基(Basis)

作者:
劉瑋彤、林昱誠(Yu-Cheng Lin)
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4
分鐘
# 基(Basis) 在線性代數中,基(Basis)是理解向量空間及向量空間結構的概念之一。在給定的向量空間中,空間中每一個向量都可以用一組特定的向量(即基向量,basis vector)(以唯一的方式)表示。 ## Basis 的定義 下圖是大家習以為常的二維座標,試著從中找出兩個向量,這兩個向量可以表達出二維座標空間內所有的向量
二維座標


沒錯,最常見的兩個向量會是 $(1,0)$ 和 $(0,1)$,透過這兩個向量,就可以表達上圖中所有的向量,比方說 $(-2,1)$ 這個向量: \begin{split}(-2,1) = \ -2\times (1,0) + 1\times(0,1)\ \end{split}
核磁共振

在二維座標中,(1,0) 與 (0,1) 兩個向量可以表達所有的向量

這時候,我們就稱 $(1,0)$ 和 $(0,1)$ 是這個向量空間的 basis。當然,這向量空間不會只有一種 basis,像是 $(-0.5,1)$ 和 $(1,0.5)$ 也會是這個空間的 basis: \begin{split}(-2,1) = \frac{8}{5}\times (-0.5,1) - \frac{6}{5}\times(1,0.5)\ \end{split}
核磁共振

向量空間可以有多組 basis,同樣的向量可以改用 (-0.5,1) 和 (1,0.5) 表達

在數學中,如果向量空間 **V** 中的一組向量 $\boldsymbol{\vec{A}}$ ,能夠以有限的線性組合表達出 **V** 中的每個向量,則 $\boldsymbol{\vec{A}}$ 稱之為向量空間 **V** 的 basis。 ## Basis 的性質 Basis 的性質有以下兩個: 1. Basis 的元素數量等於空間的維數 2. Basis 必須是一個線性獨立 ### 元素數量等於空間的維數 一個向量空間可以有多種 basis,所有的 basis 都具有相同的元素數量,元素的數量與向量空間的維數相同。如二維空間之中,basis vector 中的元素數量為 2,三維空間為 3 ... 以此類推。 ### 線性獨立的集合 Basis 必須是一個**線性獨立**的集合,也就是向量集合 **A** 中的各個向量必須線性無關(linear independence)。用數學的形式可以表達為: \begin{split} A=\{v_1, v_2, v_3,...v_n\} \end{split} \begin{split}a_1v_1 + a_2v_2 +a_3v_3 + \ ...\ +a_nv_n = 0\end{split} 如果 $a_1= a_2=a_3\ ...\ = a_n = 0$ 是上式唯一解時,我們就稱向量集合 **A** $\{v_1, v_2, v_3,...v_n\}$ 為 linear independence。
範例:以二維空間的其中一組 basis,$\{(1,0),(0,1)\}$ 為例,試著找到一組 $a_1$ 和 $a_2$ 可以滿足:
\begin{gather*}a_1\cdot(1,0)+a_2\cdot(0,1)=0\end{gather*}
只有 $a_1=a_2=0$ 的情況下才能滿足上述,這時候我們就會說這組 basis $(1,0)$ 和 $(0,1)$ 是 linear independence。
那如果是 linear dependence 會怎麼樣呢?我們做個舉例
範例:
如果以 $\{(1,1),(2,2)\}$ 做為二維空間的 basis,這組向量集合是 linear dependence,因爲 $a_1=a_2=0$ 不是下式的唯一解:
\begin{gather*}a_1\cdot(1,1)+a_2\cdot(2,2)=0\end{gather*}
只要 $a_1=-2a_2$ 都是上式的解(比方說 $a_1=1,a_2=-1$),你可以輕易地發現這組 basis 無法表達二維空間中所有的向量,比方說:
\begin{gather*}(1,3)=a_1\cdot(1,1)+a_2\cdot(2,2)\end{gather*}
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