正交投影的矩阵(基变换与过渡矩阵的例子)

本文讨论了在n维欧几里得空间中,如何通过自然基向量进行子空间W的正交投影,并介绍了从自然基到标准正交基的过渡矩阵及其在投影矩阵中的应用。具体展示了如何通过矩阵运算验证投影矩阵在两种基下的等价关系。

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nnn维欧几里得空间VVV中,有子空间WWW. 如果用自然基(ei)1≤i≤n(\mathbf{e}_i)_{1\leq i \leq n}(ei)1in,设W=span(w1,…,wd)  (0<d<n)W=\mathrm{span}(w_1, \ldots, w_d)\; (0< d < n)W=span(w1,,wd)(0<d<n). 将这个基作Schmidt正交化(并单位化),得到WWW的一个标准正交基(η1,…,ηd)(\eta_1, \ldots, \eta_d)(η1,,ηd). 将这个标准正交基扩充为VVV的一个基:(η1,…,ηd,ηd+1,ηd+2,…,ηn).(\eta_1, \ldots, \eta_d, \eta_{d+1}, \eta_{d+2}, \ldots, \eta_{n}).(η1,,ηd,ηd+1,ηd+2,,ηn).

假定从自然基到上述标准正交基的过渡矩阵为TTT: 即(η1,…,ηd,ηd+1,…,ηn)=(e1,…,en) T.(\eta_1, \ldots, \eta_d, \eta_{d+1}, \ldots, \eta_{n})=(\mathbf{e_1, \ldots, e_n})\,T.(η1,,ηd,ηd+1,,ηn)=(e1,,en)T.由于自然基排成的矩阵是单位方阵InI_nIn, 所以TTT的前ddd列是(η1,…,ηd)(\eta_1, \ldots, \eta_d)(η1,,ηd), 并且TTT是正交矩阵。

命题:在VVV的自然基之下,从VVV(沿着W⊥W^\perpW)到WWW的正交投影的矩阵是PW=(η1,η2,…,ηd)(η1⊤η2⊤⋮ηd⊤)P_W=(\eta_1, \eta_2, \ldots, \eta_d)\begin{pmatrix} \eta_1^\top \\ \eta_2^\top \\ \vdots \\ \eta_d^\top \end{pmatrix}PW=(η1,η2,,ηd)η1η2ηd. 而在标准正交基(η1,…,ηn)(\eta_1, \ldots, \eta_n)(η1,,ηn)之下, 从VVVWWW的正交投影矩阵是QW=(Id0)Q_W=\begin{pmatrix} I_d & \\ & \mathbf{0} \end{pmatrix}QW=(Id0). 有等式Qw=T−1PWT=T⊤PWTQ_w = T^{-1}P_W T=T^\top P_W TQw=T1PWT=TPWT.

:验证TQWT⊤=PWTQ_W T^\top = P_WTQWT=PW比较容易。

例:V=R3,w=(1,2,3)⊤,W=span(w)V=\mathbb{R}^3, w=(1,2,3)^\top, W=\mathrm{span}(w)V=R3,w=(1,2,3),W=span(w). 则η=114(1,2,3)⊤\eta=\frac{1}{\sqrt{14}}(1,2,3)^\topη=141(1,2,3). 等式TQWT⊤=PWTQ_W T^\top = P_WTQWT=PW(114∗∗214∗∗314∗∗)(100)(114214314∗∗∗∗∗∗)=114(123246369).\begin{pmatrix} \frac{1}{\sqrt{14}} & * & * \\ \frac{2}{\sqrt{14}} & * & * \\ \frac{3}{\sqrt{14}} & * & * \\ \end{pmatrix}\begin{pmatrix}1 & & \\ & 0 & \\ & & 0 \end{pmatrix}\begin{pmatrix}\frac{1}{\sqrt{14}} & \frac{2}{\sqrt{14}} & \frac{3}{\sqrt{14}} \\ * & * & * \\ * & * & * \end{pmatrix}=\frac{1}{14}\begin{pmatrix}1 & 2 & 3\\ 2 & 4 & 6 \\ 3 & 6 & 9 \end{pmatrix}.141142143100141142143=141123246369.

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