Координаты вектора в новом базисе: формула и пример
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 , 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 и . Любой вектор можно единственным образом представить как их линейную комбинацию:
Пара чисел и есть координаты вектора в базисе . В привычном стандартном базисе , координаты совпадают с самими компонентами вектора: запись означает . 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 - это матрица, столбцами которой служат координаты новых базисных векторов в старом базисе:
Эта матрица переводит координаты из нового базиса в старый: если вектор имеет в новом базисе столбец координат , то его старые координаты получаются как . Проверить это легко: умножение на столбец по правилам матричного произведения даёт ровно . То есть матрица перехода - это компактная запись формулы разложения.
Важное условие: чтобы и действительно образовывали базис, они должны быть линейно независимы. На языке матрицы это значит, что определитель . Если , 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 , а найти нужно новые . Раз , домножим обе части слева на обратную матрицу и получим главную формулу:
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 и выполнить одно матричное умножение. Для матрицы второго порядка обратная находится по короткому правилу:
На видео видно главное: вектор зафиксирован, а его новые координаты живут вместе с базисом. Поверните и - и параллелограмм разложения перестроится, числа станут другими, хотя стрелка не шелохнётся. Это и есть наглядный смысл формулы : новые координаты - проекции вектора на новые оси, а не свойство самого вектора.
Геометрический смысл: разложение по параллелограмму
Формулу удобно читать как построение. Чтобы разложить по базису , через конец вектора проводят две прямые, параллельные базисным векторам. Точки их пересечения с направлениями и отсекают отрезки и - стороны параллелограмма, диагональю которого служит сам . Числа и показывают, сколько раз базисный вектор укладывается вдоль своей стороны.

На схеме вектор - это диагональ параллелограмма, построенного на направлениях и . Золотые скобки измеряют, какая доля каждого базисного вектора входит в разложение: вдоль укладывается единиц, вдоль - 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 в базисе , . Сначала запишем матрицу перехода из столбцов нового базиса и посчитаем её определитель:
Определитель не равен нулю, значит и образуют базис. Теперь выпишем обратную матрицу по правилу для :
Остаётся умножить её на столбец старых координат вектора:
Итак, в новом базисе . Полезно сразу проверить ответ обратной подстановкой: - исходный вектор восстановился, расчёт верен. Калькулятор выше собирает ровно эту цепочку: задайте те же числа на ползунках, и он покажет , 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 () и от нового к стандартному (), - а координаты связывает формула . Произведение 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 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 идут координаты новых базисных векторов в старом базисе, а не наоборот. Если записать их в строки, получится транспонированная матрица и неверный ответ.
- Умножают на вместо . Матрица переводит новые координаты в старые. Чтобы из старых получить новые, нужна именно обратная матрица .
- Забывают проверить . Если определитель равен нулю, векторы коллинеарны и базиса не образуют - формула неприменима, а ответ не существует или не единствен.
- Теряют делитель в обратной матрице. Для матрицы обратная - это присоединённая матрица, делённая на определитель. Пропуск деления даёт координаты, увеличенные в раз.
- Не делают проверку. Обратная подстановка должна вернуть исходный вектор. Это самый быстрый способ поймать арифметическую ошибку.
FAQ
Как найти координаты вектора в новом базисе? Соберите матрицу перехода из столбцов новых базисных векторов, найдите обратную матрицу и умножьте её на столбец старых координат: . Получившийся столбец - это координаты , то есть коэффициенты разложения .
Что такое матрица перехода и в каком направлении она работает? Матрица перехода составлена из координат нового базиса в старом. Она переводит координаты из нового базиса в старый (), а обратная к ней - из старого в новый. Поэтому для пересчёта старых координат в новые нужна именно .
Зачем нужен определитель матрицы перехода? Определитель проверяет, образуют ли новые векторы базис. Если , они линейно независимы и разложение единственно; если , векторы лежат на одной прямой, и базиса не получается. Кроме того, входит в формулу обратной матрицы как делитель.
Коротко
Координаты вектора в новом базисе - это коэффициенты и его разложения . Чтобы их найти, собирают матрицу перехода из столбцов нового базиса и умножают обратную матрицу на старый столбец: . Геометрически это построение параллелограмма со сторонами вдоль и и диагональю . Перед расчётом проверяют , а после - делают обратную подстановку, чтобы убедиться, что исходный вектор восстановился.
Читайте также

Матрица перехода от одного базиса к другому: формула
Матрица перехода от одного базиса к другому: как её составить из координат новых векторов, как пересчитать координаты вектора, найти определитель и обратную матрицу, где ошибаются студенты.

Самосопряжённый оператор: спектральная теорема
Самосопряжённый оператор и спектральная теорема простыми словами: почему собственные числа вещественны, собственные векторы ортогональны и оператор диагонализуется в ортонормированном базисе.

Длина вектора через координаты: формула и примеры
Как найти длину вектора через его координаты в плоскости и пространстве. Формула, вывод из теоремы Пифагора, направляющие косинусы и разбор типовых задач.