數(shù)軸」
  • Otherwise, if there's 「some line of dots that gets unevenly spaced」 then the 「transformation is NOT linear」
    否則,如果「這些點(diǎn)沒有等距分布」, 那么「這個(gè)變換就不是線性的」

Transformation from 2D to 1D

In this case, 「each of basis vectors」 and just 「lands on a number」.
這一次,這些「基向量」 「落在一個(gè)數(shù)上」

  • so when we record 「where they land after the transformation as the columns of a matrix」, 「each of those columns」 just has a 「single number」
    所以當(dāng)我們將它們「變換后的位置記錄為矩陣的列」時(shí),「矩陣的每列」只是「一個(gè)單獨(dú)的數(shù)」
  • so 「the transformation matrix from 2D to 1D is a 1 x 2 matrix」
    所以這個(gè)「從2D到1D的變換矩陣是一個(gè) 1×2 矩陣」

Example

If a linear transformation that takes to and to , to follow where a vector ends up

  • think of breaking up this vector as   +  .
  • A 「consequence of linearity」, is that 「after the transformation」 the vector will be:

3. Projection Matrix

「Place a number line diagonally in space」 somehow with the number 0 sitting at the origin, think of the 「two-dimensional vector」 , whose 「tips sit where the number 1 on the number line is」
「將一個(gè)數(shù)軸斜向放置在空間中」,保持 0 在原點(diǎn),現(xiàn)在考慮這樣一個(gè)「二維向量」 , 它的「終點(diǎn)落在這條數(shù)軸的 1 上」

  • If we 「project 2D vectors」 straight 「onto this diagonal number line」, in effect, we've just 「defined a function that takes 2D vectors to numbers」
    如果「將二維向量」直接「投影到這條數(shù)軸上」, 實(shí)際上, 我們就這樣「定義了一個(gè)從二維向量到數(shù)的函數(shù)」
  • this 「function is actually linear」 since it 「passes our visual test」 that 「any line of evenly spaced dots remains evenly spaced」 once 「it lands on the number line」.「這個(gè)函數(shù)是線性的」,因?yàn)樗樌?strong>「通過了線性檢驗(yàn)」,即「直線上等距分布的點(diǎn)」「投影到數(shù)軸上」「仍然等距分布」

With this 「projection」, we just 「defined a linear transformation from 2D vectors to numbers」, so we're going to be able to 「find some kind of 1 x 2 matrix that describes that transformation」
根據(jù)這個(gè)「投影」, 我們定義了一個(gè)「從二維向量到數(shù)的線性變換」, 所以我們就能夠「找到描述這個(gè)變換的 1×2 矩陣」

  • think about 「where and each land」, since 「those landing spots」 are going to be 「the columns of the Projection Matrix」
    考慮「變換后 的位置」,因?yàn)樗鼈兙褪?strong>「投影矩陣的列」

we can 「reason through it」 with 「a line of symmetry」
我們可以通過「一條對(duì)稱線」進(jìn)行「推理」

  • by symmetry, 「the number where lands when it’s projected onto that diagonal number line」 is going to be 「the x-coordinate of
    因此根據(jù)對(duì)稱性,「將 向斜著的數(shù)軸上投影所得到的數(shù)」就是 的橫坐標(biāo)」
  • the 「y-coordinate of gives us 「the number where lands when it’s projected onto the number line」.
    的縱坐標(biāo)」給出了 向斜著的數(shù)軸上投影所得到的數(shù)」

So 「the entries of the 1 x 2 matrix」 describing the 「projection transformation」 are going to be the 「coordinates of .
所以「描述投影變換」「1×2 矩陣的兩列」「分別是 的兩個(gè)坐標(biāo)」

Interpret Dot Products as projecting and scaling

「Computing this Projection Transformation」 for 「arbitrary vectors」 in space, which requires 「multiplying the Projection Matrix by those vectors」
空間中「任意向量」經(jīng)過「投影變換的結(jié)果」也就是「投影矩陣與這個(gè)向量相乘」

  • is computationally 「identical to taking a dot product with
    這和「這個(gè)向量與 的點(diǎn)積在計(jì)算上完全相同」
  • This is why 「taking the dot product with , can be interpreted as 「projecting a vector  onto the span of and then 「scaling up the length of that projection」 by 「the length of
    這就是為什么「與 的點(diǎn)積」可以解讀為「將向量 投影到 所在的直線上」然后「將投影的值」 的長度相乘」

4. Duality

Loosely speaking, 「Duality」 refers to situations where you have a natural but surprising correspondence between 「two types of mathematical thing」, for the linear algebra case 粗略地說,對(duì)偶性指的是「兩種數(shù)學(xué)事物」之間「自然而又出乎意料的對(duì)應(yīng)關(guān)系」, 對(duì)于線性代數(shù)來說

  • the 「dual of a vector」 is the 「linear transformation that it encodes」
    一個(gè)「向量的對(duì)偶」「由它定義的線性變換」
  • the 「dual of a linear transformation from space to one dimension」, is 「a certain vector in that space」
    一個(gè)「多維空間到一維空間的線性變換的對(duì)偶」「多維空間中的某個(gè)特定向量」

5. Summary

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?? Dot products are traditionally introduced early in linear algebra courses and involve multiplying coordinates and adding the results.
點(diǎn)積通常在線性代數(shù)課程的早期引入,涉及坐標(biāo)相乘然后將結(jié)果相加。

?? The dot product can be geometrically interpreted as the length of the projection of one vector onto another.
幾何上,點(diǎn)積可以解釋為一個(gè)向量在另一個(gè)向量上的投影的長度。

?? The dot product is positive when vectors point in the same direction, zero when they are perpendicular, and negative when they point in opposite directions.
當(dāng)向量指向相同方向時(shí),點(diǎn)積是正的;當(dāng)它們垂直時(shí)為零;當(dāng)它們指向相反方向時(shí)為負(fù)。

?? Order doesn't matter in dot product calculations, and the same result can be obtained by projecting the second vector onto the first.
在點(diǎn)積計(jì)算中,順序不重要,通過將第二個(gè)向量投影到第一個(gè)向量上可以得到相同的結(jié)果。

?? Dot products have a connection to linear transformations, with a numerical computation similar to matrix-vector multiplication.
點(diǎn)積與線性變換有關(guān),其數(shù)值計(jì)算類似于矩陣-向量乘法。

?? Linear transformations from higher dimensions to one dimension can be described by 1x2 matrices, and the computation is equivalent to taking a dot product.
從高維到一維的線性變換可以用1x2矩陣描述,計(jì)算等價(jià)于進(jìn)行點(diǎn)積。

?? Dot products demonstrate duality, which reveals a correspondence between vectors and linear transformations.
點(diǎn)積展示了對(duì)偶性,揭示了向量和線性變換之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

?? The dot product is a useful tool for understanding projections and vector relationships in geometry.
點(diǎn)積是在幾何中理解投影和向量關(guān)系的有用工具。

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References:

[1] https://www.3blue1brown.com/lessons/dot-products
[2] https://github.com/3b1b/videos/blob/master/_2016/eola/chapter7.py

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