Gram-Schmidt正交变化

本文详细介绍了向量空间的基础概念,包括向量、基、维度和向量内积,探讨了正交基的概念及其在高维空间中的应用。通过Gram-Schmidt正交变化方法,展示了如何从一组向量中找到标准正交基。

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首先要了解一下向量的基本知识点:
向量:分为列向量[123...n]\begin{bmatrix} 1\\2 \\ 3 \\... \\n \end{bmatrix}123...n和横向量比如[123...n]\begin{bmatrix} 1 &2&3 &...&n \end{bmatrix}[123...n],都属于矩阵的一种。
:设V为向量空间,如果r个向量a1,a2...ar∈Va_1,a_2...a_r\in Va1,a2...arV且满足:
(i)a1,a2...ara_1,a_2...a_ra1,a2...ar线性无关(就是相互之间不能表示,比如a1a_1a1不可以由a2...ana_2...a_na2...an表示,这样才能保证他们每个表示一个维度,这里维度不一定与坐标轴平行);
(ii)VVV中任意向量都可以由a1,a2...ara_1,a_2...a_ra1,a2...ar表示,那么称a1,a2...ara_1,a_2...a_ra1,a2...ar为向量空间VVV的一个基,rrr称为向量空间VVV维数,称VVVrrr维向量空间,
维度:基中每一个向量都表示该向量空间的一个维度
向量内积:设有n为向量x=[x1x2x3...xn]x=\begin{bmatrix} x_1\\x_2 \\ x_3 \\... \\x_n \end{bmatrix}x=x1x2x3...xny=[y1y2y3...yn]y=\begin{bmatrix} y_1\\y_2 \\ y_3 \\... \\y_n \end{bmatrix}y=y1y2y3...yn[x,y]=xTy=x1y1+x2y2+...+xnyn[x,y]=x^Ty=x_1y_1+x_2y_2+...+x_ny_n[x,y]=xTy=x1y1+x2y2+...+xnyn,称[x,y][x,y][x,y]xxxyyy的内积。内积有如下性质:
(i)[x,y]=[y,x][x,y]=[y,x][x,y]=[y,x]
(ii) [λx,y]=λ[x,y][\lambda x,y]=\lambda[x,y][λx,y]=λ[x,y]
(iii)[x+y,z]=[x,z]+[y,z][x+y,z]=[x,z]+[y,z][x+y,z]=[x,z]+[y,z]
(iv)[0,0]=0[0,0]=0[0,0]=0
(vi)[x,y]≤[x,x][y,y][x,y]\leq[x,x][y,y][x,y][x,x][y,y]
向量的内积实际上是,解析几何(2-3维空间)中的数量积:
x⋅y=[x,y]=∣x∣∣y∣cosθx \cdot y=[x,y]=|x||y|cos\thetaxy=[x,y]=xycosθ
对于高维向量使用∣∣x∣∣=[x,x]=x12+x22...+xn2||x||= \sqrt{ [x,x]}=\sqrt{x_1^2+x^2_2...+x_n^2}x=[x,x]=x12+x22...+xn2 表示其长度(或范数),也就是向量的模。
所以对于高维像量我们由可以这样表示其内积:
[x,y]=∣∣x∣∣∣∣y∣∣cosθ[x,y]=||x|| ||y||cos\theta[x,y]=xycosθ两个向量夹角就是θ=arccos[x,y]∣∣x∣∣∣∣y∣∣\theta=arccos\frac{[x,y]}{||x|| ||y||}θ=arccosxy[x,y]
正交基: 设n维向量a1,a2...ara_1,a_2...a_ra1,a2...ar是向量空间V⊆RnV\subseteq R^nVRn的一个基,且他们两两正交,则他们是VVV正交基,若都是单位向量,则是标准正交基

Gram-Schmidt正交变化

a1,a2...ara_1,a_2...a_ra1,a2...ar是空间V的一个基,求V的一个标准正交基。这就是找一组两两正交且都是单位向量的e1,e2...ere_1,e_2...e_re1,e2...era1,a2...ara_1,a_2...a_ra1,a2...ar等价,这个过程称为a1,a2...ara_1,a_2...a_ra1,a2...ar标准正交化。我们使用的方法就是 Gram-Schmidt正交变化:
b1=a1b_1=a_1b1=a1
b2=a2−[b1,a2][b1,b1]b1b_2=a_2-\frac{[b_1,a_2]}{[b_1,b_1]}b_1b2=a2[b1,b1][b1,a2]b1

br=ar−[b1,ar][b1,b1]b1−[b2,ar][b2,b2]b2−...[br−1,ar][br−1,br−1]br−1b_r=a_r-\frac{[b_1,a_r]}{[b_1,b_1]}b_1-\frac{[b_2,a_r]}{[b_2,b_2]}b_2-...\frac{[b_{r-1},a_r]}{[b_{r-1},b_{r-1}]}b_{r-1}br=ar[b1,b1][b1,ar]b1[b2,b2][b2,ar]b2...[br1,br1][br1,ar]br1
我们使用前面的知识可以很容易证明b1,b2...brb_1,b_2...b_rb1,b2...br两两正交,且与a1,a2...ara_1,a_2...a_ra1,a2...ar等价,然后再单位化操作:
en=bn∣∣bn∣∣e_n=\frac{b_n}{||b_n||}en=bnbn

我们来证明b1与b2正交,并理解这个正交化操作的原理:

b1=a1b_1=a_1b1=a1
b2=a2−[b1,a1][b1,b1]b1b_2=a_2-\frac{[b_1,a_1]}{[b_1,b_1]}b_1b2=a2[b1,b1][b1,a1]b1
那么[b1,b2]=[a1,a2]−[a1,[b1,a2][b1,b1]b1]=[a1,a2]−[a1,a2]=0[b_1,b_2]=[a_1,a_2]-[a_1,\frac{[b_1,a_2]}{[b_1,b_1]}b_1]=[a_1,a_2]-[a_1,a_2]=0[b1,b2]=[a1,a2][a1,[b1,b1][b1,a2]b1]=[a1,a2][a1,a2]=0
我们知道[b1,a2][b1,b1]b1=∣∣b1∣∣∣∣a2∣∣cosθ∣∣b1∣∣∣∣b1∣∣b1\frac{[b_1,a_2]}{[b_1,b_1]}b_1=\frac{||b_1||||a_2||cos\theta}{||b_1||||b_1||}b_1[b1,b1][b1,a2]b1=b1b1b1a2cosθb1,这就是求a2a_2a2b1(a1)b_1(a_1)b1(a1)上的投影,a2−投影a_2-投影a2就得到了一个垂直b1(a1)b_1(a_1)b1(a1)的向量,如下图:
在这里插入图片描述
所以b1b_1b1b2b_2b2垂直。

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