線性組合、生成空間與基底向量 | 線性代數的本質,第二章:英語精讀講義

3Blue1Brown

學習難度
1,587 詞 201 詞/分

影片簡介:本課把向量座標重新理解為作用在基底向量上的純量,再透過幾何圖像說明線性組合、生成空間、線性相依與線性獨立,最後帶出基底的正式定義。 主要英語知識點: 1. linear combination(詞義與語域):理解它在數學中專指先用純量縮放向量再把結果相加,因此能準確跟上定義,而不會把 combination 當成沒有限制的一般「組合」。 2. turning two different knobs(慣用語與比喻表達):辨認「轉動兩個旋鈕」的控制器隱喻,明白每個旋鈕對應一個可自由改變的純量,並藉此想像結果如何形成直線、平面或三維空間。 3. In other words,(語篇、敘事與修辭):看出這個換句話說的標記如何把「生成空間不變」等抽象判斷改寫成等價的實際後果,並學會在技術術語與直觀解釋之間建立清楚連結。

本篇講解

In the last video, along with the ideas of vector addition and scalar multiplication, I described vector coordinates

0:11

在上部影片中,除了向量加法和純量乘法的概念外,我還介紹了向量座標,

where there's this back and forth between, 慣用語

0:17

其中存在著一種來回轉換的關係,

for example,

0:19

例如,

pairs of numbers and two-dimensional vectors.

0:20

在數字對和二維向量之間。

慣用語

back and forth:兩種表示之間的來回對應

這裡的 back and forth 不是指身體在空間中前後移動。它表示一種雙向對應:一組數可以表示一個二維向量,而這個向量也可以再用它的一組座標來描述。 更一般來說,back and forth between A and B 表示在 A 和 B 兩端之間反覆切換、交流或雙向移動。

練習

在原句中,back and forth 表示數對和二維向量之間有什麼關係?

  1. 它們會在空間中前後移動。
  2. 一種表示會永久取代另一種。
  3. 兩者可以建立關聯或進行雙向轉換。
查看答案

兩者可以建立關聯或進行雙向轉換。

Now, I imagine the vector coordinates were already familiar to a lot of you,

0:23

現在,我想你們之中很多人對向量座標已經很熟悉了,

but there's another kind of interesting way to think about these coordinates, 表達脈絡

0:27

但還有另一種有趣的方式來思考這些座標,

which is pretty central to linear algebra.

0:30

這在線性代數中處於非常核心的地位。

表達脈絡

way to think about:引出新的理解視角

在這句話中,a way to think about these coordinates 指理解這些座標的一種概念視角。說話者是在引入一種新的思考模型,而不是在說現實中的道路或一套操作步驟。 a way to think about + 主題 這個框架會先告訴聽者,接下來要出現一種新的理解方式,藉此組織後面的說明。之後的子句還可以繼續說明這個觀點為什麼重要。

練習

用本課中表示「引入概念視角」的四字英文目標表達補完整句子:One ____ climate data is as a record of long-term patterns.

查看答案

way to think about

When you have a pair of numbers that's meant to describe a vector, 文法

0:32

當你有一對用來描述向量的數字時,

文法

Be meant to describe:表示預定用途

在 be meant to + 動詞原形 結構中,meant 表示預定的目的或功能。這裡,這組數字的預定作用是描述一個向量。 可以用這個結構理解某個事物被設定的用途:X is meant to do Y。

練習

使用 be meant to 結構完成句子:This map symbol ____ show where the hospital is.

查看答案

is meant to

like 3 -2,

0:35

例如 3 和 -2,

I want you to think about each coordinate as a scalar, 文法

0:37

我希望你把每個座標都看作一個純量,

文法

Think about A as B:用一種模型理解 A

Think about A as B 是請聽者用 B 這個方式來理解 A。這裡,在目前的講解中,每個座標都被看成一個純量。 這個結構提出的是一種觀察角度或模型,並不一定斷定 A 和 B 在所有情境中都完全相同。

練習

使用 think about ... as 完成句子:In this model, ____ the computer network ____ a system of roads.

查看答案

think about · as

meaning think about how each one stretches or squishes vectors.

0:40

意思是想想它們各自是如何拉伸或壓縮向量的。

In the XY coordinate system,

0:45

在 XY 座標系中,

there are two very special vectors.

0:46

有兩個非常特殊的向量。

The one pointing to the right with length one,

0:48

一個指向右側,長度為 1,

commonly called i-hat or the unit vector in the X direction,

0:51

通常被稱為 i-hat,或者 X 方向上的單位向量,

and the one pointing straight up with length one,

0:55

另一個直指向上,長度為 1,

commonly called j-hat, or the unit vector in the Y direction.

0:57

通常被稱為 j-hat,或者 Y 方向上的單位向量。

Now, think of the X coordinate of our vector as a scalar that scales i-hat,

1:02

現在,把我們向量的 X 座標看作是一個縮放 i-hat 的純量,

stretching it by a factor of 3, 片語搭配

1:06

將其拉伸為原來的 3 倍,

片語搭配

by a factor of 3:變為原來的三倍

在這句話中,by a factor of 3 給出了拉伸時使用的倍數。每段長度都會變成原來的三倍:如果原來是 x,拉伸後就是 3x。 by a factor of n 這個結構描述的是倍數變化,計算時要以原來的量為起點。

練習

用表示「變為原來三倍」的正確倍數片語完成句子:The new machine tripled its output, so output increased ____.

查看答案

by a factor of 3

and the Y coordinate as a scalar that scales j-hat,

1:08

並把 Y 座標看作是一個縮放 j-hat 的純量,

flipping it and stretching it by a factor of 2.

1:12

將其翻轉並拉伸為原來的 2 倍。

In this sense,

1:14

從這個意義上說,

the vector that these coordinates describe

1:15

這些座標所描述的向量

is the sum of two scaled vectors.

1:18

就是兩個經過縮放的向量之和。

That's a surprisingly important concept,

1:20

這是一個出乎意料的重要概念,

this idea of adding together two scaled vectors.

1:22

即將兩個縮放後的向量相加的想法。

Those two vectors i-hat and j-hat have a special name,

1:27

順帶一提,i-hat 和 j-hat 這兩個向量

by the way.

1:29

有一個特殊的名字。

Together, they're called the basis of a coordinate system.

1:30

它們一起被稱為座標系的「基底」。

What this means basically

1:34

這基本上代表著

is that when you think about coordinates as scalars,

1:35

當你把座標看作純量時,

the basis vectors are what those scalars actually,

1:38

基底向量就是這些純量實際去,

you know, scale.

1:40

你知道,去縮放的對象。

There's also a more technical definition,

1:42

這裡還有一個更專業的定義,

but I'll get to that later.

1:44

但我稍後會講到。

By framing our coordinate system in terms of these two special basis vectors, 片語搭配

1:47

透過用這兩個特殊的基底向量來建構我們的座標系,

片語搭配

in terms of:指出所採用的表述框架

在這句話中,in terms of 引出描述座標系時採用的框架。這兩個基底向量不只是談論的主題,而是用來表示座標的基本組成部分。 更一般地說,in terms of X 可以提示聽者:接下來要把 X 當作觀察角度、變數或判斷標準。

練習

哪個表達方式說明 speed 和 time 是用來表示 distance 的變數?The formula expresses distance ___ speed and time.

  1. in terms of
  2. with regard to
  3. instead of
查看答案

in terms of

it raises a pretty interesting and subtle point. 片語搭配

1:51

帶出了一個非常有趣且微妙的觀點。

片語搭配

raise a pretty interesting and subtle point:提出一個供討論的議題

在 raise a point 中,raise 表示「提出來討論」,point 表示值得考慮的議題或想法。在本句中,這個片語說明:選擇這些基底向量會引出一個說話者接下來想探討的問題。 pretty interesting and subtle 是對這個問題的評價:在這種較口語的學術語氣中,pretty 表示「相當」,subtle 表示它不容易被察覺,或需要仔細思考。可以用 raise a point 把討論帶向一個值得注意的議題。

練習

用表示「提出一個供討論的議題」的兩個英文單字完成句子:Before we decide, I want to ____ about the cost.

查看答案

raise a point

We could have chosen different basis vectors 文法

1:54

我們完全可以選擇不同的基底向量,

and gotten a completely reasonable new coordinate system.

1:56

從而得到一個完全合理的新座標系。

文法

could have chosen ... and gotten:過去未採用的選擇及其結果

Could have + 過去分詞用來回顧過去曾經存在、但沒有採用的可能選擇。這裡的 could have chosen 表示當時可以選擇其他基底向量,而不是說話者現在有能力選擇它們。 Chosen 和 gotten 是 could have 後面並列的兩個過去分詞:we could have [chosen different basis vectors] and [gotten a new coordinate system]。同一個情態結構同時支配兩個動作,第二個動作是第一個選擇可能帶來的結果。在這種用法中,gotten 是美式英語裡 get 常見的過去分詞。

練習

哪一個句子正確回顧了過去存在但沒有採用的選擇及其可能結果?

  1. We could take the earlier train and got there before noon.
  2. We should have taken the earlier train and gotten there before noon.
  3. We could have taken the earlier train and gotten there before noon.
查看答案

We could have taken the earlier train and gotten there before noon.

For example, take some vector pointing up and to the right,

2:01

例如,拿一個指向右上方某處的向量,

along with some other vector pointing down and to the right in some way.

2:03

再加上另一個以某種方式指向右下方的向量。

Take a moment to think about all the different vectors that you can get

2:07

花點時間想一想你可以得到的所有不同向量,

by choosing two scalars,

2:10

透過選擇兩個純量,

using each one to scale one of the vectors,

2:12

分別用它們來縮放這兩個向量中的一個,

then adding together what you get.

2:15

然後把得到的結果加起來。

Which two-dimensional vectors can you reach by altering the choices of scalars?

2:17

透過改變純量的選擇,你可以得到哪些二維向量呢?

The answer is that you can reach every possible two-dimensional vector,

2:24

答案是你可以得到每一個可能的二維向量,

and I think it's a good puzzle to contemplate why.

2:28

我覺得思考一下為什麼會這樣,是個不錯的謎題。

A new pair of basis vectors like this

2:32

像這樣的一對新基底向量,

still gives us a valid way to go back and forth between pairs of numbers

2:34

仍然為我們提供了一種有效的方式,在數字對

and two-dimensional vectors,

2:38

和二維向量之間來回轉換,

but the association is definitely different from the one that you get

2:39

但這種對應關係肯定不同於你使用

using the more standard basis of i-hat and j-hat.

2:42

更標準的 i-hat 和 j-hat 基底所得到的對應關係。

This is something I'll go into much more detail on later, 片語動詞

2:46

這一點我會在以後進行更詳細的探討,

片語動詞

go into much more detail on:更深入地說明某個主題

在這句話中,go into much more detail on 表示「更深入、更詳細地討論或說明某件事」。這裡的 go into 不是指實際進入某個地方,而是指深入說明某個主題。 在 something I'll go into much more detail on later 這個結構中,something 是關係子句裡 on 在語意上承接的受詞。later 告訴聽者,更完整的說明會留到後面。

練習

用 go into + much more detail + on 完成句子:In tomorrow's meeting, we'll ____ the safety plan.

查看答案

go into much more detail on

describing the exact relationship between different coordinate systems,

2:49

描述不同座標系之間的確切關係,

but for right now, I just want you to appreciate the fact that

2:52

但就目前而言,我只希望你們能體會到這樣一個事實:

any time we describe vectors numerically,

2:55

任何時候我們用數字來描述向量,

it depends on an implicit choice of what basis vectors we're using. 片語搭配

2:57

都取決於我們隱含選擇了什麼樣的基底向量。

片語搭配

depends on an implicit choice of what ... we're using:取決於一個未明說的選擇

Depends on 表示某件事由另一件事決定或受到它的影響。An implicit choice 指一個雖然沒有被明確說出、卻實際發揮作用的選擇;它不一定是隨意的,也不代表不重要。 what basis vectors we're using 這部分具體說明了這個隱藏選擇的內容。這裡的重點是,數值描述會隨著所選基底向量而改變,因此它並不獨立於這個未明說的設定。

練習

在句子 'The result depends on an implicit choice of coordinate system,' 中,'implicit choice' 是什麼意思?

  1. 一個粗心而隨意做出的選擇
  2. 一個對結果沒有任何影響的選擇
  3. 一個會影響結果、但沒有被直接說明的選擇
查看答案

一個會影響結果、但沒有被直接說明的選擇

So, any time that you're scaling two vectors and adding them like this,

3:02

那麼,任何時候你像這樣縮放兩個向量並把它們相加,

it's called a linear combination of those two vectors. 用詞

3:05

就被稱為這兩個向量的「線性組合」。

用詞

線性組合

線性組合是指先用純量,也就是一般的數字,分別乘以每個向量,再把所得向量相加。在本句中,「將兩個向量乘上純量再相加」就是這個術語的定義。 這個概念不限於兩個向量:多個向量的線性組合可寫成 a₁v₁ + ... + aₙvₙ。這裡的 linear 指這種「倍乘後相加」的規則,不只是指空間中畫出的一條直線。

練習

用表示「將向量乘上純量後再相加」的數學術語完成句子:After multiplying two vectors by scalar numbers and adding the results, you get a ____ of the original vectors.

查看答案

linear combination

Where does this word linear come from?

3:11

「線性」這個詞從何而來?

Why does this have anything to do with lines? 片語搭配

3:12

為什麼它會和線(lines)扯上關係?

片語搭配

與……有任何關係

表達 have anything to do with 用來詢問一件事是否以任何方式與另一件事有關。在 Why does this have anything to do with lines? 中,說話人是在質疑這種關聯,而不是說這種關聯已經獲得證明。 結構是 have + anything + to do with + 名詞或話題。在疑問句和否定句中,anything 表示即使只有很小的關聯也算。

練習

用表示「以任何方式與……有關」的目標表達完成問題:Does this symbol ____ the answer?

查看答案

have anything to do with

Well, this isn't the etymology,

3:14

嗯,這不是詞源學上的解釋,

but one way I like to think about it is that 表達脈絡

3:16

但我喜歡這樣去理解:

if you fix one of those scalars and let the other one change its value freely,

3:18

如果你固定其中一個純量,讓另一個純量自由改變其數值,

the tip of the resulting vector draws a straight line.

3:22

那麼合成向量的尖端就會畫出一條直線。

表達脈絡

one way I like to think about it is that:帶出有幫助的心智模型

one way I like to think about it is that 用來帶出說話者理解某件事的一種個人方式。one way 表示這只是一個可能的觀點,而不是唯一正確的解釋。 is that 後面會說明這個心智模型的內容。在本句中,固定一個純量的圖像被當成理解工具。這個框架先標示一個有幫助的觀點,再用 that 子句說出其內容,藉此組織複雜的說明。

練習

請使用本課表達個人觀點的完整框架補上空格:____ a budget ____ it is a plan for your money.

查看答案

One way I like to think about · is that

Now, if you let both scalars range freely 文法

3:29

現在,如果你讓兩個純量都自由變化,

文法

Let both scalars range freely:let + 受詞 + 原形動詞

在 let both scalars range freely 中,let 表示允許或讓。後面依序接受詞 both scalars 和原形動詞 range,中間不加 to。 這裡的 range 是動詞,表示在允許的數值範圍內變化或取得不同的值。freely 表示兩個純量都沒有被固定,但它們仍可能受到數學上可取數值的限制。

練習

請使用 let 和 range 的正確形式完成指示:In this experiment, ____ the pressure ____ freely while the temperature stays fixed.

查看答案

let · range

and consider every possible vector that you can get,

3:31

考慮到你能得到的每一個可能的向量,

there are two things that can happen.

3:34

可能會發生兩件事。

For most pairs of vectors,

3:36

對於大多數的向量對,

you'll be able to reach every possible point in the plane.

3:37

你將能夠到達平面上的每一個可能的點。

Every two-dimensional vector is within your grasp. 慣用語

3:40

每一個二維向量都在你的掌控之中。

慣用語

within your grasp:可以達成或掌控

within your grasp 表示「你有可能做到、取得或理解」。它把用手抓住東西的動作轉化為表示能力或掌控力的比喻。 在這裡,它表示只要適當選擇兩個純量,就能建構出任何二維向量。它不是說這些向量真的就在手邊。

練習

在「After weeks of practice, the difficult routine is within your grasp」中,within your grasp 是什麼意思?

  1. 這套動作在實際距離上靠近你的手。
  2. 你現在有能力掌握這套動作。
  3. 你已經完美地做過這套動作。
查看答案

你現在有能力掌握這套動作。

However, in the unlucky case where your two original vectors happen to line up, 片語動詞

3:43

然而,在運氣不好的情況下,你最初的兩個向量碰巧共線了,

the tip of the resulting vector is limited to just this single line passing through the origin.

3:47

那麼合成向量的尖端就僅僅被限制在這條穿過原點的直線上。

片語動詞

line up:在同一條直線上對齊

這裡的 line up 表示「在同一條直線上對齊」。對於從原點沿這條直線畫出的向量,一個向量可以是另一個向量的純量倍數;它們不一定指向同一方向。 這個片語動詞在本句中不是指人們排隊。可以延伸運用的核心意思是:不同的事物具有相同的對齊關係或相符位置。

練習

判斷正誤:在這裡的幾何用法中,即使兩個向量在同一直線上指向相反方向,它們也可以 line up。

  1. 錯誤
  2. 正確
查看答案

正確

Actually, technically, there's a third possibility, too.

3:53

實際上,嚴格來說,還有第三種可能性。

Both your vectors could be zero,

3:56

你的兩個向量都可能是零,

in which case you'd just be stuck at the origin. 文法

3:58

在這種情況下,你就只能困在原點。

文法

in which case:連接一種情況及其結果

in which case 表示「如果發生這種情況」或「如果這種情況屬實」。這裡的 which 回指前面「兩個向量都為零」這整個可能情況,而不只是 zero 這個字。 結構是「[可能的情況], in which case + [結果]」。它在一個句子中,把類似條件的情況直接連接到其後果。

練習

請用一個表示「如果發生這種情況」的三字英文關係連接語完成句子:The road may freeze tonight, ____ the morning bus will be delayed.

查看答案

in which case

Here's some more terminology.

4:01

下面再介紹一些術語。

The set of all possible vectors that you can reach with a linear combination of a given pair of vectors

4:02

透過給定的一對向量的線性組合所能得到的所有可能向量的集合,

is called the span of those two vectors. 用詞

4:08

被稱為這兩個向量的「生成空間」。

用詞

這兩個向量的張成空間:完整的生成集合

在線性代數中,兩個向量的張成空間,是把每個原向量乘以任意純量後再相加所能得到的所有向量組成的完整集合。對向量 u 和 v 而言,張成空間中的每個向量都可以寫成 au + bv。 這裡的 reach 是「透過縮放和相加得到」,不是在物理空間中移動。依原向量的情況,它們的張成空間可能是一條直線、一個平面,或只有原點。

練習

以下哪一項正確描述了向量 u 和 v 的 span?

  1. 連接 u 和 v 端點的線段
  2. 由固定的一組 a 和 b 得到的一個向量 au + bv
  3. a 和 b 為任意純量時所有 au + bv 形式的向量所組成的集合
查看答案

a 和 b 為任意純量時所有 au + bv 形式的向量所組成的集合

So, restating what we just saw in this lingo,

4:14

所以,用這個行話重述我們剛才看到的現象,

the span of most pairs of 2D vectors is all vectors of 2D space,

4:16

大多數二維向量對的生成空間是整個二維空間的所有向量,

but when they line up,

4:21

但當它們共線時,

their span is all vectors whose tip sit on a certain line.

4:22

它們的生成空間就是尖端落在某條特定直線上的所有向量。

Remember how I said that linear algebra revolves around vector addition and scalar multiplication? 慣用語

4:27

還記得我曾說過,線性代數是圍繞向量加法和純量乘法展開的嗎?

慣用語

revolves around:指出核心主題

這裡的 revolves around 表示「把某事物當作核心主題或組織中心」。線性代數主要圍繞向量加法和純量乘法來組織,並不是真的有東西繞著這些運算旋轉。 結構是 X revolves around Y。它用來指出 X 最依賴、最關注或主要討論的想法、活動或關係。

練習

用 revolve around 的正確形式完成句子:The school play ____ a girl who finds a hidden door.

查看答案

revolves around

Well, the span of two vectors is basically a way of asking,

4:32

那麼,兩個向量的生成空間基本上就是一種提問方式,即

what are all the possible vectors you can reach

4:35

你所能到達的所有可能向量是什麼

using only these two fundamental operations,

4:37

僅僅使用這兩種基本運算:

vector addition and scalar multiplication?

4:40

向量加法和純量乘法?

This is a good time to talk about how people commonly think about vectors as points.

4:43

現在正好適合談談人們通常如何把向量看作點。

It gets really crowded to think about a whole collection of vectors sitting on a line,

4:47

想像整整一組向量落在一條直線上會顯得非常擁擠,

and more crowded still to think about all two-dimensional vectors all at once filling up the plane.

4:52

想像所有二維向量一下子填滿整個平面就更擁擠了。

So, when dealing with collections of vectors like this,

4:57

所以,在處理像這樣的一組向量時,

it's common to represent each one with just a point in space.

4:59

通常只用空間中的一個點來表示每一個向量。

The point at the tip of that vector,

5:03

也就是那個向量尖端所在位置的點,

where, as usual, I want you thinking about that vector with its tail on the origin.

5:05

當然,像往常一樣,我希望你想像那個向量的尾部位於原點。

That way, if you want to think about every possible vector whose tip sits on a certain line,

5:10

這樣一來,如果你想思考尖端在某條特定直線上的每一個可能的向量,

just think about the line itself.

5:15

只要思考那條直線本身就行了。

Likewise, to think about all possible two-dimensional vectors all at once,

5:20

同樣地,要同時思考所有可能的二維向量,

conceptualize each one as the point where its tip sits.

5:24

可以把每一個向量概念化為其尖端所在的那個點。

So, in effect, what you'll be thinking about is the infinite flat sheet of two-dimensional space itself,

5:27

這樣,實際上你所思考的就是二維空間本身那張無限的平面,

leaving the arrows out of it. 片語動詞

5:32

而把箭頭拋開不管。

片語動詞

leaving the arrows out:從圖示中省略一個元素

leaving the arrows out 的意思是「在圖示或思考方式中不把箭頭包含進去」。它不是把箭頭放到外面的某個地方;說話者只是暫時把注意力放在平面本身。 結構是 leave + 受詞 + out。要說明從哪裡省略,可以加上 of + 來源:leave the arrows out of the picture。這裡的 leaving... 是一個 -ing 子句,用來說明以什麼方式看待這個平面。

練習

用 leave ... out 的正確形式完成句子:To keep the list short, we are ____ the optional details ____.

查看答案

leaving · out

In general, if you're thinking about a vector on its own, 片語搭配

5:36

一般來說,如果你在單獨思考一個向量,

think of it as an arrow.

5:38

就把它看作一個箭頭。

片語搭配

on its own:單獨考慮

在本句中,on its own 表示「與其他向量分開、單獨考慮」。說話人先讓你把一個向量本身想像成箭頭,再去考慮一組向量。 這個片語也可以表示「沒有幫助、獨自完成」,但這裡不是這個意思。這裡的 own 不是在強調誰擁有這個向量;整個片語表示它在目前情境中是分開或獨立的。

練習

哪一句中的 on its own 表示「與其他證據分開考慮」?

  1. The machine developed a rhythm of its own.
  2. The lawyer placed the clue on the table.
  3. On its own, this clue does not prove the claim.
查看答案

On its own, this clue does not prove the claim.

And if you're dealing with a collection of vectors,

5:40

而如果你在處理一組向量,

it's convenient to think of them all as points.

5:42

把它們全看作點會更方便。

So, for our span example,

5:45

那麼,對於我們關於生成空間的例子,

the span of most pairs of vectors ends up being the entire infinite sheet of two-dimensional space, 片語動詞

5:46

大多數向量對的生成空間最終就是整個無限的二維平面,

but if they line up,

5:52

但如果它們共線,

their span is just a line.

5:53

它們的生成空間就是一條線。

片語動詞

ends up being:最後的結果是

Ends up being 引出經過某個過程、計算或一連串事件後得到的最終結果。這裡的計算顯示,大多數向量對的張成空間最後是整個無限的二維平面。 結構是 end up + -ing 形式,因此 be 要變成 being:X ends up being Y。這個結果可能符合預期,也可能出乎意料;它可以是正面的、負面的或中性的。

練習

用表示最終結果的目標三字片語完成句子:After all the repairs, the old bike may ____ safer than the new one.

查看答案

end up being

The idea of span gets a lot more interesting if we start thinking about vectors in three-dimensional space.

5:58

如果我們開始思考三維空間中的向量,「生成空間」的概念會變得有趣得多。

For example,

6:03

例如,

if you take two vectors in 3D space that are not pointing in the same direction,

6:04

如果你在三維空間中選取兩個指向不同方向的向量,

what does it mean to take their span?

6:09

它們的生成空間意味著什麼?

Well, their span is the collection of all possible linear combinations of those two vectors,

6:13

嗯,它們的生成空間就是這兩個向量所有可能的線性組合的集合,

meaning all possible vectors you get by scaling each of the two of them in some way

6:19

意思是,透過某種方式縮放它們兩個,

and then adding them together.

6:23

然後把它們加在一起所能得到的所有可能的向量。

You can kind of imagine turning two different knobs to change the two scalars defining the linear combination, 慣用語

6:25

你可以想像一下轉動兩個不同的旋鈕,來改變定義線性組合的這兩個純量,

adding the scaled vectors and following the tip of the resulting vector.

6:31

把縮放後的向量相加,並跟著合成向量的尖端走。

That tip will trace out some kind of flat sheet cutting through the origin of three-dimensional space.

6:35

那個尖端會描繪出某種穿過三維空間原點的平面。

慣用語

“turning two different knobs”:用旋鈕比喻參數

這裡的“turning two different knobs”是一個比喻,並沒有真的旋鈕。可以想像每個旋鈕控制一個純量,轉動旋鈕就是改變該純量的數值。 這個比喻把輸入的變化對應到輸出的變化。兩個純量的設定改變時,縮放後的向量及其和也會改變,所以結果向量的端點會移動。這是讓可調參數變得更具體的一種常見說明方式。

練習

在數學說明中,“turning two different knobs”最可能表示什麼?

  1. 只選擇一個向量的長度
  2. 調整兩個彼此獨立的純量值
  3. 轉動裝在向量上的兩個真實控制器
查看答案

調整兩個彼此獨立的純量值

This flat sheet is the span of the two vectors,

6:41

這個平面就是這兩個向量的生成空間,

or more precisely, the set of all possible vectors whose tips sit on that flat sheet is the span of your two vectors. 表達脈絡

6:45

或者更準確地說,尖端落在那個平面上的所有可能向量的集合就是這兩個向量的生成空間。

表達脈絡

more precisely,:從直觀圖像收緊為精確定義

more precisely 表示說話者要把一個有幫助但不夠嚴謹的說法換成更嚴格的說法。前一句把這個平面狀區域稱為張成空間;修正後的表述則把張成空間定義為所有端點位於該平面上的向量所構成的集合。 它把資訊分成兩步組織:先提供直觀圖像,再收緊或修正措辭,讓定義具有準確的界線。

練習

選擇最合適的表達:“The package weighs about two kilos—or, ___, 1.86 kilos.”

  1. in other words
  2. more precisely
  3. for example
查看答案

more precisely

Isn't that a beautiful mental image?

6:51

這是一個美麗的心理圖像,不是嗎?

So, what happens if we add a third vector and consider the span of all three of those guys?

6:54

那麼,如果我們加上第三個向量,並考慮這三個傢伙的生成空間,會發生什麼事呢?

A linear combination of three vectors is defined pretty much the same way as it is for two.

7:00

三個向量的線性組合的定義與兩個向量的定義非常相似。

You'll choose three different scalars,

7:05

你將選擇三個不同的純量,

scale each of those vectors,

7:07

縮放那幾個向量中的每一個,

and then add them all together.

7:08

然後把它們全加起來。

And again, the span of these vectors is the set of all possible linear combinations.

7:16

同樣,這些向量的生成空間就是所有可能線性組合的集合。

Two different things could happen here.

7:24

這裡可能會發生兩種不同的情況。

If your third vector happens to be sitting on the span of the first two,

7:26

如果你的第三個向量碰巧落在前兩個向量的生成平面上,

then the span doesn't change.

7:30

那麼生成空間不會改變。

You're sort of trapped on that same flat sheet.

7:31

你可以說是被困在同一個平面上了。

In other words, adding a scaled version of that third vector to the linear combination 表達脈絡

7:34

換句話說,在線性組合中加入第三個向量的縮放版本

doesn't really give you access to any new vectors.

7:38

並不能真正讓你接觸到任何新的向量。

表達脈絡

In other words, ...:重述相同結論

In other words, 用在一句話之後,表示要用更清楚或更具體的方式重述相同意思。 這裡,它把「張成空間不變」改述為「加入第三個向量也得不到新向量」;它不是在引出新的原因、例子或相反觀點。

練習

哪個句子使用 In other words, 來重述相同意思,而不是引出例子?

  1. The store has sold out of tickets. However, we cannot buy any more.
  2. The store has sold out of tickets. For example, we cannot buy any more.
  3. The store has sold out of tickets. In other words, we cannot buy any more.
查看答案

The store has sold out of tickets. In other words, we cannot buy any more.

But if you just randomly choose a third vector,

7:42

但是如果你只是隨機選擇一個第三向量,

it's almost certainly not sitting on the span of those first two.

7:45

它幾乎肯定不會落在前兩個向量的生成空間上。

Then, since it's pointing in a separate direction,

7:48

那麼,既然它指向一個單獨的方向,

it unlocks access to every possible three-dimensional vector. 慣用語

7:51

它就解鎖了通往每一個可能的三維向量的通道。

慣用語

unlocks access to:開啟全新的可能性範圍

Unlocks access to 是一種比喻說法,表示某個事物讓原本無法取得的一系列可能性變得可以實現。 這裡,它指的是新增的獨立向量:加入這個向量後,線性組合就能得到每一個三維向量。這不涉及真的鎖,也不是帳號存取權限。

練習

哪一句使用 unlocks access to 來表示某項改變讓新的選擇成為可能?

  1. The new certificate gives information about jobs that require specialized training.
  2. The new certificate unlocks access to jobs that require specialized training.
  3. The new certificate prevents students from applying for jobs that require specialized training.
查看答案

The new certificate unlocks access to jobs that require specialized training.

One way I like to think about this is that as you scale that new third vector,

7:55

我喜歡的一種理解方式是,當你縮放那個新的第三個向量時,

it moves around that span sheet of the first two,

7:59

它會在前兩個向量生成的那張平面上四處移動,

sweeping it through all of space.

8:02

讓其掃過整個空間。

Another way to think about it is that you're making full use of the three freely changing scalars that you have at your disposal 慣用語

8:05

另一種理解方式是,你充分利用了任你支配的三個可自由改變的純量

to access the full three dimensions of space.

8:11

來存取空間的完整三個維度。

慣用語

at your disposal:可供你運用

at your disposal 表示某樣東西可讓你依需要使用、支配或選用。本句中,三個純量就是可用的資源:每一個都可以改變,協助到達三維空間中的各個位置。 這個片語比 simply have 更強調可運用性,也更正式。它把重點放在你能主動利用什麼。在這個表達中,disposal 不是「丟棄或垃圾處理」的意思。

練習

用表示「可供你使用」的三字英文片語完成句子:You have several research tools ____.

查看答案

at your disposal

Now, in the case where the third vector was already sitting on the span of the first two,

8:16

現在,在第三個向量已經位於前兩個向量的生成平面的情況下,

or the case where two vectors happen to line up,

8:21

或者是兩個向量碰巧共線的情況下,

we want some terminology to describe the fact that at least one of these vectors is redundant, 用詞

8:23

我們需要一些術語來描述這樣一個事實:這些向量中至少有一個是多餘的,

not adding anything to our span.

8:28

並沒有給我們的生成空間增加任何東西。

用詞

redundant:沒有增加任何新內容

Redundant 表示某個部分沒有增加新的功能、資訊或結果,因此是多餘的。本句中,至少有一個向量是冗餘的,因為刪掉它並不會縮小這些向量的張成空間。 在技術語境中,判斷標準不是兩個東西看起來是否完全相同。一個向量即使與其他向量不同,只要其餘向量已經能產生它所貢獻的一切,它仍可能是冗餘的。

練習

在句子 “This fourth vector is redundant.” 中,redundant 是什麼意思?

  1. 它指向相反的方向。
  2. 它沒有為張成空間增加新的可達範圍。
  3. 它一定比其他向量更長。
查看答案

它沒有為張成空間增加新的可達範圍。

Whenever this happens, where you have multiple vectors and you could remove one without reducing the span,

8:30

每當這種情況發生,也就是當你有多個向量,且移除其中一個不會縮小生成空間時,

the relevant terminology is to say that they are linearly dependent. 用詞

8:35

相關的術語是說它們「線性相依」。

用詞

linearly dependent:向量族的線性相依性

linearly dependent 描述的是一組向量之間的關係,不是日常生活中的個人依賴。這組向量中存在冗餘:至少有一個向量可以透過將其他向量乘上純量後再相加得到。 一個等價的判斷方式是:移除某個向量後,張成空間仍然不變。用方程式表示,就是存在不全為零的係數,使 c1v1 + ... + cnvn = 0。

練習

一個向量族包含 v1、v2 和 v3,且 v3 = 2v1 - v2。請完成英文結論:The vectors are ____.

查看答案

linearly dependent

Another way of phrasing that would be to say that one of the vectors can be expressed as a linear combination of the others, 片語搭配

8:40

另一種表達方式是說其中一個向量可以表示為其他向量的線性組合,

since it's already in the span of the others.

8:46

因為它已經處於其他向量的生成空間之中。

片語搭配

can be expressed as a linear combination of the others:表示成其他向量的線性組合

can be expressed as a linear combination of the others 是技術說明中常用的被動結構。X can be expressed as Y 表示 X 能以 Y 這種形式表示。在這裡,要選擇適當的純量乘上其他向量,再將所得結果相加,得到目標向量。 結構是 [vector] + can be expressed as + a linear combination of + [other vectors]。as 引出數學表示形式,of 則指出構成這個線性組合的向量。

練習

請使用目標被動結構完成英文句子:The vector v ____ a linear combination of u and w.

查看答案

can be expressed as

On the other hand, 表達脈絡

8:52

另一方面,

if each vector really does add another dimension to the span, 文法

8:53

如果每一個向量確實都為生成空間增加了一個新的維度,

they're said to be linearly independent. 用詞

8:57

它們就被稱為「線性獨立」。

表達脈絡

On the other hand:表示對比的連接語

On the other hand 告訴聽者,講解正轉向對比中的另一面。這裡,它引出「每個向量都會增加一個新維度」的情況,與前面「某個向量不會擴大張成空間」的情況相對。 這個片語把兩種不同的條件及其結果組織起來:先考慮一種情況,再看另一面。它不是字面上的「另一隻手」,也不只是表示下一步的一般銜接語。

練習

哪個連接語最適合補全這組對比?“One plan is cheaper. _____, the other plan will last much longer.”

  1. On the other hand
  2. In addition
  3. Then
查看答案

On the other hand

文法

does add 中用來強調的 does

在 does add 中,does 是助動詞 do 的強調形式。不帶強調的說法是 each vector adds another dimension;加入 does 後,就凸顯這個動作確實發生,常用來回應質疑,或與另一種情況形成對比。 does 後要用動詞原形 add,不能用 adds 或 added。does 承擔現在式,並與單數主詞 each vector 一致;add 提供主要動作的意思。本句中的 really 又加強了一層語氣,但強調用的 does 不必和 really 一起出現。

練習

請用 add 的強調性現在式完成糾正:“You said this change has no effect, but it ____ value.”

查看答案

does add

用詞

linearly independent(線性獨立)

在線性代數中,如果一組向量中的任何一個都不能寫成其他向量的線性組合,這些向量就是線性獨立的。換句話說,把各向量乘上數字再相加而得到零向量時,唯一的方法是讓每個係數都等於零。 在這個句子中,每個向量都會為張成空間增加一個新方向,所以沒有向量是多餘的。這裡的 independent 描述的是這種數學關係,不是人的「獨立自主」。

練習

請用一個由兩個詞組成的線性代數術語完成句子:Because no vector in the set can be written as a linear combination of the others, the vectors are ____.

查看答案

linearly independent

So, with all of that terminology and hopefully with some good mental images to go with it,

9:06

那麼,有了這些術語,希望腦海中也有了與之匹配的良好畫面,

let me leave you with a puzzle before we go. 片語搭配

9:10

讓我們在結束前留下一個謎題。

片語搭配

let me leave you with a puzzle(最後留給你一道思考題)

leave someone with something 這個結構表示在結束時留給某人一個問題、想法、感受或任務,讓它在結束後仍留在對方心中。這裡,說話者在課程結束前留給聽眾一道可以繼續思考的題目。 Let me 讓這個轉折聽起來溫和而自然。這裡的 leave 不是指人走開,而是強調聽眾心裡還留下了什麼。

練習

請用表示「留給你某件事繼續思考」的三個詞完成結尾句:Let me ____ one final question.

查看答案

leave you with

The technical definition of a basis of a space is a set of linearly independent vectors that span that space. 用詞

9:12

一個空間的「基底」的專業定義是,一組生成該空間且線性獨立的向量。

用詞

空間的基底:線性獨立並張成整個空間

在線性代數中,空間的基底是一組同時符合兩個條件的向量:這些向量線性獨立,而且它們的線性組合能張成整個空間。of a space 表明這裡談的是哪一個特定的向量空間。 這兩個條件都不可少。張成空間表示這組向量能生成空間中的每一個向量;線性獨立表示其中沒有多餘的向量。兩者結合,能確保空間中的每個向量都恰好有一種以基底向量的線性組合來表示的方式。這裡的 basis 是專業術語,不是日常所說的起點、基礎或依據。

練習

下列哪一種集合是向量空間的一組基底?

  1. 一組線性獨立且張成整個空間的向量
  2. 一個可能包含線性相依向量的生成集合
  3. 任意線性獨立集合,即使它不能張成整個空間
查看答案

一組線性獨立且張成整個空間的向量

Now, given how I described a basis earlier,

9:21

現在,考慮到我之前是如何描述基底的,

and given your current understanding of the words span and linearly independent,

9:24

並考慮到你目前對「生成空間」和「線性獨立」這兩個詞的理解,

think about why this definition would make sense.

9:29

想一想為什麼這個定義是有道理的。

In the next video,

9:34

在下部影片中,

I'll get into matrices in transforming space.

9:34

我將探討矩陣與空間變換。

See you then.

9:37

到時見。