实内积、诱导范数与所需不等式
实向量空间上的内积是取值于实数的映射 ⟨ u , v ⟩ \langle u,v\rangle ⟨ u , v ⟩ ,它对称、对每个变量线性,并且正定:v ≠ 0 v\ne0 v = 0 时 ⟨ v , v ⟩ > 0 \langle v,v\rangle>0 ⟨ v , v ⟩ > 0 。线性性给出 ⟨ 0 , v ⟩ = 0 \langle0,v\rangle=0 ⟨ 0 , v ⟩ = 0 。定义 ∥ v ∥ = ⟨ v , v ⟩ \|v\|=\sqrt{\langle v,v\rangle} ∥ v ∥ = ⟨ v , v ⟩ ,则范数恰在零向量处为零,且 ∥ c v ∥ = ∣ c ∣ ∥ v ∥ \|cv\|=|c|\|v\| ∥ c v ∥ = ∣ c ∣∥ v ∥ 。R m \mathbb R^m R m 上的标准例子是 ⟨ u , v ⟩ = ∑ i = 1 m u i v i \langle u,v\rangle=\sum_{i=1}^mu_iv_i ⟨ u , v ⟩ = ∑ i = 1 m u i v i 。内积为零的向量称为正交;不同成员互相正交且每个成员范数为一的列表称为正交规范列表。
若 v ≠ 0 v\ne0 v = 0 ,将 t = ⟨ u , v ⟩ / ∥ v ∥ 2 t=\langle u,v\rangle/\|v\|^2 t = ⟨ u , v ⟩ /∥ v ∥ 2 代入非负平方 ∥ u − t v ∥ 2 \|u-tv\|^2 ∥ u − t v ∥ 2 ,以双线性展开得 ∥ u ∥ 2 − ⟨ u , v ⟩ 2 / ∥ v ∥ 2 ≥ 0 \|u\|^2-\langle u,v\rangle^2/\|v\|^2\ge0 ∥ u ∥ 2 − ⟨ u , v ⟩ 2 /∥ v ∥ 2 ≥ 0 ,故 ∣ ⟨ u , v ⟩ ∣ ≤ ∥ u ∥ ∥ v ∥ |\langle u,v\rangle|\le\|u\|\|v\| ∣ ⟨ u , v ⟩ ∣ ≤ ∥ u ∥∥ v ∥ 。若 v = 0 v=0 v = 0 ,该不等式直接成立。对 v ≠ 0 v\ne0 v = 0 ,等号意味着 ∥ u − t v ∥ = 0 \|u-tv\|=0 ∥ u − t v ∥ = 0 ,等价于 u = t v u=tv u = t v ;零向量情形也取等。最后展开 ∥ u + v ∥ 2 \|u+v\|^2 ∥ u + v ∥ 2 并对交叉项使用该界,得到 ∥ u + v ∥ 2 ≤ ( ∥ u ∥ + ∥ v ∥ ) 2 \|u+v\|^2\le(\|u\|+\|v\|)^2 ∥ u + v ∥ 2 ≤ ( ∥ u ∥ + ∥ v ∥ ) 2 。待开方的两边非负,因此得到三角不等式。这确实定义了范数,任何非零向量的归一化都只除以正实数;这里不使用复双线性的约定。
不预设计数结论的有限基存在与扩充
设实向量空间 V V V 已给定有限生成列表 t 1 , … , t N t_1,\ldots,t_N t 1 , … , t N 。先证明任何线性无关列表 u 1 , … , u k u_1,\ldots,u_k u 1 , … , u k 的长度不超过 N N N 。插入 j j j 个向量后,维持一个由 u 1 , … , u j u_1,\ldots,u_j u 1 , … , u j 与 N − j N-j N − j 个剩余旧向量组成的生成列表。将 u j + 1 u_{j+1} u j + 1 按此列表展开,至少一个剩余旧向量的系数非零;否则它在先前 u i u_i u i 的张成空间中,与无关性矛盾。解出这个旧向量,再以 u j + 1 u_{j+1} u j + 1 取代它。新列表仍张成同一空间,而且保留全部先前插入向量。若 k > N k>N k > N ,则 N N N 步后前 N N N 个向量已张成 V V V ,与 u N + 1 u_{N+1} u N + 1 的无关性矛盾。此即所需上界,也包括 N = 0 N=0 N = 0 。
每个子空间 W W W 都有有限基。从空的无关列表开始;若当前张成空间尚不是 W W W ,就在 W W W 中取一个不在该张成空间内的向量。若新向量在某关系中的系数非零,就能由旧向量表示它,矛盾,故新列表仍无关。已证上界允许至多添加 N N N 次,所以过程必停止于 W W W 的无关生成列表。若 W = { 0 } W=\{0\} W = { 0 } ,立即得到空基。改从 W W W 内任意给定无关列表开始,同样证明该列表可扩充为 W W W 的基;只需有界有限次选择。最后,若两组基的长度为 p , q p,q p , q ,分别把它们用作上界证明中的有限生成列表,得到 p ≤ q p\le q p ≤ q 与 q ≤ p q\le p q ≤ p 。故基的长度有良定义,称为维数。这些论证补足秩–零度定理所用的基存在、扩充与维数事实。
正交规范基,以及保留指定向量的扩充
再设 V V V 具有实正定内积。对无关列表 v 1 , … , v s v_1,\ldots,v_s v 1 , … , v s ,逐次定义
w j = v j − ∑ i < j ⟨ v j , q i ⟩ q i , q j = w j / ∥ w j ∥ . w_j=v_j-\sum_{i<j}\langle v_j,q_i\rangle q_i,\qquad q_j=w_j/\|w_j\|. w j = v j − i < j ∑ ⟨ v j , q i ⟩ q i , q j = w j /∥ w j ∥.
归纳假设先前 q i q_i q i 正交规范。对 l < j l<j l < j 与 q l q_l q l 取内积,得 ⟨ w j , q l ⟩ = ⟨ v j , q l ⟩ − ⟨ v j , q l ⟩ = 0 \langle w_j,q_l\rangle=\langle v_j,q_l\rangle-\langle v_j,q_l\rangle=0 ⟨ w j , q l ⟩ = ⟨ v j , q l ⟩ − ⟨ v j , q l ⟩ = 0 。若 w j = 0 w_j=0 w j = 0 ,则 v j v_j v j 在先前张成空间中,矛盾,因此可合法除以它的正范数。所列公式及其移项式说明前 j j j 个新旧向量张成相同空间,归纳完成。用于一组基就得到正交规范基,子空间亦然。若要扩充一组指定的正交规范向量,先由已证定理将它扩充为普通基,再按此顺序进行上述构造。原先指定的向量没有分量被减去,范数又为一,所以全都精确保留。空列表与零子空间无需相除。这证明了 SVD 及投影存在性所用的正交规范扩充。
正交基能让内积和坐标计算变得简单,但题目给出的基底通常只是任意的线性无关向量组。
Gram-Schmidt 按顺序逐步删去已经由较早方向解释的成分,把它变成正交向量组。输入顺序
很重要:换一个顺序可能得到不同的输出,但输出仍然张成同一个子空间。
投影想法
先考虑一个非零向量 v v v 和一个向量 w w w 。要从 w w w 中扣除 v v v 的一个倍数,并让余量垂直于 v v v ,系数 c c c 必须满足
0 = ⟨ w − c v , v ⟩ = ⟨ w , v ⟩ − c ∥ v ∥ 2 , c = ⟨ w , v ⟩ ∥ v ∥ 2 . 0=\langle w-cv,v\rangle=\langle w,v\rangle-c\|v\|^2,
\qquad c=\frac{\langle w,v\rangle}{\|v\|^2}. 0 = ⟨ w − c v , v ⟩ = ⟨ w , v ⟩ − c ∥ v ∥ 2 , c = ∥ v ∥ 2 ⟨ w , v ⟩ .
由于 v ≠ 0 v\ne0 v = 0 ,分母为正,系数也唯一。对多个两两正交的方向,扣除其中一个方向的分量不会改变与其余方向的内积。
假设 v 1 , … , v k v_1,\dots,v_k v 1 , … , v k 已经是非零且两两正交的向量,并令 w ∈ R m w\in\mathbb{R}^m w ∈ R m 。w w w
沿 v i v_i v i 的分量系数是
⟨ w , v i ⟩ ∥ v i ∥ 2 . \frac{\langle w,v_i\rangle}{\|v_i\|^2}. ∥ v i ∥ 2 ⟨ w , v i ⟩ .
扣除所有旧正交方向后留下的部分是
r = w − ∑ i = 1 k ⟨ w , v i ⟩ ∥ v i ∥ 2 v i . r=w-\sum_{i=1}^{k}\frac{\langle w,v_i\rangle}{\|v_i\|^2}v_i. r = w − i = 1 ∑ k ∥ v i ∥ 2 ⟨ w , v i ⟩ v i .
分母合法,是因为正交集不含零向量。当 k = 0 k=0 k = 0 时,和是空和,r = w r=w r = w 。这对零子空间
很有用,但绝不会要求我们规范化零向量。
定理
正交余量定理 设 S = { v 1 , … , v k } S=\{v_1,\dots,v_k\} S = { v 1 , … , v k } 是 R m \mathbb{R}^m R m 中的正交集,且 w ∈ R m w\in\mathbb{R}^m w ∈ R m 。定义
r = w − ∑ j = 1 k ⟨ w , v j ⟩ ∥ v j ∥ 2 v j . r=w-\sum_{j=1}^{k}\frac{\langle w,v_j\rangle}{\|v_j\|^2}v_j. r = w − j = 1 ∑ k ∥ v j ∥ 2 ⟨ w , v j ⟩ v j . 则对每个 i i i 都有 ⟨ r , v i ⟩ = 0 \langle r,v_i\rangle=0 ⟨ r , v i ⟩ = 0 ,即 r r r 与 S S S 中的每个向量正交。
固定 v i v_i v i 展开内积:
⟨ r , v i ⟩ = ⟨ w , v i ⟩ − ∑ j = 1 k ⟨ w , v j ⟩ ∥ v j ∥ 2 ⟨ v j , v i ⟩ . \langle r,v_i\rangle
=\langle w,v_i\rangle-
\sum_{j=1}^{k}
\frac{\langle w,v_j\rangle}{\|v_j\|^2}\langle v_j,v_i\rangle. ⟨ r , v i ⟩ = ⟨ w , v i ⟩ − j = 1 ∑ k ∥ v j ∥ 2 ⟨ w , v j ⟩ ⟨ v j , v i ⟩ .
当 j ≠ i j\ne i j = i 时的项都为零,剩下
⟨ w , v i ⟩ − ⟨ w , v i ⟩ = 0 \langle w,v_i\rangle-\langle w,v_i\rangle=0 ⟨ w , v i ⟩ − ⟨ w , v i ⟩ = 0 。若 r = 0 r=0 r = 0 ,这只说明 w w w 已经在先前
的张成空间中;对任意 w w w 来说这种情况可能发生。Gram-Schmidt 要求输入线性无关,正是
为了排除每一步出现这种零余量。
投影与张成空间判别
对正交列表 S = { v 1 , … , v k } S=\{v_1,\dots,v_k\} S = { v 1 , … , v k } ,同一个公式还给出成员资格判别。定义
r ( w ) = w − ∑ i = 1 k ⟨ w , v i ⟩ ∥ v i ∥ 2 v i . r(w)=w-\sum_{i=1}^{k}\frac{\langle w,v_i\rangle}{\|v_i\|^2}v_i. r ( w ) = w − i = 1 ∑ k ∥ v i ∥ 2 ⟨ w , v i ⟩ v i .
正交余量定理给出 r ( w ) ⊥ span S r(w)\perp\operatorname{span}S r ( w ) ⊥ span S ,并且
r ( w ) = 0 ⟺ w ∈ span S . r(w)=0
\quad\Longleftrightarrow\quad
w\in\operatorname{span}S. r ( w ) = 0 ⟺ w ∈ span S .
正向由投影公式立即得到。反过来,若 w = ∑ i α i v i w=\sum_i\alpha_i v_i w = ∑ i α i v i ,与 v i v_i v i 取内积,
由交叉项为零得到 α i = ⟨ w , v i ⟩ / ∥ v i ∥ 2 \alpha_i=\langle w,v_i\rangle/\|v_i\|^2 α i = ⟨ w , v i ⟩ /∥ v i ∥ 2 ;代回便有 r ( w ) = 0 r(w)=0 r ( w ) = 0 。
所以非零余量恰好记录 w w w 在当前张成空间外的部分。
证明
投影与正交余量 令 U = span S U=\operatorname{span}S U = span S ,并设
p ( w ) = ∑ i = 1 k ⟨ w , v i ⟩ ∥ v i ∥ 2 v i , r = w − p ( w ) . p(w)=\sum_{i=1}^{k}\frac{\langle w,v_i\rangle}{\|v_i\|^2}v_i,
\qquad r=w-p(w). p ( w ) = i = 1 ∑ k ∥ v i ∥ 2 ⟨ w , v i ⟩ v i , r = w − p ( w ) . 则 p ( w ) ∈ U p(w)\in U p ( w ) ∈ U ;正交余量定理给出 r r r 与每个生成向量 v i v_i v i 正交。由线性性,
r ⊥ U r\perp U r ⊥ U ,所以 w = p + r w=p+r w = p + r 。若 S S S 为空,和为 0 0 0 、U = { 0 } U=\{0\} U = { 0 } ,同一结论就是
w = 0 + w w=0+w w = 0 + w 。
若还有 w = p ′ + r ′ w=p'+r' w = p ′ + r ′ ,其中 p ′ ∈ U p'\in U p ′ ∈ U 且 r ′ ⊥ U r'\perp U r ′ ⊥ U ,令
z = p − p ′ = r ′ − r z=p-p'=r'-r z = p − p ′ = r ′ − r 。则 z ∈ U z\in U z ∈ U 且 z ⊥ U z\perp U z ⊥ U ,因此
⟨ z , z ⟩ = 0 \langle z,z\rangle=0 ⟨ z , z ⟩ = 0 ,从而 z = 0 z=0 z = 0 ;所以 p = p ′ p=p' p = p ′ 且 r = r ′ r=r' r = r ′ 。分解为 U U U 中部分
与正交余量是唯一的。
这个分解精确说明了“删去旧方向”的含义。p ( w ) p(w) p ( w ) 是由已有正交生成向量重构出的部分,
而 r r r 是它们的任何线性组合都不能解释的部分。若 w ∈ U w\in U w ∈ U ,成员资格判别给出 r = 0 r=0 r = 0 ;
若 w ∉ U w\notin U w ∈ / U ,则 r ≠ 0 r\ne0 r = 0 ,它提供一个垂直于 U U U 中所有方向的新方向。因此在
Gram-Schmidt 归纳中,独立输入不能消失。唯一性还说明满足这些条件的正交部分不会有两种
不同答案:z ∈ U ∩ U ⊥ z\in U\cap U^\perp z ∈ U ∩ U ⊥ 时,正定内积迫使 ⟨ z , z ⟩ = 0 \langle z,z\rangle=0 ⟨ z , z ⟩ = 0 ,于是 z = 0 z=0 z = 0 。
Gram-Schmidt 过程
定理
Gram-Schmidt 正交化过程 设 k ≥ 1 k\ge1 k ≥ 1 ,且 w 1 , … , w k w_1,\dots,w_k w 1 , … , w k 是 R m \mathbb{R}^m R m 中的线性无关
向量组。定义
v 1 = w 1 , v_1=w_1, v 1 = w 1 , 并对 ℓ = 2 , … , k \ell=2,\dots,k ℓ = 2 , … , k 定义
v ℓ = w ℓ − ∑ j = 1 ℓ − 1 ⟨ w ℓ , v j ⟩ ∥ v j ∥ 2 v j . v_\ell=w_\ell-\sum_{j=1}^{\ell-1}
\frac{\langle w_\ell,v_j\rangle}{\|v_j\|^2}v_j. v ℓ = w ℓ − j = 1 ∑ ℓ − 1 ∥ v j ∥ 2 ⟨ w ℓ , v j ⟩ v j . 则每个 v ℓ v_\ell v ℓ 都非零,v 1 , … , v k v_1,\dots,v_k v 1 , … , v k 两两正交,而且对每个 ℓ \ell ℓ ,
span { w 1 , … , w ℓ } = span { v 1 , … , v ℓ } . \operatorname{span}\{w_1,\dots,w_\ell\}
=
\operatorname{span}\{v_1,\dots,v_\ell\}. span { w 1 , … , w ℓ } = span { v 1 , … , v ℓ } .
空输入列表另行处理:它的张成空间是零子空间 { 0 } \{0\} { 0 } ,输出是空的正交列表。
这种情形没有要定义的 v 1 v_1 v 1 ,也没有向量需要规范化。
每一步必须使用已经构造的正交向量 v j v_j v j ,不能把原来的 w j w_j w j 当成彼此正交。否则独立
扣除各个 w j w_j w j 的投影,并不能移除正确的成分。
证明
归纳中的三个不变量 我们同时证明第 ℓ \ell ℓ 步的三个事实:(i) 新向量非零;(ii) 已构造向量两两正交;
(iii) 两个部分张成空间相等。基例是 v 1 = w 1 ≠ 0 v_1=w_1\ne0 v 1 = w 1 = 0 ,两个张成空间都是同一条直线。
假设这些事实已经对 ℓ − 1 \ell-1 ℓ − 1 成立。先前的 v j v_j v j 非零,所以 v ℓ v_\ell v ℓ 定义式中的每个
分母都合法。正交余量定理给出 v ℓ ⊥ v j v_\ell\perp v_j v ℓ ⊥ v j (j < ℓ j<\ell j < ℓ ),于是新的正交性成立。
定义式说明 v ℓ v_\ell v ℓ 是 w ℓ w_\ell w ℓ 与先前 v j v_j v j 的线性组合,因此新的 v v v -张成空间包含
于新的 w w w -张成空间。反过来整理定义式:
w ℓ = v ℓ + ∑ j = 1 ℓ − 1 ⟨ w ℓ , v j ⟩ ∥ v j ∥ 2 v j , w_\ell=v_\ell+
\sum_{j=1}^{\ell-1}
\frac{\langle w_\ell,v_j\rangle}{\|v_j\|^2}v_j, w ℓ = v ℓ + j = 1 ∑ ℓ − 1 ∥ v j ∥ 2 ⟨ w ℓ , v j ⟩ v j , 便得到反向包含,所以两个部分张成空间相等。最后,若 v ℓ = 0 v_\ell=0 v ℓ = 0 ,上式会把 w ℓ w_\ell w ℓ
放进
span { v 1 , … , v ℓ − 1 } = span { w 1 , … , w ℓ − 1 } \operatorname{span}\{v_1,\dots,v_{\ell-1}\}
=\operatorname{span}\{w_1,\dots,w_{\ell-1}\} span { v 1 , … , v ℓ − 1 } = span { w 1 , … , w ℓ − 1 } ,
这与输入线性无关矛盾。因此新向量非零,三个部分在不预先假设结论的情况下同时完成。
所以正交性不只是若干个点积为零;正交集还必须不含零向量。这个非零检查使后面的规范化
有合法分母。
在三维空间中扣除已有方向
例题
R 3 \mathbb R^3 R 3 中的三个线性无关向量取有序向量组
w 1 = [ 1 0 1 ] , w 2 = [ 1 1 1 ] , w 3 = [ 0 1 2 ] . w_1=\begin{bmatrix}1\\0\\1\end{bmatrix},\qquad
w_2=\begin{bmatrix}1\\1\\1\end{bmatrix},\qquad
w_3=\begin{bmatrix}0\\1\\2\end{bmatrix}. w 1 = 1 0 1 , w 2 = 1 1 1 , w 3 = 0 1 2 . 以它们为列的矩阵行列式是 2 2 2 ,所以输入线性无关。先有
v 1 = w 1 = [ 1 0 1 ] , ∥ v 1 ∥ 2 = 2. v_1=w_1=\begin{bmatrix}1\\0\\1\end{bmatrix},
\qquad \|v_1\|^2=2. v 1 = w 1 = 1 0 1 , ∥ v 1 ∥ 2 = 2. 第二步的系数为
⟨ w 2 , v 1 ⟩ ∥ v 1 ∥ 2 = 2 2 = 1 , v 2 = w 2 − v 1 = [ 0 1 0 ] . \frac{\langle w_2,v_1\rangle}{\|v_1\|^2}
=\frac{2}{2}=1,\qquad
v_2=w_2-v_1=\begin{bmatrix}0\\1\\0\end{bmatrix}. ∥ v 1 ∥ 2 ⟨ w 2 , v 1 ⟩ = 2 2 = 1 , v 2 = w 2 − v 1 = 0 1 0 . 第三步必须同时处理两个已经构造的方向:
⟨ w 3 , v 1 ⟩ ∥ v 1 ∥ 2 = 2 2 = 1 , ⟨ w 3 , v 2 ⟩ ∥ v 2 ∥ 2 = 1 1 = 1 , \frac{\langle w_3,v_1\rangle}{\|v_1\|^2}
=\frac{2}{2}=1,\qquad
\frac{\langle w_3,v_2\rangle}{\|v_2\|^2}
=\frac{1}{1}=1, ∥ v 1 ∥ 2 ⟨ w 3 , v 1 ⟩ = 2 2 = 1 , ∥ v 2 ∥ 2 ⟨ w 3 , v 2 ⟩ = 1 1 = 1 , 所以
v 3 = w 3 − v 1 − v 2 = [ − 1 0 1 ] . v_3=w_3-v_1-v_2=\begin{bmatrix}-1\\0\\1\end{bmatrix}. v 3 = w 3 − v 1 − v 2 = − 1 0 1 . 三个平方范数是 2 , 1 , 2 2,1,2 2 , 1 , 2 ,而且
⟨ v 1 , v 2 ⟩ = ⟨ v 1 , v 3 ⟩ = ⟨ v 2 , v 3 ⟩ = 0. \langle v_1,v_2\rangle=\langle v_1,v_3\rangle
=\langle v_2,v_3\rangle=0. ⟨ v 1 , v 2 ⟩ = ⟨ v 1 , v 3 ⟩ = ⟨ v 2 , v 3 ⟩ = 0. 张成空间的保持也能直接看出:
w 2 = v 1 + v 2 , w 3 = v 1 + v 2 + v 3 . w_2=v_1+v_2,\qquad w_3=v_1+v_2+v_3. w 2 = v 1 + v 2 , w 3 = v 1 + v 2 + v 3 . 因此输出和输入张成完全相同的 R 3 \mathbb{R}^3 R 3 。
第三步的算术可以在接受答案前逐项核对:⟨ w 3 , v 1 ⟩ = 0 ⋅ 1 + 1 ⋅ 0 + 2 ⋅ 1 = 2 \langle w_3,v_1\rangle=0\cdot1+1\cdot0+2\cdot1=2 ⟨ w 3 , v 1 ⟩ = 0 ⋅ 1 + 1 ⋅ 0 + 2 ⋅ 1 = 2 ,
而 ⟨ w 3 , v 2 ⟩ = 0 ⋅ 0 + 1 ⋅ 1 + 2 ⋅ 0 = 1 \langle w_3,v_2\rangle=0\cdot0+1\cdot1+2\cdot0=1 ⟨ w 3 , v 2 ⟩ = 0 ⋅ 0 + 1 ⋅ 1 + 2 ⋅ 0 = 1 。所以扣除
( 1 , 0 , 1 ) T + ( 0 , 1 , 0 ) T (1,0,1)^T+(0,1,0)^T ( 1 , 0 , 1 ) T + ( 0 , 1 , 0 ) T 后确实得到 ( − 1 , 0 , 1 ) T (-1,0,1)^T ( − 1 , 0 , 1 ) T ,负的第一坐标不是猜出的符号。
反例模式
为什么不能用原来的 w 向量代替 v 向量 若错误地用原向量计算第三步,会得到
w 3 − ⟨ w 3 , w 1 ⟩ ∥ w 1 ∥ 2 w 1 − ⟨ w 3 , w 2 ⟩ ∥ w 2 ∥ 2 w 2 = w 3 − w 1 − w 2 = [ − 2 0 0 ] . w_3-
\frac{\langle w_3,w_1\rangle}{\|w_1\|^2}w_1-
\frac{\langle w_3,w_2\rangle}{\|w_2\|^2}w_2
=w_3-w_1-w_2=\begin{bmatrix}-2\\0\\0\end{bmatrix}. w 3 − ∥ w 1 ∥ 2 ⟨ w 3 , w 1 ⟩ w 1 − ∥ w 2 ∥ 2 ⟨ w 3 , w 2 ⟩ w 2 = w 3 − w 1 − w 2 = − 2 0 0 . 这个向量与 w 1 w_1 w 1 的点积是 − 2 -2 − 2 ,因此并不正交。修正方法是对 v 1 , v 2 v_1,v_2 v 1 , v 2 做投影扣除,
所得 v 3 = ( − 1 , 0 , 1 ) T v_3=(-1,0,1)^T v 3 = ( − 1 , 0 , 1 ) T 才正确。两组向量不同,但每一步的部分张成空间相同。
准确保留投影系数中的分数
这里的投影系数是分数。每次相减时保留精确分数,再核对正交性与张成空间相等。
例题
三维空间中的分数投影系数 从
w 1 = ( 1 , 1 , 0 ) T , w 2 = ( 1 , 0 , 1 ) T , w 3 = ( 0 , 1 , 1 ) T w_1=(1,1,0)^T,\qquad w_2=(1,0,1)^T,\qquad w_3=(0,1,1)^T w 1 = ( 1 , 1 , 0 ) T , w 2 = ( 1 , 0 , 1 ) T , w 3 = ( 0 , 1 , 1 ) T 开始。
以这些向量为列的行列式是 − 2 -2 − 2 ,所以它们线性无关。这里 ∥ v 2 ∥ 2 = 3 / 2 \|v_2\|^2=3/2 ∥ v 2 ∥ 2 = 3/2 ,并且
⟨ w 3 , v 2 ⟩ = 0 ( 1 / 2 ) + 1 ( − 1 / 2 ) + 1 ( 1 ) = 1 / 2 \langle w_3,v_2\rangle=0(1/2)+1(-1/2)+1(1)=1/2 ⟨ w 3 , v 2 ⟩ = 0 ( 1/2 ) + 1 ( − 1/2 ) + 1 ( 1 ) = 1/2 ;第三步的第二个系数是
( 1 / 2 ) / ( 3 / 2 ) = 1 / 3 (1/2)/(3/2)=1/3 ( 1/2 ) / ( 3/2 ) = 1/3 。所得 v 3 v_3 v 3 的平方范数为 4 / 3 4/3 4/3 ,直接计算还给出
v 1 ⋅ v 2 = v 1 ⋅ v 3 = v 2 ⋅ v 3 = 0 v_1\cdot v_2=v_1\cdot v_3=v_2\cdot v_3=0 v 1 ⋅ v 2 = v 1 ⋅ v 3 = v 2 ⋅ v 3 = 0 。
规范化与边界情况
定理
从正交基得到标准正交基 若 v 1 , … , v k v_1,\dots,v_k v 1 , … , v k 是正交基,定义
u i = v i ∥ v i ∥ . u_i=\frac{v_i}{\|v_i\|}. u i = ∥ v i ∥ v i . 每个 u i u_i u i 的范数都是 1 1 1 ,缩放不改变两两正交性,所以得到同一子空间的标准正交基。
例题
规范化第一个 R 3 \mathbb R^3 R 3 输出 对第一个 R 3 \mathbb R^3 R 3 例子,
∥ v 1 ∥ = 2 , ∥ v 2 ∥ = 1 , ∥ v 3 ∥ = 2 . \|v_1\|=\sqrt2,\qquad \|v_2\|=1,\qquad \|v_3\|=\sqrt2. ∥ v 1 ∥ = 2 , ∥ v 2 ∥ = 1 , ∥ v 3 ∥ = 2 . 因此
u 1 = 1 2 [ 1 0 1 ] , u 2 = [ 0 1 0 ] , u 3 = 1 2 [ − 1 0 1 ] . u_1=\frac1{\sqrt2}\begin{bmatrix}1\\0\\1\end{bmatrix},\qquad
u_2=\begin{bmatrix}0\\1\\0\end{bmatrix},\qquad
u_3=\frac1{\sqrt2}\begin{bmatrix}-1\\0\\1\end{bmatrix}. u 1 = 2 1 1 0 1 , u 2 = 0 1 0 , u 3 = 2 1 − 1 0 1 . 这里沿用的是第一个输出,而不是静态表格的另一组输入。
因为范数为正,u i u_i u i 与 v i v_i v i 方向相同;乘回 ∥ v i ∥ \|v_i\| ∥ v i ∥ 会得到原向量,而不是它的相反向量。
单位长度可直接核对:∥ u 1 ∥ 2 = ( 1 / 2 ) ∥ v 1 ∥ 2 = 1 \|u_1\|^2=(1/2)\|v_1\|^2=1 ∥ u 1 ∥ 2 = ( 1/2 ) ∥ v 1 ∥ 2 = 1 ,∥ u 2 ∥ 2 = 1 \|u_2\|^2=1 ∥ u 2 ∥ 2 = 1 ,
∥ u 3 ∥ 2 = ( 1 / 2 ) ∥ v 3 ∥ 2 = 1 \|u_3\|^2=(1/2)\|v_3\|^2=1 ∥ u 3 ∥ 2 = ( 1/2 ) ∥ v 3 ∥ 2 = 1 。并且 v i = ∥ v i ∥ u i v_i=\|v_i\|u_i v i = ∥ v i ∥ u i ,所以由 u i u_i u i 乘回范数
就得到 v i v_i v i ;规范化保持每一个张成空间等式的两个方向。
例题
从 R 4 \mathbb R^4 R 4 约束得到标准正交基 令
V = N [ 1 1 1 1 ] = { x ∈ R 4 : x 1 + x 2 + x 3 + x 4 = 0 } . V=N\begin{bmatrix}1&1&1&1\end{bmatrix}
=\{x\in\mathbb{R}^4:x_1+x_2+x_3+x_4=0\}. V = N [ 1 1 1 1 ] = { x ∈ R 4 : x 1 + x 2 + x 3 + x 4 = 0 } . 写成 x = ( − a − b − c , a , b , c ) T x=(-a-b-c,a,b,c)^T x = ( − a − b − c , a , b , c ) T ,可见 V V V 的一个基为
w 1 = [ − 1 1 0 0 ] , w 2 = [ − 1 0 1 0 ] , w 3 = [ − 1 0 0 1 ] . w_1=\begin{bmatrix}-1\\1\\0\\0\end{bmatrix},\quad
w_2=\begin{bmatrix}-1\\0\\1\\0\end{bmatrix},\quad
w_3=\begin{bmatrix}-1\\0\\0\\1\end{bmatrix}. w 1 = − 1 1 0 0 , w 2 = − 1 0 1 0 , w 3 = − 1 0 0 1 . 这些向量线性无关:若 a 1 w 1 + a 2 w 2 + a 3 w 3 = 0 a_1w_1+a_2w_2+a_3w_3=0 a 1 w 1 + a 2 w 2 + a 3 w 3 = 0 ,第 2、3、4 个坐标分别迫使
a 1 = a 2 = a 3 = 0 a_1=a_2=a_3=0 a 1 = a 2 = a 3 = 0 。约束方程也直接说明它们都在 V V V 中。
Gram-Schmidt 给出
v 1 = w 1 , v 2 = w 2 − 1 2 v 1 = [ − 1 / 2 − 1 / 2 1 0 ] , v_1=w_1,\qquad
v_2=w_2-\frac12v_1=
\begin{bmatrix}-1/2\\-1/2\\1\\0\end{bmatrix}, v 1 = w 1 , v 2 = w 2 − 2 1 v 1 = − 1/2 − 1/2 1 0 , 这里 ⟨ w 2 , v 1 ⟩ = 1 \langle w_2,v_1\rangle=1 ⟨ w 2 , v 1 ⟩ = 1 、∥ v 1 ∥ 2 = 2 \|v_1\|^2=2 ∥ v 1 ∥ 2 = 2 ,所以系数为 1 / 2 1/2 1/2 。另外
⟨ w 3 , v 1 ⟩ = 1 \langle w_3,v_1\rangle=1 ⟨ w 3 , v 1 ⟩ = 1 ,而 ⟨ w 3 , v 2 ⟩ = 1 / 2 \langle w_3,v_2\rangle=1/2 ⟨ w 3 , v 2 ⟩ = 1/2 、∥ v 2 ∥ 2 = 3 / 2 \|v_2\|^2=3/2 ∥ v 2 ∥ 2 = 3/2 ,
所以系数为 ( 1 / 2 ) / ( 3 / 2 ) = 1 / 3 (1/2)/(3/2)=1/3 ( 1/2 ) / ( 3/2 ) = 1/3 。于是
v 3 = w 3 − 1 2 v 1 − 1 3 v 2 = [ − 1 / 3 − 1 / 3 − 1 / 3 1 ] . v_3=w_3-\frac12v_1-\frac13v_2
=\begin{bmatrix}-1/3\\-1/3\\-1/3\\1\end{bmatrix}. v 3 = w 3 − 2 1 v 1 − 3 1 v 2 = − 1/3 − 1/3 − 1/3 1 . 平方范数为 2 , 3 / 2 , 4 / 3 2,3/2,4/3 2 , 3/2 , 4/3 ,规范化后得到
u 1 = 1 2 [ − 1 1 0 0 ] , u 2 = 1 6 [ − 1 − 1 2 0 ] , u 3 = 1 12 [ − 1 − 1 − 1 3 ] . u_1=\frac1{\sqrt2}\begin{bmatrix}-1\\1\\0\\0\end{bmatrix},\quad
u_2=\frac1{\sqrt6}\begin{bmatrix}-1\\-1\\2\\0\end{bmatrix},\quad
u_3=\frac1{\sqrt{12}}\begin{bmatrix}-1\\-1\\-1\\3\end{bmatrix}. u 1 = 2 1 − 1 1 0 0 , u 2 = 6 1 − 1 − 1 2 0 , u 3 = 12 1 − 1 − 1 − 1 3 . 例如 ∥ v 2 ∥ 2 = 1 / 4 + 1 / 4 + 1 = 3 / 2 \|v_2\|^2=1/4+1/4+1=3/2 ∥ v 2 ∥ 2 = 1/4 + 1/4 + 1 = 3/2 ,∥ v 3 ∥ 2 = 1 / 9 + 1 / 9 + 1 / 9 + 1 = 4 / 3 \|v_3\|^2=1/9+1/9+1/9+1=4/3 ∥ v 3 ∥ 2 = 1/9 + 1/9 + 1/9 + 1 = 4/3 ;
显示的缩放因子确实使三个范数都为 1 1 1 。每个向量的坐标和为零,每一对的点积为零。又因
v i = ∥ v i ∥ u i v_i=\|v_i\|u_i v i = ∥ v i ∥ u i ,把 u i u_i u i 乘回范数即可得到 v i v_i v i ,所以规范化保持每一个张成空间等式
的两个方向。由于零空间维数是 3 3 3 ,这三个向量构成 V V V 的标准正交基。
R 4 \mathbb R^4 R 4 计算还可以双向核对张成空间。由三个定义式,
w 2 = v 2 + 1 2 v 1 , w 3 = v 3 + 1 2 v 1 + 1 3 v 2 . w_2=v_2+\frac12v_1,\qquad
w_3=v_3+\frac12v_1+\frac13v_2. w 2 = v 2 + 2 1 v 1 , w 3 = v 3 + 2 1 v 1 + 3 1 v 2 . 反过来,每个 v i v_i v i 都由相应的 w i w_i w i 与较早向量构成;这是一个对角系数都为 1 1 1 的三角
变换,所以没有丢失任何方向。规范化后的向量仍在 V V V 中:u 1 u_1 u 1 的坐标和为
( − 1 + 1 ) / 2 = 0 (-1+1)/\sqrt2=0 ( − 1 + 1 ) / 2 = 0 ,u 2 u_2 u 2 的坐标和为 ( − 1 − 1 + 2 ) / 6 = 0 (-1-1+2)/\sqrt6=0 ( − 1 − 1 + 2 ) / 6 = 0 ,u 3 u_3 u 3 的坐标和为
( − 1 − 1 − 1 + 3 ) / 12 = 0 (-1-1-1+3)/\sqrt{12}=0 ( − 1 − 1 − 1 + 3 ) / 12 = 0 。它们的平方范数分别是 2 / 2 2/2 2/2 、( 1 + 1 + 4 ) / 6 (1+1+4)/6 ( 1 + 1 + 4 ) /6 和
( 1 + 1 + 1 + 9 ) / 12 (1+1+1+9)/12 ( 1 + 1 + 1 + 9 ) /12 ,都等于 1 1 1 ;这些坐标核对独立确认了约束和规范化。
定理
每个有限维子空间都有标准正交基 R m \mathbb{R}^m R m 的每个子空间都有有限基。正维数时,Gram-Schmidt 产生非零正交基,再规范化
便得到标准正交基。零子空间是边界情况:它的空集基已经是正交基和标准正交基,不需要
对任何向量除以范数。
常见错误
相关输入会产生零余量 若 w 1 = ( 1 , 0 ) T w_1=(1,0)^T w 1 = ( 1 , 0 ) T 、w 2 = ( 2 , 0 ) T w_2=(2,0)^T w 2 = ( 2 , 0 ) T ,则
v 2 = w 2 − ⟨ w 2 , v 1 ⟩ ∥ v 1 ∥ 2 v 1 = ( 2 , 0 ) T − 2 ( 1 , 0 ) T = 0. v_2=w_2-\frac{\langle w_2,v_1\rangle}{\|v_1\|^2}v_1
=(2,0)^T-2(1,0)^T=0. v 2 = w 2 − ∥ v 1 ∥ 2 ⟨ w 2 , v 1 ⟩ v 1 = ( 2 , 0 ) T − 2 ( 1 , 0 ) T = 0. 下一步规范化就没有定义。应先按线性无关性检查删去冗余向量;Gram-Schmidt 的输入应当
是线性无关的有序向量组。
快速检查
思考检查
Gram-Schmidt 的第一个向量 v 1 v_1 v 1 是什么?
解答 · 答案 v 1 = w 1 v_1=w_1 v 1 = w 1 ;第一个输入方向原样保留。
思考检查
Gram-Schmidt 除了正交性还保持什么性质?
解答 · 答案 它保持每个部分张成空间:
span { w 1 , … , w ℓ } = span { v 1 , … , v ℓ } \operatorname{span}\{w_1,\dots,w_\ell\}=\operatorname{span}\{v_1,\dots,v_\ell\} span { w 1 , … , w ℓ } = span { v 1 , … , v ℓ } 。
解答 · 答案 对每个非零 v i v_i v i 除以范数:u i = v i / ∥ v i ∥ u_i=v_i/\|v_i\| u i = v i /∥ v i ∥ 。
思考检查
对 w 1 = ( 1 , 2 , 0 ) w_1=(1,2,0) w 1 = ( 1 , 2 , 0 ) 与 w 2 = ( 2 , 0 , 1 ) w_2=(2,0,1) w 2 = ( 2 , 0 , 1 ) 做前两步 Gram-Schmidt。
解答 · 引导解答 v 1 = ( 1 , 2 , 0 ) T v_1=(1,2,0)^T v 1 = ( 1 , 2 , 0 ) T ,投影系数为
⟨ w 2 , v 1 ⟩ / ∥ v 1 ∥ 2 = 2 / 5 \langle w_2,v_1\rangle/\|v_1\|^2=2/5 ⟨ w 2 , v 1 ⟩ /∥ v 1 ∥ 2 = 2/5 ,因此
v 2 = ( 2 , 0 , 1 ) T − 2 5 ( 1 , 2 , 0 ) T = ( 8 / 5 , − 4 / 5 , 1 ) T . v_2=(2,0,1)^T-\frac25(1,2,0)^T=(8/5,-4/5,1)^T. v 2 = ( 2 , 0 , 1 ) T − 5 2 ( 1 , 2 , 0 ) T = ( 8/5 , − 4/5 , 1 ) T . 核对 v 1 ⋅ v 2 = 8 / 5 − 8 / 5 = 0 v_1\cdot v_2=8/5-8/5=0 v 1 ⋅ v 2 = 8/5 − 8/5 = 0 。而且 w 2 = v 2 + 2 5 v 1 w_2=v_2+\frac25v_1 w 2 = v 2 + 5 2 v 1 ,
所以新旧两组向量张成同一个平面。
思考检查
为什么独立输入列表出现零余量就说明有问题?
解答 · 引导解答 余量为零当且仅当当前向量在先前向量的张成空间中,这与线性无关性矛盾。
思考检查
若正交向量 v 1 , v 2 v_1,v_2 v 1 , v 2 的范数分别是 3 和 4,对应的单位向量是什么?
解答 · 引导解答 它们是 u 1 = v 1 / 3 u_1=v_1/3 u 1 = v 1 /3 与 u 2 = v 2 / 4 u_2=v_2/4 u 2 = v 2 /4 ;二者范数为 1 1 1 ,仍然正交。
思想史
Gram–Schmidt 这个名称之前的正交化
相关笔记
先阅读
9.2 正交集与标准正交基 ,
因为 Gram-Schmidt 建立在正交坐标公式上。约束空间例子也使用
6.2 子空间 和
6.5 基底与维数 的零空间与基方法。
下一节
9.4 Cauchy-Schwarz 与三角不等式
会发展控制这些内积计算的估计。