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Ch01 · 向量 · 一页信息图

一句话总纲: 向量 = 装在空间里、有大小 (范数) 有方向 (单位化)、能相乘 (点/叉积)、能换尺子 (基/对偶) 的箭头。


一 · 知识拓扑图

flowchart TB
    A["向量空间
10 条公理
封闭性 = 灵魂"] --> B["子空间
必过原点"]
    A --> C["向量性质
模长·方向·相等"]
    C --> D["单位向量
归一化 v̂ = v/‖v‖"]
    C --> E["平行 ∥
正交 ⊥"]
    C --> F["线性无关
贡献新方向"]
    F --> G["范数 ‖·‖
L1 / L2 / L∞"]
    G --> H["度量 d(u,v)
=‖u-v‖"]
    E --> I["向量积"]
    I --> J["点积 a·b
=‖a‖‖b‖cosθ"]
    I --> K["叉积 a×b
=‖a‖‖b‖sinθ · n̂
仅 3D"]
    J --> L["余弦相似度
投影 proj_b(a)"]
    F --> M["基
无关 + 张成"]
    M --> N["基变换 P
P 的列 = 新基旧坐标"]
    N --> O["对偶空间 V*
P⁻¹ 的行 = 读新坐标的规则"]
    D --> M
    B --> P["PCA 主成分"]
    L --> Q["嵌入/注意力"]
    O --> Q
    O --> P

    classDef core fill:#2d3748,color:#fff,stroke:#1a202c
    classDef ml fill:#c53030,color:#fff,stroke:#742a2a
    class A,M core
    class P,Q ml

二 · 符号首现四件套

在读下面公式表之前, 先定义两个后面会用到的符号:

  • \(\delta_{ij}\) — Kronecker 记号 (克罗内克 delta): 当 \(i=j\) 时取 1, 否则取 0。例: \(\delta_{22}=1\), \(\delta_{13}=0\)。
  • \(P\), \(P^{-1}\) — 基变换矩阵及其逆: \(P\) 的第 \(j\) 列 = 新基向量 \(\mathbf{b}_j\) 在旧基下的坐标; \(P^{-1}\) 的第 \(i\) 行 = 对偶基 \(\mathbf{b}_i^\ast\), 作用于旧坐标向量得到第 \(i\) 个新坐标。口诀: "\(P\) 的列是新基, \(P\) 把新坐标搬回旧描述。" 关系式 \(\mathbf{v}_{旧}=P\mathbf{v}_{新}\), \(\mathbf{v}_{新}=P^{-1}\mathbf{v}_{旧}\)。

三 · 核心公式速查表

概念 公式 输入→输出 数字例子 关键约束
L2 范数 \(\|\mathbf{v}\|_2 = \sqrt{\sum v_i^2}\) 向量→标量 ≥0 \(\|(3,4)\|_2=\sqrt{9+16}=5\) 齐次 · 三角不等式
L1 范数 \(\|\mathbf{v}\|_1 = \sum \|v_i\|\) 向量→标量 ≥0 \(\|(3,-4)\|_1=3+4=7\) 曼哈顿
L∞ 范数 \(\|\mathbf{v}\|_\infty = \max \|v_i\|\) 向量→标量 ≥0 \(\|(3,-4)\|_\infty=4\) 只看最大分量
归一化 \(\hat{\mathbf{a}} = \mathbf{a}/\|\mathbf{a}\|\) 向量→单位向量 \((3,4)/5=(0.6,0.8)\) \(\mathbf{a}\ne\mathbf{0}\)
点积 \(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b} = \sum a_i b_i = \|\mathbf{a}\|\|\mathbf{b}\|\cos\theta\) 2 向量→标量 \((1,2)\cdot(3,4)=3+8=11\) 任意维度
投影 \(\text{proj}_\mathbf{b}(\mathbf{a}) = \dfrac{\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}}{\|\mathbf{b}\|^2}\mathbf{b}\) 2 向量→向量 \((1,0)\) 到 \((1,1)\): \(\tfrac{1}{2}(1,1)\) \(\mathbf{b}\ne\mathbf{0}\)
余弦相似度 \(\cos\theta = \dfrac{\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}}{\|\mathbf{a}\|\|\mathbf{b}\|}\in[-1,1]\) 2 向量→标量 \((1,0),(1,1)\): \(\tfrac{1}{\sqrt 2}\approx 0.707\) 忽略模长
叉积 \(\mathbf{a}\times\mathbf{b}=(a_2b_3{-}a_3b_2,\ a_3b_1{-}a_1b_3,\ a_1b_2{-}a_2b_1)\) 2 向量→向量 \((1,0,0)\times(0,1,0)=(0,0,1)\) 仅 3D; 反交换
标量三重积 \(\mathbf{a}\cdot(\mathbf{b}\times\mathbf{c})\) = 平行六面体体积 3 向量→标量 \(\hat{\imath}\cdot(\hat{\jmath}\times\hat{k})=1\) =0 ⇔ 共面
E1 · 基变换 \(\mathbf{v}_{旧}=P\mathbf{v}_{新}\), \(\mathbf{v}_{新}=P^{-1}\mathbf{v}_{旧}\); \(P\) 的第 \(j\) 列 = 新基 \(\mathbf{b}_j\) 在旧基下坐标 新坐标↔旧坐标 新基 \(\mathbf{b}_1{=}(1,1),\mathbf{b}_2{=}(1,-1)\), $$
P{=}\begin{smallmatrix}1&1\1&-1\end{smallmatrix}
$$; 旧 \((2,0)\to\) 新 \((1,1)\) \(\det P\ne 0\)
E2 · 对偶配对 \(\mathbf{b}_i^\ast(\mathbf{b}_j)=\delta_{ij}\); \(P^{-1}\) 的第 \(i\) 行 = 对偶基 \(\mathbf{b}_i^\ast\) (读第 \(i\) 个新坐标的规则) 旧坐标向量→单个新坐标分量 上例 $$
P^{-1}{=}\tfrac{1}{2}\begin{smallmatrix}1&1\1&-1\end{smallmatrix}
$$, 第 1 行 \(\tfrac{1}{2}(1,1)\) 作用于 \((2,0)\) 得新坐标 \(b_1\) = 1 校准规则

四 · 概念对比矩阵

维度 点积 · 叉积 × L1 L2 L∞
输出 标量 向量 标量 标量 标量
维度限制 任意 n 仅 3D 任意 n 任意 n 任意 n
交换律 ✅ \(a\cdot b=b\cdot a\) ❌ \(a\times b=-(b\times a)\) — — —
几何量 \(\cos\theta\)·对齐度 \(\sin\theta\)·面积 街区距离 直线距离 最大偏差
对大分量 — — 平权 主导 完全主导
典型 ML 用途 相似度/注意力 QK 3D 几何/法向量 Lasso/稀疏 Ridge/kNN 最坏情况约束
特性 平行 ∥ 正交 ⊥ 线性相关 线性无关
条件 \(\mathbf{a}=k\mathbf{b}\) \(\mathbf{a}\cdot\mathbf{b}=0\) 可被其他线性组合出 无法被其他表达
点积 \(\pm\|\mathbf{a}\|\|\mathbf{b}\|\) 0 — —
信息 无新方向 完全独立 冗余 各贡献新维
ML 含义 特征重复 理想特征 过采样偏差 有效基
基类型 标准基 \(\hat{\imath},\hat{\jmath}\) 一般基 \(\mathbf{b}_1,\mathbf{b}_2\) 单位正交基
读坐标 (新坐标) 的规则 分量本身 必须用 \(P^{-1}\) 的行 (对偶基) 点乘旧坐标向量 可直接用新基向量点乘
对偶基 = 自己 \(P^{-1}\) 的第 \(i\) 行, 一般 ≠ 第 \(i\) 个新基向量本身 自己
陷阱风险 无 高 (常把 \(\mathbf{b}_i\) 自己当尺子) 无

五 · 应用场景速览

  1. kNN / 检索 — 距离度量选型: L2 惩罚大差、L1 抗离群、余弦忽略长度只比方向 → 文本/嵌入首选。
  2. PCA 降维 — 找一组新基 (主成分), 使坐标轴对齐方差最大方向; 数据其实住在低维子空间。
  3. 注意力机制 — Q·K 点积 = 查询与键的方向对齐度; 本质是一组向量在"另一组尺子 (对偶)"上的读数。
  4. 正则化 — L1 正则化诱导稀疏解 (Lasso); L2 正则化诱导平滑解 (Ridge); 对应范数几何: 菱形 vs 圆。
  5. 图像/音频/多项式 — 全部套进向量空间公理: \(28\times28\) 像素 = \(\mathbb{R}^{784}\), 44.1kHz·1s 音频 = \(\mathbb{R}^{44100}\)。

六 · 易错点红旗清单

# 陷阱 反例 正确姿势 一句话为什么
🚩1 误把偏离原点的平面当子空间 平面 \(z=1\) 不含 \(\mathbf{0}\) → 非子空间 子空间必过原点 子空间要对加法/数乘封闭, 特别是 \(0\cdot\mathbf{v}=\mathbf{0}\) 必须在集合内, 平面 \(z=1\) 直接违反
🚩2 用基向量自己点积去读非正交基下的坐标 新基 \(\mathbf{b}_1{=}(1,1),\mathbf{b}_2{=}(1,-1)\), 旧坐标 \((3,2)\): \(\mathbf{b}_1\cdot(3,2)=5\), 但真新坐标是 \(2.5\) 用 \(P^{-1}\) 的第 \(i\) 行 (对偶基) 点乘旧坐标向量, 才得到第 \(i\) 个新坐标 只有单位正交基满足"基向量 = 对偶基"; 一般基下 \(\mathbf{b}_i^\ast\) (即 \(P^{-1}\) 的第 \(i\) 行) 一般 ≠ \(\mathbf{b}_i\), 用 \(\mathbf{b}_i\) 自己读会串扰其他分量
🚩3 在非 3D 用叉积 \(\mathbb{R}^2\) 或 \(\mathbb{R}^4\) 无叉积 叉积仅 3D; 一般化用外积/楔积 叉积的公式依赖 3 维行列式结构和"右手法则法向量", 换维度这个结构就没了, 只有外积 \(\wedge\) 是通用的
🚩4 假设叉积交换/结合 认为 \(a\times b=b\times a\) 反交换 \(a\times b=-b\times a\); 不结合 \((a\times b)\times c \ne a\times(b\times c)\) 叉积由行列式定义, 交换两行变号; 结合律需要外代数, 三重叉积展开有余项 \((a\times b)\times c=(a\cdot c)b-(b\cdot c)a\)
🚩5 对存在离群大分量的向量随手选 L2 一个 \(10^4\) 差值淹没其他所有差 有离群 → L1; 要方向 → 余弦; 要最坏 → L∞ L2 对分量做平方, 大分量的贡献按二次方放大, 单个离群就能主导整个距离, 让 kNN/聚类失真

阅读源: zh/第01章 - 向量/01–05.md (共 677 行) · 十条公理 · 三条范数公理 · 四条度量公理 · \(\delta_{ij}\) 校准 · \(P^{-1}P=I\)