EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Координаты вектора в новом базисе: формула и пример

11 июня 2026Время чтения: 8 минут
#координаты вектора#новый базис#матрица перехода#линейная алгебра#обратная матрица

Один и тот же вектор на плоскости выглядит по-разному в разных системах координат: его длина и направление не меняются, а вот числа, которыми мы его записываем, зависят от выбранного базиса. Координаты вектора в новом базисе - это коэффициенты его разложения по новым базисным векторам, и находят их через матрицу перехода и обратную матрицу. Ниже разберём, что такое матрица перехода, как из неё получить формулу [v]f=P1v[v]_f = P^{-1} v, как выглядит разложение геометрически и где студенты чаще всего ошибаются. Чтобы сразу почувствовать связь между вектором, базисом и его новыми координатами, покрутите калькулятор ниже: он строит разложение прямо на плоскости и пересчитывает координаты, как только вы двигаете любой ползунок.

Что значит «координаты вектора в базисе»

Базис на плоскости - это два неколлинеарных вектора f1f_1 и f2f_2. Любой вектор vv можно единственным образом представить как их линейную комбинацию:

v=af1+bf2.v = a\,f_1 + b\,f_2.

Пара чисел (a;b)(a; b) и есть координаты вектора vv в базисе {f1,f2}\{f_1, f_2\}. В привычном стандартном базисе e1=(1;0)e_1 = (1; 0), e2=(0;1)e_2 = (0; 1) координаты совпадают с самими компонентами вектора: запись v=(4;3)v = (4; 3) означает v=4e1+3e2v = 4 e_1 + 3 e_2. Но стоит сменить базис - и те же геометрические стрелки описываются другими числами. Именно поэтому говорят, что координаты зависят от базиса, а сам вектор - нет: он остаётся на месте, меняется лишь «линейка», которой мы его измеряем.

Матрица перехода к новому базису

Чтобы перейти от стандартного базиса к новому, удобно собрать новые базисные векторы в столбцы одной матрицы. Матрица перехода PP - это матрица, столбцами которой служат координаты новых базисных векторов в старом базисе:

P=(f1xf2xf1yf2y)=[f1f2].P = \begin{pmatrix} f_{1x} & f_{2x} \\ f_{1y} & f_{2y} \end{pmatrix} = [\,f_1 \mid f_2\,].

Эта матрица переводит координаты из нового базиса в старый: если вектор имеет в новом базисе столбец координат [v]f=(a;b)T[v]_f = (a; b)^{T}, то его старые координаты получаются как v=P[v]fv = P\,[v]_f. Проверить это легко: умножение PP на столбец (a;b)T(a; b)^{T} по правилам матричного произведения даёт ровно af1+bf2a\,f_1 + b\,f_2. То есть матрица перехода - это компактная запись формулы разложения.

Важное условие: чтобы f1f_1 и f2f_2 действительно образовывали базис, они должны быть линейно независимы. На языке матрицы это значит, что определитель detP0\det P \ne 0. Если detP=0\det P = 0, новые векторы коллинеарны, базиса не получается, и разложение либо не существует, либо не единственно.

Формула координат в новом базисе

Нам обычно дано обратное: известны старые координаты vv, а найти нужно новые (a;b)(a; b). Раз v=P[v]fv = P\,[v]_f, домножим обе части слева на обратную матрицу P1P^{-1} и получим главную формулу:

[v]f=P1v.[v]_f = P^{-1}\,v.

Словами: чтобы найти координаты вектора в новом базисе, надо умножить обратную матрицу перехода на столбец старых координат. Вся задача сводится к двум шагам - обратить матрицу 2×22 \times 2 и выполнить одно матричное умножение. Для матрицы второго порядка обратная находится по короткому правилу:

P1=1detP(f2yf2xf1yf1x),detP=f1xf2yf2xf1y.P^{-1} = \frac{1}{\det P} \begin{pmatrix} f_{2y} & -f_{2x} \\ -f_{1y} & f_{1x} \end{pmatrix}, \qquad \det P = f_{1x} f_{2y} - f_{2x} f_{1y}.

Вектор v = (4, 3) стоит на месте, а новый базис f1, f2 поворачивается. Золотая точка отмечает конец a·f1 в параллелограмме разложения, и числа в панели (новые координаты P в минус первой степени на v) меняются вместе с базисом - сам вектор при этом не сдвигается

На видео видно главное: вектор vv зафиксирован, а его новые координаты живут вместе с базисом. Поверните f1f_1 и f2f_2 - и параллелограмм разложения перестроится, числа (a;b)(a; b) станут другими, хотя стрелка vv не шелохнётся. Это и есть наглядный смысл формулы [v]f=P1v[v]_f = P^{-1} v: новые координаты - проекции вектора на новые оси, а не свойство самого вектора.

Геометрический смысл: разложение по параллелограмму

Формулу удобно читать как построение. Чтобы разложить vv по базису {f1,f2}\{f_1, f_2\}, через конец вектора vv проводят две прямые, параллельные базисным векторам. Точки их пересечения с направлениями f1f_1 и f2f_2 отсекают отрезки af1a\,f_1 и bf2b\,f_2 - стороны параллелограмма, диагональю которого служит сам vv. Числа aa и bb показывают, сколько раз базисный вектор укладывается вдоль своей стороны.

Разложение вектора v по новому базису: параллелограмм со сторонами a·f1 и b·f2, золотые скобки отмечают коэффициенты a и b - именно их и называют координатами вектора в новом базисе
Разложение вектора v по новому базису: параллелограмм со сторонами a·f1 и b·f2, золотые скобки отмечают коэффициенты a и b - именно их и называют координатами вектора в новом базисе

На схеме вектор vv - это диагональ параллелограмма, построенного на направлениях f1f_1 и f2f_2. Золотые скобки измеряют, какая доля каждого базисного вектора входит в разложение: вдоль f1f_1 укладывается aa единиц, вдоль f2f_2 - bb единиц. Эти доли и есть искомые координаты. Когда базис ортонормированный (взаимно перпендикулярные единичные векторы), параллелограмм становится прямоугольником, а координаты сводятся к обычным скалярным проекциям; в общем же случае базис косоугольный, и координаты приходится считать через обратную матрицу.

Пример решения типовой задачи

Разберём стандартную формулировку: найти координаты вектора v=(4;3)v = (4; 3) в базисе f1=(2;1)f_1 = (2; 1), f2=(1;2)f_2 = (-1; 2). Сначала запишем матрицу перехода из столбцов нового базиса и посчитаем её определитель:

P=(2112),detP=22(1)1=50.P = \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}, \qquad \det P = 2 \cdot 2 - (-1) \cdot 1 = 5 \ne 0.

Определитель не равен нулю, значит f1f_1 и f2f_2 образуют базис. Теперь выпишем обратную матрицу по правилу для 2×22 \times 2:

P1=15(2112).P^{-1} = \frac{1}{5} \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ -1 & 2 \end{pmatrix}.

Остаётся умножить её на столбец старых координат вектора:

[v]f=P1v=15(2112)(43)=15(112)=(2,20,4).[v]_f = P^{-1} v = \frac{1}{5} \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ -1 & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 4 \\ 3 \end{pmatrix} = \frac{1}{5} \begin{pmatrix} 11 \\ 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2{,}2 \\ 0{,}4 \end{pmatrix}.

Итак, в новом базисе v=2,2f1+0,4f2v = 2{,}2\,f_1 + 0{,}4\,f_2. Полезно сразу проверить ответ обратной подстановкой: 2,2(2;1)+0,4(1;2)=(4,40,4; 2,2+0,8)=(4;3)2{,}2 \cdot (2; 1) + 0{,}4 \cdot (-1; 2) = (4{,}4 - 0{,}4;\ 2{,}2 + 0{,}8) = (4; 3) - исходный вектор восстановился, расчёт верен. Калькулятор выше собирает ровно эту цепочку: задайте те же числа на ползунках, и он покажет a=2,2a = 2{,}2, b=0,4b = 0{,}4 и нарисует тот же параллелограмм разложения.

Когда базис задан не от стандартного

Иногда нужно пересчитать координаты не от стандартного базиса, а из одного произвольного базиса в другой. Тогда строят две матрицы перехода - от старого базиса к стандартному (PP) и от нового к стандартному (QQ), - а координаты связывает формула [v]new=Q1P[v]old[v]_{\text{new}} = Q^{-1} P\,[v]_{\text{old}}. Произведение Q1PQ^{-1} P называют матрицей перехода между двумя базисами напрямую. Принцип тот же: новые координаты получаются умножением подходящей матрицы перехода на старый столбец, просто матрица собирается из двух шагов. Для базисов большой размерности обращать матрицу целиком невыгодно: систему P[v]f=vP\,[v]_f = v решают напрямую, например через LU-разложение матрицы перехода, которое заменяет дорогое обращение прямой и обратной подстановкой.

Частые ошибки

  • Путают, что записывать в столбцы матрицы перехода. В столбцы PP идут координаты новых базисных векторов в старом базисе, а не наоборот. Если записать их в строки, получится транспонированная матрица и неверный ответ.
  • Умножают на PP вместо P1P^{-1}. Матрица PP переводит новые координаты в старые. Чтобы из старых получить новые, нужна именно обратная матрица P1P^{-1}.
  • Забывают проверить detP\det P. Если определитель равен нулю, векторы коллинеарны и базиса не образуют - формула неприменима, а ответ не существует или не единствен.
  • Теряют делитель 1/detP1/\det P в обратной матрице. Для матрицы 2×22 \times 2 обратная - это присоединённая матрица, делённая на определитель. Пропуск деления даёт координаты, увеличенные в detP\det P раз.
  • Не делают проверку. Обратная подстановка af1+bf2a\,f_1 + b\,f_2 должна вернуть исходный вектор. Это самый быстрый способ поймать арифметическую ошибку.

FAQ

Как найти координаты вектора в новом базисе? Соберите матрицу перехода PP из столбцов новых базисных векторов, найдите обратную матрицу P1P^{-1} и умножьте её на столбец старых координат: [v]f=P1v[v]_f = P^{-1} v. Получившийся столбец - это координаты (a;b)(a; b), то есть коэффициенты разложения v=af1+bf2v = a\,f_1 + b\,f_2.

Что такое матрица перехода и в каком направлении она работает? Матрица перехода P=[f1f2]P = [\,f_1 \mid f_2\,] составлена из координат нового базиса в старом. Она переводит координаты из нового базиса в старый (v=P[v]fv = P\,[v]_f), а обратная к ней - из старого в новый. Поэтому для пересчёта старых координат в новые нужна именно P1P^{-1}.

Зачем нужен определитель матрицы перехода? Определитель detP\det P проверяет, образуют ли новые векторы базис. Если detP0\det P \ne 0, они линейно независимы и разложение единственно; если detP=0\det P = 0, векторы лежат на одной прямой, и базиса не получается. Кроме того, detP\det P входит в формулу обратной матрицы как делитель.

Коротко

Координаты вектора в новом базисе - это коэффициенты aa и bb его разложения v=af1+bf2v = a\,f_1 + b\,f_2. Чтобы их найти, собирают матрицу перехода PP из столбцов нового базиса и умножают обратную матрицу на старый столбец: [v]f=P1v[v]_f = P^{-1} v. Геометрически это построение параллелограмма со сторонами вдоль f1f_1 и f2f_2 и диагональю vv. Перед расчётом проверяют detP0\det P \ne 0, а после - делают обратную подстановку, чтобы убедиться, что исходный вектор восстановился.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также