有限实矩阵乘法法则的证明
设 m , n , p , q m,n,p,q m , n , p , q 为正整数,A ∈ R m × n A\in\mathbb R^{m\times n} A ∈ R m × n 、B ∈ R n × p B\in\mathbb R^{n\times p} B ∈ R n × p 、C ∈ R p × q C\in\mathbb R^{p\times q} C ∈ R p × q 。以下只用行乘列定义与实数的有限求和。对任意输出位置 ( i , ℓ ) (i,\ell) ( i , ℓ ) ,
( ( A B ) C ) i ℓ = ∑ k = 1 p ( ∑ j = 1 n a i j b j k ) c k ℓ = ∑ j = 1 n a i j ( ∑ k = 1 p b j k c k ℓ ) = ( A ( B C ) ) i ℓ . \begin{aligned}
((AB)C)_{i\ell}
&=\sum_{k=1}^{p}\left(\sum_{j=1}^{n}a_{ij}b_{jk}\right)c_{k\ell}\\
&=\sum_{j=1}^{n}a_{ij}\left(\sum_{k=1}^{p}b_{jk}c_{k\ell}\right)
=(A(BC))_{i\ell}.
\end{aligned} (( A B ) C ) i ℓ = k = 1 ∑ p ( j = 1 ∑ n a ij b jk ) c k ℓ = j = 1 ∑ n a ij ( k = 1 ∑ p b jk c k ℓ ) = ( A ( BC ) ) i ℓ .
中间等号只交换两个有限和的求和次序,并使用实数分配律。两边同为 m × q m\times q m × q 矩阵,每个位置相等,便证明结合律;没有调换矩阵因子的次序。
对 D ∈ R n × p D\in\mathbb R^{n\times p} D ∈ R n × p ,同一定义给出
[ A ( B + D ) ] i k = ∑ j = 1 n a i j ( b j k + d j k ) = ( A B ) i k + ( A D ) i k . [A(B+D)]_{ik}=\sum_{j=1}^{n}a_{ij}(b_{jk}+d_{jk})
=(AB)_{ik}+(AD)_{ik}. [ A ( B + D ) ] ik = j = 1 ∑ n a ij ( b jk + d jk ) = ( A B ) ik + ( A D ) ik .
对 E ∈ R m × n E\in\mathbb R^{m\times n} E ∈ R m × n ,则有
[ ( A + E ) B ] i k = ∑ j = 1 n ( a i j + e i j ) b j k = ( A B ) i k + ( E B ) i k . [(A+E)B]_{ik}=\sum_{j=1}^{n}(a_{ij}+e_{ij})b_{jk}
=(AB)_{ik}+(EB)_{ik}. [( A + E ) B ] ik = j = 1 ∑ n ( a ij + e ij ) b jk = ( A B ) ik + ( EB ) ik .
所以在所写的相容大小下,两条分配律均成立。对任意实标量 c c c ,
[ ( c A ) B ] i k = ∑ j ( c a i j ) b j k = c ∑ j a i j b j k = ∑ j a i j ( c b j k ) = [ A ( c B ) ] i k , [(cA)B]_{ik}=\sum_j(ca_{ij})b_{jk}
=c\sum_j a_{ij}b_{jk}
=\sum_j a_{ij}(cb_{jk})=[A(cB)]_{ik}, [( c A ) B ] ik = j ∑ ( c a ij ) b jk = c j ∑ a ij b jk = j ∑ a ij ( c b jk ) = [ A ( c B ) ] ik ,
逐项相等便证明 ( c A ) B = c ( A B ) = A ( c B ) (cA)B=c(AB)=A(cB) ( c A ) B = c ( A B ) = A ( c B ) 。特别地,对 x , y ∈ R n x,y\in\mathbb R^n x , y ∈ R n 与实数 s , t s,t s , t ,
[ A ( s x + t y ) ] i = ∑ j a i j ( s x j + t y j ) = s ( A x ) i + t ( A y ) i . [A(sx+ty)]_i=\sum_j a_{ij}(sx_j+ty_j)
=s(Ax)_i+t(Ay)_i. [ A ( s x + t y ) ] i = j ∑ a ij ( s x j + t y j ) = s ( A x ) i + t ( A y ) i .
这证明了比较同一线性系统的解时所用的矩阵乘向量线性性质。所有恒等式都只针对大小相容的有限实矩阵,不声称任意矩阵因子可交换或可消去。
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。
QR 唯一性所用的上三角逆矩阵
设整数 n ≥ 1 n\geq1 n ≥ 1 ,R = ( r i j ) R=(r_{ij}) R = ( r ij ) 为实 n × n n\times n n × n 上三角矩阵,且每个 r i i ≠ 0 r_{ii}\ne0 r ii = 0 。对任意 b ∈ R n b\in\mathbb R^n b ∈ R n ,从最后一行向上解 R x = b Rx=b R x = b :
x i = b i − ∑ k = i + 1 n r i k x k r i i , i = n , n − 1 , … , 1. x_i=\frac{b_i-\sum_{k=i+1}^n r_{ik}x_k}{r_{ii}},\qquad i=n,n-1,\ldots,1. x i = r ii b i − ∑ k = i + 1 n r ik x k , i = n , n − 1 , … , 1.
每步右边的项都已经确定,所以该公式给出一个解;同一个向下归纳也证明解唯一。因此 R R R 可逆。为求 R − 1 R^{-1} R − 1 的第 j j j 列,取 b = e j b=e_j b = e j 。递推先给出每个 i > j i>j i > j 的 x i = 0 x_i=0 x i = 0 ,然后给出 x j = 1 / r j j x_j=1/r_{jj} x j = 1/ r jj 。因此 R − 1 R^{-1} R − 1 是上三角矩阵,对角元素为 1 / r j j 1/r_{jj} 1/ r jj ;特别地,若 R R R 的对角元素为正,逆矩阵的对角元素也为正。
若 U , V U,V U , V 都上三角,则对 i > j i>j i > j ,乘积元素 ∑ k u i k v k j \sum_k u_{ik}v_{kj} ∑ k u ik v kj 为零:非零项必须同时满足 k ≥ i k\geq i k ≥ i 和 k ≤ j k\leq j k ≤ j 。对 i = j i=j i = j ,只有 k = i k=i k = i 能有贡献,所以 ( U V ) i i = u i i v i i (UV)_{ii}=u_{ii}v_{ii} ( U V ) ii = u ii v ii 。因此,若 R 1 , R 2 R_1,R_2 R 1 , R 2 的对角元素为正,则 R 1 R 2 − 1 R_1R_2^{-1} R 1 R 2 − 1 上三角且对角元素为正。这恰好补全了正对角薄 QR 唯一性原证明中的三角矩阵步骤。
预备知识与学习目标
本章假设读者熟悉实向量、内积、欧氏范数、矩阵乘法与转置、消元、列空间、零空间和基。对 u , v ∈ R m u,v\in\mathbb R^m u , v ∈ R m ,内积为 u T v u^Tv u T v ,范数为 ∥ u ∥ = u T u \|u\|=\sqrt{u^Tu} ∥ u ∥ = u T u 。向量组 q 1 , … , q r q_1,\ldots,q_r q 1 , … , q r 称为标准正交组 ,如果 i = j i=j i = j 时 q i T q j q_i^Tq_j q i T q j 等于一,其他情形等于零。除明确另有说明外,本章计算均为精确计算。
Gram–Schmidt 正交化不只是把两个向量变成一对互相垂直的向量:它在保持逐步生成的张成空间时构造基,其系数组成矩阵分解,而该分解又把最小二乘问题分解为垂直残差与三角方程组。本章完整展开这一过程,包括某列线性相关或所有列均为零时的情形。
学习目标是构造并检验薄 QR 分解、由矩阵识别正交投影、求解最小二乘问题而不混淆拟合向量与系数,以及判断模型的列线性相关时哪些信息仍可识别。
1. 保持张成空间的 Gram–Schmidt 方法与线性相关情形
设 a 1 , … , a n ∈ R m a_1,\ldots,a_n\in\mathbb R^m a 1 , … , a n ∈ R m 为 A A A 的列。假设 q 1 , … , q r q_1,\ldots,q_r q 1 , … , q r 是此前已处理各列的张成空间的一组标准正交基。对下一列 a j a_j a j ,令
w = a j − ∑ i = 1 r ( q i T a j ) q i . w=a_j-\sum_{i=1}^r(q_i^Ta_j)q_i. w = a j − i = 1 ∑ r ( q i T a j ) q i .
与先前的 q ℓ q_\ell q ℓ 取内积,得到
q ℓ T w = q ℓ T a j − ∑ i = 1 r ( q i T a j ) ( q ℓ T q i ) = 0. q_\ell^Tw=q_\ell^Ta_j-\sum_{i=1}^r(q_i^Ta_j)(q_\ell^Tq_i)=0. q ℓ T w = q ℓ T a j − i = 1 ∑ r ( q i T a j ) ( q ℓ T q i ) = 0.
有两种情况:若 w ≠ 0 w\ne0 w = 0 ,加入 q r + 1 = w / ∥ w ∥ q_{r+1}=w/\|w\| q r + 1 = w /∥ w ∥ ;若 w = 0 w=0 w = 0 ,则不加入向量,因为新列已是先前方向的线性组合。特别地,不能将零残差除以其范数。开始时使用空向量组,其对应和为零。
用归纳法可证明该过程保持所需张成空间。非零情形下,w w w 是 a j a_j a j 与旧基向量的线性组合,故新向量 q r + 1 q_{r+1} q r + 1 属于扩大的列张成空间。反过来,
a j = ∑ i = 1 r ( q i T a j ) q i + ∥ w ∥ q r + 1 , a_j=\sum_{i=1}^r(q_i^Ta_j)q_i+\|w\|q_{r+1}, a j = i = 1 ∑ r ( q i T a j ) q i + ∥ w ∥ q r + 1 ,
所以新列也属于新基向量组的张成空间。零情形下,展示的投影和已经等于 a j a_j a j ,张成空间不变。由上述内积计算及归一化,新向量组仍标准正交。这就同时证明了构造及其张成空间结论,而非仅凭图形推断。
处理完所有列后,最终向量组的长度为 r = rank A r=\operatorname{rank}A r = rank A 。若 Q Q Q 由这些列组成,则 Q T Q = I r Q^TQ=I_r Q T Q = I r 且
A = Q B , B = Q T A . A=QB,\qquad B=Q^TA. A = QB , B = Q T A .
事实上,A A A 的每列都属于 Q Q Q 的张成空间,而它相对于标准正交基的坐标就是与各 q i q_i q i 的内积。矩阵 B B B 是 r × n r\times n r × n 矩阵。若列线性相关,它不一定是方阵,也不一定是通常意义下的三角矩阵。
若 A = 0 A=0 A = 0 ,秩为零,Q Q Q 没有列,投影到其列空间的矩阵是零矩阵。无需进行空矩阵乘法也可直接理解这一边界情形。
精确线性相关与数值判断
对精确的有理数或符号数据,w = 0 w=0 w = 0 是数学等式。在浮点运算中,计算出的很小残差可能源于近似相关,也可能源于舍入。选择数值容差需要尺度及误差模型;这里的“跳过零向量”并不自动给出数值阈值。改变列的顺序可能改变标准正交基,但不会改变所表示的列空间。
2. 从线性无关的列到薄 QR 分解
现假设 n n n 列线性无关。那么 n ≤ m n\le m n ≤ m ,没有残差为零,构造过程产生 n n n 个标准正交列。令
r i j = q i T a j ( i < j ) , r j j = ∥ w j ∥ > 0 , r i j = 0 ( i > j ) . r_{ij}=q_i^Ta_j\quad(i<j),\qquad r_{jj}=\|w_j\|>0,\qquad r_{ij}=0\quad(i>j). r ij = q i T a j ( i < j ) , r jj = ∥ w j ∥ > 0 , r ij = 0 ( i > j ) .
第 j j j 列的张成关系变为 a j = ∑ i = 1 j r i j q i a_j=\sum_{i=1}^j r_{ij}q_i a j = ∑ i = 1 j r ij q i 。将各列汇集起来得到
A = Q R , Q T Q = I n , A=QR,\qquad Q^TQ=I_n, A = QR , Q T Q = I n ,
其中 Q Q Q 是 m × n m\times n m × n 矩阵,R R R 是对角元素为正的 n × n n\times n n × n 上三角矩阵。这称为薄 QR 分解 。“薄”指仅保留列空间所需的 n n n 个标准正交方向;当 n < m n<m n < m 时,Q Q Q 不是方阵。左乘 Q T Q^T Q T 可得 R = Q T A R=Q^TA R = Q T A 。
反过来,若这种分解中的 R R R 可逆,那么 A x = 0 Ax=0 A x = 0 蕴含 R x = Q T A x = 0 Rx=Q^TAx=0 R x = Q T A x = 0 ,于是 x = 0 x=0 x = 0 。因此 A A A 的列线性无关。对秩亏矩阵,不能直接假设存在带可逆方阵 R R R 的薄分解。
正对角线还消除了符号歧义。事实上,对固定次序的线性无关列组,这种薄 QR 分解唯一。假设 Q 1 R 1 = Q 2 R 2 = A Q_1R_1=Q_2R_2=A Q 1 R 1 = Q 2 R 2 = A ,且两个三角因子的对角元素均为正。那么
Q 2 = Q 1 M , M = R 1 R 2 − 1 . Q_2=Q_1M,\qquad M=R_1R_2^{-1}. Q 2 = Q 1 M , M = R 1 R 2 − 1 .
矩阵 M M M 是对角元素为正的上三角矩阵,且 I = Q 2 T Q 2 = M T M I=Q_2^TQ_2=M^TM I = Q 2 T Q 2 = M T M 。对角元素为正的上三角正交矩阵必为 I I I :它的第一列仅第一个元素可能非零,单位长度使该元素为一;它与其余列正交,又使第一行其余元素为零。对右下方剩余块重复此论证。因此 M = I M=I M = I ,从而 Q 1 = Q 2 Q_1=Q_2 Q 1 = Q 2 、R 1 = R 2 R_1=R_2 R 1 = R 2 。没有对角元素为正的约定时,对相应列和行同时改变符号,会得到其他有效分解。
3. 完整的三列计算
例 1。 设
A = ( 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ) , a 1 = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T , a 2 = ( 1 , 0 , 1 , 0 ) T , a 3 = ( 1 , 0 , 0 , 1 ) T . A=\begin{pmatrix}
1&1&1\\1&0&0\\0&1&0\\0&0&1
\end{pmatrix},\qquad
a_1=(1,1,0,0)^T,\ a_2=(1,0,1,0)^T,\ a_3=(1,0,0,1)^T. A = 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 , a 1 = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T , a 2 = ( 1 , 0 , 1 , 0 ) T , a 3 = ( 1 , 0 , 0 , 1 ) T .
最后三行直接说明各列线性无关。对第一列,
q 1 = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T / 2 , r 11 = 2 . q_1=(1,1,0,0)^T/\sqrt2,\qquad r_{11}=\sqrt2. q 1 = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T / 2 , r 11 = 2 .
对第二列,r 12 = q 1 T a 2 = 1 / 2 r_{12}=q_1^Ta_2=1/\sqrt2 r 12 = q 1 T a 2 = 1/ 2 ,并且
w 2 = a 2 − 1 2 ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T = 1 2 ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T . w_2=a_2-\tfrac12(1,1,0,0)^T=\tfrac12(1,-1,2,0)^T. w 2 = a 2 − 2 1 ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T = 2 1 ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T .
其范数为 6 / 2 \sqrt6/2 6 /2 ,因此 q 2 = ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T / 6 q_2=(1,-1,2,0)^T/\sqrt6 q 2 = ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T / 6 ,r 22 = 6 / 2 r_{22}=\sqrt6/2 r 22 = 6 /2 。
对第三列,r 13 = 1 / 2 r_{13}=1/\sqrt2 r 13 = 1/ 2 ,r 23 = 1 / 6 r_{23}=1/\sqrt6 r 23 = 1/ 6 。减去两个垂直分量:
w 3 = ( 1 , 0 , 0 , 1 ) T − 1 2 ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T − 1 6 ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T = 1 3 ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) T . \begin{aligned}
w_3&=(1,0,0,1)^T-\tfrac12(1,1,0,0)^T-\tfrac16(1,-1,2,0)^T\\
&=\tfrac13(1,-1,-1,3)^T.
\end{aligned} w 3 = ( 1 , 0 , 0 , 1 ) T − 2 1 ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T − 6 1 ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T = 3 1 ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) T .
因此 ∥ w 3 ∥ = 2 / 3 \|w_3\|=2/\sqrt3 ∥ w 3 ∥ = 2/ 3 ,且
q 3 = 1 2 3 ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) T . q_3=\frac1{2\sqrt3}(1,-1,-1,3)^T. q 3 = 2 3 1 ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) T .
得到的三角因子为
R = ( 2 1 / 2 1 / 2 0 6 / 2 1 / 6 0 0 2 / 3 ) . R=\begin{pmatrix}
\sqrt2&1/\sqrt2&1/\sqrt2\\
0&\sqrt6/2&1/\sqrt6\\
0&0&2/\sqrt3
\end{pmatrix}. R = 2 0 0 1/ 2 6 /2 0 1/ 2 1/ 6 2/ 3 .
独立核对时,未归一化方向 ( 1 , 1 , 0 , 0 ) (1,1,0,0) ( 1 , 1 , 0 , 0 ) 、( 1 , − 1 , 2 , 0 ) (1,-1,2,0) ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) 和 ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) (1,-1,-1,3) ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) 两两内积为零,范数平方分别为 2 , 6 , 12 2,6,12 2 , 6 , 12 ,故 Q T Q = I 3 Q^TQ=I_3 Q T Q = I 3 。构造各列时使用的三个等式又给出 Q R = A QR=A QR = A 。两式都应检验:仅有标准正交列并不能证明它们构成了给定输入矩阵的分解。
4. 作为线性映射的投影
对任意具有标准正交列的矩阵 Q Q Q ,定义
P = Q Q T . P=QQ^T. P = Q Q T .
对 b ∈ R m b\in\mathbb R^m b ∈ R m ,向量 p = P b = ∑ i ( q i T b ) q i p=Pb=\sum_i(q_i^Tb)q_i p = P b = ∑ i ( q i T b ) q i 属于该列空间。其残差 r = b − p r=b-p r = b − p 满足 Q T r = 0 Q^Tr=0 Q T r = 0 ,因此垂直于该空间中的每个向量。若 z z z 是该空间中的任意其他向量,则 p − z p-z p − z 属于该空间且与 r r r 正交。因此
∥ b − z ∥ 2 = ∥ r + ( p − z ) ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 + ∥ p − z ∥ 2 . \|b-z\|^2=\|r+(p-z)\|^2=\|r\|^2+\|p-z\|^2. ∥ b − z ∥ 2 = ∥ r + ( p − z ) ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 + ∥ p − z ∥ 2 .
唯一的最近向量是 z = p z=p z = p 。唯一性来自第二项恰在 z = p z=p z = p 时为零。这同时证明了投影公式及其最小距离性质。
该矩阵满足两个恒等式:
P T = P , P 2 = Q ( Q T Q ) Q T = P . P^T=P,\qquad P^2=Q(Q^TQ)Q^T=P. P T = P , P 2 = Q ( Q T Q ) Q T = P .
其像为 col Q \operatorname{col}Q col Q :每个输出均在其中,而且它固定每个 Q c Qc Q c 。其核为 ( col Q ) ⊥ (\operatorname{col}Q)^\perp ( col Q ) ⊥ ,因为 P b = 0 Pb=0 P b = 0 等价于 Q T b = 0 Q^Tb=0 Q T b = 0 。因此 R m \mathbb R^m R m 分解为子空间内的部分和与其垂直的部分,而 I − P I-P I − P 投影到后者。
这些恒等式也刻画正交投影。若实方阵满足 P T = P P^T=P P T = P 和 P 2 = P P^2=P P 2 = P ,则 P b Pb P b 属于其像空间,并且对像空间中的任意向量 P y Py P y ,
( P y ) T ( b − P b ) = y T P ( I − P ) b = 0. (Py)^T(b-Pb)=y^TP(I-P)b=0. ( P y ) T ( b − P b ) = y T P ( I − P ) b = 0.
所以残差垂直于像空间,上述距离恒等式适用。仅有幂等性并不充分:J = ( 1 1 0 0 ) J=\begin{pmatrix}1&1\\0&0\end{pmatrix} J = ( 1 0 1 0 ) 满足 J 2 = J J^2=J J 2 = J ,但将 ( 0 , 1 ) T (0,1)^T ( 0 , 1 ) T 映为 ( 1 , 0 ) T (1,0)^T ( 1 , 0 ) T ;它的像是水平轴,水平轴上距 ( 0 , 1 ) T (0,1)^T ( 0 , 1 ) T 最近的点却是零。这个投影是斜投影,不是正交投影。
对 §3 的四维例子,n = ( 1 , − 1 , − 1 , − 1 ) T n=(1,-1,-1,-1)^T n = ( 1 , − 1 , − 1 , − 1 ) T 垂直于 A A A 的全部三列。由于列空间维数为三,它等于超平面 n T z = 0 n^Tz=0 n T z = 0 。同一个正交投影矩阵还可写为
P = Q Q T = I 4 − n n T n T n = I 4 − 1 4 n n T . P=QQ^T=I_4-\frac{nn^T}{n^Tn}=I_4-\frac14nn^T. P = Q Q T = I 4 − n T n n n T = I 4 − 4 1 n n T .
这个等式成立,因为两个映射都保留该超平面内的分量并去掉沿法向量的分量。也可直接相乘验证。
5. 最小二乘:不预设唯一性的证明
给定 A ∈ R m × n A\in\mathbb R^{m\times n} A ∈ R m × n 和 b ∈ R m b\in\mathbb R^m b ∈ R m ,最小二乘系数向量 是在所有 x ∈ R n x\in\mathbb R^n x ∈ R n 中使 ∥ b − A x ∥ 2 \|b-Ax\|^2 ∥ b − A x ∥ 2 最小的向量。如果 A x = b Ax=b A x = b 不相容,这是一种近似准则,不是找到了新的精确解。
系数向量 x ^ \widehat x x 使误差最小,当且仅当其残差 r = b − A x ^ r=b-A\widehat x r = b − A x 垂直于列空间。先证必要性:固定任意 h h h ,在 x ^ + t h \widehat x+th x + t h 处的误差为
∥ r − t A h ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 − 2 t r T A h + t 2 ∥ A h ∥ 2 . \|r-tAh\|^2=\|r\|^2-2t\,r^TAh+t^2\|Ah\|^2. ∥ r − t A h ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 − 2 t r T A h + t 2 ∥ A h ∥ 2 .
若 r T A h ≠ 0 r^TAh\ne0 r T A h = 0 ,则 A h ≠ 0 Ah\ne0 A h = 0 。取 t = ( r T A h ) / ∥ A h ∥ 2 t=(r^TAh)/\|Ah\|^2 t = ( r T A h ) /∥ A h ∥ 2 会严格减小误差,与最小性矛盾。因此对每个 h h h 都有 r T A h = 0 r^TAh=0 r T A h = 0 。为证充分性,这一条件使任意 h h h 的交叉项为零,所以
∥ b − A ( x ^ + h ) ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 + ∥ A h ∥ 2 ≥ ∥ r ∥ 2 . \|b-A(\widehat x+h)\|^2=\|r\|^2+\|Ah\|^2\ge\|r\|^2. ∥ b − A ( x + h ) ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 + ∥ A h ∥ 2 ≥ ∥ r ∥ 2 .
用矩阵记号,垂直条件为
A T ( b − A x ^ ) = 0 , A T A x ^ = A T b . A^T(b-A\widehat x)=0,\qquad A^TA\widehat x=A^Tb. A T ( b − A x ) = 0 , A T A x = A T b .
这些称为正规方程 。无论列是否线性无关,它们都是充要条件。线性无关性是系数唯一所需的条件,而不是这一刻画本身所需的条件。
存在性由投影得到。用考虑秩的过程构造列空间的标准正交基 Q Q Q 。投影向量 p = Q Q T b p=QQ^Tb p = Q Q T b 属于列空间,因此按定义至少存在一个 x ^ \widehat x x 使 A x ^ = p A\widehat x=p A x = p ;它就是最小化向量。拟合向量 p p p 唯一,若某个最小化向量是 x 0 x_0 x 0 ,那么所有最小化向量恰为
x 0 + N ( A ) = { x 0 + h : A h = 0 } . x_0+N(A)=\{x_0+h:Ah=0\}. x 0 + N ( A ) = { x 0 + h : A h = 0 } .
事实上,加入零空间向量不会改变拟合结果;反过来,所有最小化系数都给出同一个唯一的最近拟合向量,所以它们的差位于零空间中。系数唯一当且仅当 N ( A ) = { 0 } N(A)=\{0\} N ( A ) = { 0 } ,等价于列线性无关。这些结论包括零矩阵:其拟合向量为零,每个系数向量都使固定误差 ∥ b ∥ 2 \|b\|^2 ∥ b ∥ 2 最小。
6. 用三角方程组求最小二乘解
当列线性无关时,使用 §2 的 A = Q R A=QR A = QR 。将 b b b 分解为 Q Q T b + ( I − Q Q T ) b QQ^Tb+(I-QQ^T)b Q Q T b + ( I − Q Q T ) b 。第二部分垂直于 Q Q Q 的每一列,而 Q T b − R x Q^Tb-Rx Q T b − R x 是列空间坐标向量。因此
∥ b − A x ∥ 2 = ∥ ( I − Q Q T ) b ∥ 2 + ∥ Q T b − R x ∥ 2 . \|b-Ax\|^2
=\|(I-QQ^T)b\|^2+\|Q^Tb-Rx\|^2. ∥ b − A x ∥ 2 = ∥ ( I − Q Q T ) b ∥ 2 + ∥ Q T b − R x ∥ 2 .
对第二项使用了 ∥ Q z ∥ 2 = z T Q T Q z = ∥ z ∥ 2 \|Qz\|^2=z^TQ^TQz=\|z\|^2 ∥ Q z ∥ 2 = z T Q T Q z = ∥ z ∥ 2 。第一项不依赖 x x x 。由于 R R R 可逆,第二项在等于零时唯一达到最小,故
R x ^ = Q T b . R\widehat x=Q^Tb. R x = Q T b .
用回代求解这个上三角方程组。拟合向量是 Q Q T b QQ^Tb Q Q T b ,残差平方是第一项。这与正规方程给出相同答案:代入 A = Q R A=QR A = QR 得 R T R x ^ = R T Q T b R^TR\widehat x=R^TQ^Tb R T R x = R T Q T b ,而 R T R^T R T 可逆使两个方程组等价。QR 推导在确定答案时无需构造 A T A A^TA A T A 。
例 2。 使用 §3 的矩阵并取 b = ( 2 , 0 , 1 , 3 ) T b=(2,0,1,3)^T b = ( 2 , 0 , 1 , 3 ) T 。标准正交坐标的右端为
Q T b = ( 2 , 4 / 6 , 5 / 3 ) T . Q^Tb=(\sqrt2,4/\sqrt6,5/\sqrt3)^T. Q T b = ( 2 , 4/ 6 , 5/ 3 ) T .
最后一个三角方程给出 x ^ 3 = 5 / 2 \widehat x_3=5/2 x 3 = 5/2 。第二个给出
6 2 x ^ 2 + 5 2 6 = 4 6 , \frac{\sqrt6}{2}\widehat x_2+\frac{5}{2\sqrt6}=\frac4{\sqrt6}, 2 6 x 2 + 2 6 5 = 6 4 ,
故 x ^ 2 = 1 / 2 \widehat x_2=1/2 x 2 = 1/2 。第一个方程随之给出 x ^ 1 = − 1 / 2 \widehat x_1=-1/2 x 1 = − 1/2 。因此
x ^ = ( − 1 / 2 , 1 / 2 , 5 / 2 ) T , p = A x ^ = ( 5 / 2 , − 1 / 2 , 1 / 2 , 5 / 2 ) T . \widehat x=(-1/2,1/2,5/2)^T,\quad
p=A\widehat x=(5/2,-1/2,1/2,5/2)^T. x = ( − 1/2 , 1/2 , 5/2 ) T , p = A x = ( 5/2 , − 1/2 , 1/2 , 5/2 ) T .
残差为 r = ( − 1 / 2 , 1 / 2 , 1 / 2 , 1 / 2 ) T r=(-1/2,1/2,1/2,1/2)^T r = ( − 1/2 , 1/2 , 1/2 , 1/2 ) T ,它与原矩阵每列的内积为零,且 ∥ r ∥ 2 = 1 \|r\|^2=1 ∥ r ∥ 2 = 1 。另一方面,对 §4 中的法向量 n n n ,有 n T b = − 2 n^Tb=-2 n T b = − 2 ,得到 r = n ( − 2 ) / 4 r=n(-2)/4 r = n ( − 2 ) /4 ,与上述残差完全相同。这个一致性同时核对了三角运算与几何关系。
秩亏情况下的系数
例 3。 设
A = ( 1 2 0 1 2 1 0 0 1 ) , b = ( 1 , 0 , 2 ) T . A=\begin{pmatrix}1&2&0\\1&2&1\\0&0&1\end{pmatrix},\qquad b=(1,0,2)^T. A = 1 1 0 2 2 0 0 1 1 , b = ( 1 , 0 , 2 ) T .
第二列是第一列的两倍,所以 Gram–Schmidt 跳过它。由第一列与第三列构造
q 1 = ( 1 , 1 , 0 ) T / 2 , q 2 = ( − 1 , 1 , 2 ) T / 6 . q_1=(1,1,0)^T/\sqrt2,\qquad q_2=(-1,1,2)^T/\sqrt6. q 1 = ( 1 , 1 , 0 ) T / 2 , q 2 = ( − 1 , 1 , 2 ) T / 6 .
这里
B = Q T A = ( 2 2 2 1 / 2 0 0 6 / 2 ) , Q T b = ( 1 / 2 , 6 / 2 ) T . B=Q^TA=\begin{pmatrix}\sqrt2&2\sqrt2&1/\sqrt2\\0&0&\sqrt6/2\end{pmatrix},\qquad
Q^Tb=(1/\sqrt2,\sqrt6/2)^T. B = Q T A = ( 2 0 2 2 0 1/ 2 6 /2 ) , Q T b = ( 1/ 2 , 6 /2 ) T .
为了得到投影向量,求解 B x = Q T b Bx=Q^Tb B x = Q T b 。第二个方程给出 x 3 = 1 x_3=1 x 3 = 1 ,第一个化为 x 1 + 2 x 2 = 0 x_1+2x_2=0 x 1 + 2 x 2 = 0 。所有最小化向量为
x ^ = ( − 2 t , t , 1 ) T , t ∈ R . \widehat x=(-2t,t,1)^T,\qquad t\in\mathbb R. x = ( − 2 t , t , 1 ) T , t ∈ R .
它们都给出 p = ( 0 , 1 , 1 ) T p=(0,1,1)^T p = ( 0 , 1 , 1 ) T 和残差 r = ( 1 , − 1 , 1 ) T r=(1,-1,1)^T r = ( 1 , − 1 , 1 ) T ,残差范数平方为三。法向量 ( 1 , − 1 , 1 ) T (1,-1,1)^T ( 1 , − 1 , 1 ) T 与每个原列垂直,从而独立确认拟合结果。拟合向量只有一个,系数向量却构成一条直线。其中系数范数为 5 t 2 + 1 \sqrt{5t^2+1} 5 t 2 + 1 ,在 t = 0 t=0 t = 0 时最小;选取最小范数系数是一项额外选择规则,不是最小二乘系数唯一性的结果。
7. 直线拟合中的中心化就是 Gram–Schmidt 正交化
对 m ≥ 1 m\ge1 m ≥ 1 组数据 ( t i , y i ) (t_i,y_i) ( t i , y i ) ,以等权平方残差最小为准则拟合直线 α + β t \alpha+\beta t α + βt 。令 1 = ( 1 , … , 1 ) T \mathbf1=(1,\ldots,1)^T 1 = ( 1 , … , 1 ) T 、t = ( t 1 , … , t m ) T t=(t_1,\ldots,t_m)^T t = ( t 1 , … , t m ) T 、A = ( 1 t ) A=(\mathbf1\ t) A = ( 1 t ) ,并定义
t ‾ = 1 m ∑ i t i , y ‾ = 1 m ∑ i y i , S t t = ∑ i ( t i − t ‾ ) 2 . \overline t=\frac1m\sum_i t_i,\qquad \overline y=\frac1m\sum_i y_i,\qquad
S_{tt}=\sum_i(t_i-\overline t)^2. t = m 1 i ∑ t i , y = m 1 i ∑ y i , S tt = i ∑ ( t i − t ) 2 .
Gram–Schmidt 从 q 1 = 1 / m q_1=\mathbf1/\sqrt m q 1 = 1 / m 开始。从 t t t 中减去它在 1 \mathbf1 1 上的投影,得到 w 2 = t − t ‾ 1 w_2=t-\overline t\mathbf1 w 2 = t − t 1 。若 S t t > 0 S_{tt}>0 S tt > 0 ,则
q 2 = t − t ‾ 1 S t t , R = ( m m t ‾ 0 S t t ) . q_2=\frac{t-\overline t\mathbf1}{\sqrt{S_{tt}}},\qquad
R=\begin{pmatrix}\sqrt m&\sqrt m\,\overline t\\0&\sqrt{S_{tt}}\end{pmatrix}. q 2 = S tt t − t 1 , R = ( m 0 m t S tt ) .
在 R ( α , β ) T = Q T y R(\alpha,\beta)^T=Q^Ty R ( α , β ) T = Q T y 中回代,得到
β ^ = ∑ i ( t i − t ‾ ) ( y i − y ‾ ) S t t , α ^ = y ‾ − β ^ t ‾ . \widehat\beta=\frac{\sum_i(t_i-\overline t)(y_i-\overline y)}{S_{tt}},\qquad
\widehat\alpha=\overline y-\widehat\beta\,\overline t. β = S tt ∑ i ( t i − t ) ( y i − y ) , α = y − β t .
分子中减去 y ‾ \overline y y 不改变其值,因为 ∑ i ( t i − t ‾ ) = 0 \sum_i(t_i-\overline t)=0 ∑ i ( t i − t ) = 0 。因此公式由正交化得到,无需另行记忆一个统计恒等式。残差之和为零,且其与 t t t 的内积为零,恰好对应两个正规方程的检验。
若 S t t = 0 S_{tt}=0 S tt = 0 ,所有 t i t_i t i 都等于常数 c c c 。两个模型列线性相关,数据不能分别区分 α \alpha α 与 β \beta β 。最佳拟合常数为 y ‾ \overline y y ,满足 α + c β = y ‾ \alpha+c\beta=\overline y α + c β = y 的所有系数组都使误差最小。除以 S t t S_{tt} S tt 将丢失这一有意义的情形。
例 4。 对 ( t i , y i ) = ( − 1 , 0 ) , ( 0 , 1 ) , ( 1 , 1 ) , ( 2 , 4 ) (t_i,y_i)=(-1,0),(0,1),(1,1),(2,4) ( t i , y i ) = ( − 1 , 0 ) , ( 0 , 1 ) , ( 1 , 1 ) , ( 2 , 4 ) ,有 t ‾ = 1 / 2 \overline t=1/2 t = 1/2 、y ‾ = 3 / 2 \overline y=3/2 y = 3/2 、S t t = 5 S_{tt}=5 S tt = 5 ,中心化交叉乘积为六。因此 β ^ = 6 / 5 \widehat\beta=6/5 β = 6/5 、α ^ = 9 / 10 \widehat\alpha=9/10 α = 9/10 。拟合值为 ( − 3 / 10 , 9 / 10 , 21 / 10 , 33 / 10 ) (-3/10,9/10,21/10,33/10) ( − 3/10 , 9/10 , 21/10 , 33/10 ) ,残差为 ( 3 / 10 , 1 / 10 , − 11 / 10 , 7 / 10 ) (3/10,1/10,-11/10,7/10) ( 3/10 , 1/10 , − 11/10 , 7/10 ) 。它们的和及其与 ( − 1 , 0 , 1 , 2 ) (-1,0,1,2) ( − 1 , 0 , 1 , 2 ) 的内积均为零。误差平方和为 ( 9 + 1 + 121 + 49 ) / 100 = 9 / 5 (9+1+121+49)/100=9/5 ( 9 + 1 + 121 + 49 ) /100 = 9/5 。
等权平方误差是此模型的一部分。对某个观测误差重新缩放或赋予权重会改变优化准则。推导这些精确的代数最小二乘公式不需要关于测量噪声的概率假设。
8. 练习
对 a 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T a_1=(1,0,1)^T a 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T 、a 2 = ( 0 , 1 , 1 ) T a_2=(0,1,1)^T a 2 = ( 0 , 1 , 1 ) T 应用 Gram–Schmidt 方法。给出以它们为列的矩阵的薄 QR 分解,并检验 Q T Q = I Q^TQ=I Q T Q = I 和 Q R = A QR=A QR = A 。
按所列顺序,对 ( 1 , 0 , 1 ) T , ( 2 , 0 , 2 ) T , ( 0 , 1 , 0 ) T (1,0,1)^T,(2,0,2)^T,(0,1,0)^T ( 1 , 0 , 1 ) T , ( 2 , 0 , 2 ) T , ( 0 , 1 , 0 ) T 执行考虑秩的过程。跳过哪一列?给出 Q Q Q 和 B = Q T A B=Q^TA B = Q T A 。
解释为什么 n > m n>m n > m 时,m × n m\times n m × n 矩阵不可能具有含 n n n 个标准正交列的薄 QR 分解。考虑秩的过程能产生多少个非零方向?
求 b = ( 3 , − 1 , 2 ) T b=(3,-1,2)^T b = ( 3 , − 1 , 2 ) T 在平面 x + y + z = 0 x+y+z=0 x + y + z = 0 上的正交投影、残差及到该平面的距离。
证明 P = 1 3 ( 2 − 1 − 1 − 1 2 − 1 − 1 − 1 2 ) P=\frac13\begin{pmatrix}2&-1&-1\\-1&2&-1\\-1&-1&2\end{pmatrix} P = 3 1 2 − 1 − 1 − 1 2 − 1 − 1 − 1 2 是正交投影矩阵。不进行行消元,求其像、核及秩。
对练习 1 的矩阵和 b = ( 1 , 2 , 0 ) T b=(1,2,0)^T b = ( 1 , 2 , 0 ) T ,通过三角因子求最小二乘解。用原列检验残差,并给出最小误差平方。
对 A = ( 1 2 2 4 0 0 ) A=\begin{pmatrix}1&2\\2&4\\0&0\end{pmatrix} A = 1 2 0 2 4 0 和 b = ( 2 , 0 , 1 ) T b=(2,0,1)^T b = ( 2 , 0 , 1 ) T ,求全部最小二乘系数、唯一拟合向量及残差。在最小化向量中,找出系数范数最小者。
用中心化和对 ( 0 , 0 ) , ( 1 , 1 ) , ( 2 , 1 ) , ( 3 , 3 ) (0,0),(1,1),(2,1),(3,3) ( 0 , 0 ) , ( 1 , 1 ) , ( 2 , 1 ) , ( 3 , 3 ) 作最小二乘直线拟合。给出残差并验证两个正规方程检验。
三个观测输入全为三,输出为 1 , 4 , 7 1,4,7 1 , 4 , 7 。求所有最小二乘直线系数对、拟合值和最小误差平方。解释为什么斜率不唯一。
对 J = ( 1 1 0 0 ) J=\begin{pmatrix}1&1\\0&0\end{pmatrix} J = ( 1 0 1 0 ) 验证 J 2 = J J^2=J J 2 = J 。找一个向量,使 J b Jb J b 不是 im J \operatorname{im}J im J 中的最近点。正交投影矩阵的哪个恒等式不成立?
假设 Q Q Q 和 Q ~ \widetilde Q Q 都有标准正交列,且列空间相同。证明 Q Q T = Q ~ Q ~ T QQ^T=\widetilde Q\widetilde Q^T Q Q T = Q Q T 。解释为什么更换标准正交基不会改变拟合向量。
设 A A A 是零 3 × 2 3\times2 3 × 2 矩阵,b = ( 1 , − 2 , 2 ) T b=(1,-2,2)^T b = ( 1 , − 2 , 2 ) T 。写出所有最小二乘系数、正规方程、拟合向量和最小误差平方。最小二乘解的存在是否要求非零秩?
9. 完整解答
1. 第一个向量的范数为 2 \sqrt2 2 ,因此 q 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T / 2 q_1=(1,0,1)^T/\sqrt2 q 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T / 2 。它与 a 2 a_2 a 2 的内积为 1 / 2 1/\sqrt2 1/ 2 。减去投影得
w 2 = ( 0 , 1 , 1 ) T − 1 2 ( 1 , 0 , 1 ) T = 1 2 ( − 1 , 2 , 1 ) T . w_2=(0,1,1)^T-\tfrac12(1,0,1)^T=\tfrac12(-1,2,1)^T. w 2 = ( 0 , 1 , 1 ) T − 2 1 ( 1 , 0 , 1 ) T = 2 1 ( − 1 , 2 , 1 ) T .
所以 q 2 = ( − 1 , 2 , 1 ) T / 6 q_2=(-1,2,1)^T/\sqrt6 q 2 = ( − 1 , 2 , 1 ) T / 6 ,且
R = ( 2 1 / 2 0 6 / 2 ) . R=\begin{pmatrix}\sqrt2&1/\sqrt2\\0&\sqrt6/2\end{pmatrix}. R = ( 2 0 1/ 2 6 /2 ) .
未归一化的两个方向内积为 − 1 + 1 = 0 -1+1=0 − 1 + 1 = 0 ,范数平方分别为二和六,因此 Q T Q = I 2 Q^TQ=I_2 Q T Q = I 2 。重构的第一列为 2 q 1 = a 1 \sqrt2q_1=a_1 2 q 1 = a 1 ;第二列为 ( 1 / 2 ) q 1 + ( 6 / 2 ) q 2 = ( 1 / 2 , 0 , 1 / 2 ) T + ( − 1 / 2 , 1 , 1 / 2 ) T = a 2 (1/\sqrt2)q_1+(\sqrt6/2)q_2=(1/2,0,1/2)^T+(-1/2,1,1/2)^T=a_2 ( 1/ 2 ) q 1 + ( 6 /2 ) q 2 = ( 1/2 , 0 , 1/2 ) T + ( − 1/2 , 1 , 1/2 ) T = a 2 。故 Q R = A QR=A QR = A 。
2. 从 q 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T / 2 q_1=(1,0,1)^T/\sqrt2 q 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T / 2 开始。第二列沿 q 1 q_1 q 1 的坐标为 2 2 2\sqrt2 2 2 ,残差为零,故跳过。第三列已经是垂直于 q 1 q_1 q 1 的单位向量,得到 q 2 = e 2 q_2=e_2 q 2 = e 2 。因此
Q = ( 1 / 2 0 0 1 1 / 2 0 ) , B = ( 2 2 2 0 0 0 1 ) . Q=\begin{pmatrix}1/\sqrt2&0\\0&1\\1/\sqrt2&0\end{pmatrix},\qquad
B=\begin{pmatrix}\sqrt2&2\sqrt2&0\\0&0&1\end{pmatrix}. Q = 1/ 2 0 1/ 2 0 1 0 , B = ( 2 0 2 2 0 0 1 ) .
直接相乘得到原来的三列。秩为二;跳过某列会把它的信息保存在 B B B 的一列中,而不是从模型中删除该列。
3. 标准正交向量线性无关:对一个线性关系分别与每个向量取内积,就得到各系数为零。R m \mathbb R^m R m 中的线性无关组至多有 m m m 个元素。因此 n > m n>m n > m 排除了 n n n 个标准正交列。考虑秩的过程恰产生 rank A ≤ m \operatorname{rank}A\le m rank A ≤ m 个非零方向;一旦张成空间不能再增大,额外列必有零残差。
4. 法向量为 n = ( 1 , 1 , 1 ) T n=(1,1,1)^T n = ( 1 , 1 , 1 ) T ,满足 n T b = 4 n^Tb=4 n T b = 4 、n T n = 3 n^Tn=3 n T n = 3 。垂直残差为 r = ( 4 / 3 ) n r=(4/3)n r = ( 4/3 ) n ,投影为
p = b − r = ( 5 / 3 , − 7 / 3 , 2 / 3 ) T . p=b-r=(5/3,-7/3,2/3)^T. p = b − r = ( 5/3 , − 7/3 , 2/3 ) T .
它的坐标和为零,故位于平面内。残差平行于法向量,因而垂直于平面,证明这是正确的投影。距离为 ∥ r ∥ = 4 / 3 \|r\|=4/\sqrt3 ∥ r ∥ = 4/ 3 。
5. 令 n = ( 1 , 1 , 1 ) T n=(1,1,1)^T n = ( 1 , 1 , 1 ) T ,则 P = I − n n T / 3 P=I-nn^T/3 P = I − n n T /3 。秩一矩阵 N = n n T / 3 N=nn^T/3 N = n n T /3 对称,且满足 N 2 = n ( n T n ) n T / 9 = N N^2=n(n^Tn)n^T/9=N N 2 = n ( n T n ) n T /9 = N 。因此 P T = P P^T=P P T = P ,P 2 = I − 2 N + N 2 = P P^2=I-2N+N^2=P P 2 = I − 2 N + N 2 = P 。它去掉法向分量并固定所有坐标和为零的向量。其像是二维平面 x + y + z = 0 x+y+z=0 x + y + z = 0 ,核是 span { n } \operatorname{span}\{n\} span { n } ,秩为二。这与练习 4 的几何子空间相同。
6. 由练习 1,
Q T b = ( 1 / 2 , 3 / 6 ) T . Q^Tb=(1/\sqrt2,3/\sqrt6)^T. Q T b = ( 1/ 2 , 3/ 6 ) T .
最后一个三角方程 ( 6 / 2 ) x 2 = 3 / 6 (\sqrt6/2)x_2=3/\sqrt6 ( 6 /2 ) x 2 = 3/ 6 给出 x 2 = 1 x_2=1 x 2 = 1 。第一个给出 2 x 1 + 1 / 2 = 1 / 2 \sqrt2x_1+1/\sqrt2=1/\sqrt2 2 x 1 + 1/ 2 = 1/ 2 ,因此 x 1 = 0 x_1=0 x 1 = 0 。故拟合向量为 ( 0 , 1 , 1 ) T (0,1,1)^T ( 0 , 1 , 1 ) T ,残差为 ( 1 , 1 , − 1 ) T (1,1,-1)^T ( 1 , 1 , − 1 ) T 。它与 ( 1 , 0 , 1 ) T (1,0,1)^T ( 1 , 0 , 1 ) T 、( 0 , 1 , 1 ) T (0,1,1)^T ( 0 , 1 , 1 ) T 的内积均为零,残差平方为三。列线性无关保证此系数对唯一。
7. 每个拟合向量都形如 s ( 1 , 2 , 0 ) T s(1,2,0)^T s ( 1 , 2 , 0 ) T ,其中 s = x 1 + 2 x 2 s=x_1+2x_2 s = x 1 + 2 x 2 。投影到这条直线得到
s = ( 1 , 2 , 0 ) T b 1 2 + 2 2 = 2 5 . s=\frac{(1,2,0)^Tb}{1^2+2^2}=\frac25. s = 1 2 + 2 2 ( 1 , 2 , 0 ) T b = 5 2 .
因此所有系数为 ( 2 / 5 − 2 t , t ) T (2/5-2t,t)^T ( 2/5 − 2 t , t ) T 。它们共同的拟合向量为 ( 2 / 5 , 4 / 5 , 0 ) T (2/5,4/5,0)^T ( 2/5 , 4/5 , 0 ) T ,残差为 ( 8 / 5 , − 4 / 5 , 1 ) T (8/5,-4/5,1)^T ( 8/5 , − 4/5 , 1 ) T ,与两列都垂直。最小误差平方为 64 / 25 + 16 / 25 + 1 = 21 / 5 64/25+16/25+1=21/5 64/25 + 16/25 + 1 = 21/5 。为了选取系数范数最小者,配方得
∥ ( 2 / 5 − 2 t , t ) T ∥ 2 = 5 ( t − 4 / 25 ) 2 + 4 / 125. \|(2/5-2t,t)^T\|^2=5(t-4/25)^2+4/125. ∥ ( 2/5 − 2 t , t ) T ∥ 2 = 5 ( t − 4/25 ) 2 + 4/125.
唯一的最小范数选择是 t = 4 / 25 t=4/25 t = 4/25 ,故 ( x 1 , x 2 ) = ( 2 / 25 , 4 / 25 ) (x_1,x_2)=(2/25,4/25) ( x 1 , x 2 ) = ( 2/25 , 4/25 ) 。这个额外的最小化不改变拟合向量或残差误差。
8. 这里 t ‾ = 3 / 2 \overline t=3/2 t = 3/2 、y ‾ = 5 / 4 \overline y=5/4 y = 5/4 ,且 S t t = 9 / 4 + 1 / 4 + 1 / 4 + 9 / 4 = 5 S_{tt}=9/4+1/4+1/4+9/4=5 S tt = 9/4 + 1/4 + 1/4 + 9/4 = 5 。中心化交叉乘积可算为 ∑ i ( t i − t ‾ ) y i = 0 − 1 / 2 + 1 / 2 + 9 / 2 = 9 / 2 \sum_i(t_i-\overline t)y_i=0-1/2+1/2+9/2=9/2 ∑ i ( t i − t ) y i = 0 − 1/2 + 1/2 + 9/2 = 9/2 。所以 β ^ = 9 / 10 \widehat\beta=9/10 β = 9/10 ,α ^ = 5 / 4 − ( 9 / 10 ) ( 3 / 2 ) = − 1 / 10 \widehat\alpha=5/4-(9/10)(3/2)=-1/10 α = 5/4 − ( 9/10 ) ( 3/2 ) = − 1/10 。拟合值为 ( − 1 / 10 , 8 / 10 , 17 / 10 , 26 / 10 ) (-1/10,8/10,17/10,26/10) ( − 1/10 , 8/10 , 17/10 , 26/10 ) ,残差为 ( 1 / 10 , 2 / 10 , − 7 / 10 , 4 / 10 ) (1/10,2/10,-7/10,4/10) ( 1/10 , 2/10 , − 7/10 , 4/10 ) 。它们的和为零,与 ( 0 , 1 , 2 , 3 ) (0,1,2,3) ( 0 , 1 , 2 , 3 ) 的内积为 ( 2 − 14 + 12 ) / 10 = 0 (2-14+12)/10=0 ( 2 − 14 + 12 ) /10 = 0 。最小误差平方为 ( 1 + 4 + 49 + 16 ) / 100 = 7 / 10 (1+4+49+16)/100=7/10 ( 1 + 4 + 49 + 16 ) /100 = 7/10 。
9. 该模型对每个观测预测相同值 s = α + 3 β s=\alpha+3\beta s = α + 3 β 。输出均值为四,误差平方和为
( 1 − s ) 2 + ( 4 − s ) 2 + ( 7 − s ) 2 = 18 + 3 ( s − 4 ) 2 . (1-s)^2+(4-s)^2+(7-s)^2=18+3(s-4)^2. ( 1 − s ) 2 + ( 4 − s ) 2 + ( 7 − s ) 2 = 18 + 3 ( s − 4 ) 2 .
它恰在 s = 4 s=4 s = 4 时达到最小。因此每个系数对 ( α , β ) = ( 4 − 3 t , t ) (\alpha,\beta)=(4-3t,t) ( α , β ) = ( 4 − 3 t , t ) 都是最小化解,拟合值为 ( 4 , 4 , 4 ) (4,4,4) ( 4 , 4 , 4 ) ,最小误差平方为十八。所有输入值相同,所以斜率变化可以由截距变化抵消。代数上,两个设计矩阵列线性相关,且 S t t = 0 S_{tt}=0 S tt = 0 。
10. 相乘得 J 2 = ( 1 1 0 0 ) = J J^2=\begin{pmatrix}1&1\\0&0\end{pmatrix}=J J 2 = ( 1 0 1 0 ) = J ,其像为水平轴。对 b = ( 0 , 1 ) T b=(0,1)^T b = ( 0 , 1 ) T ,有 J b = ( 1 , 0 ) T Jb=(1,0)^T J b = ( 1 , 0 ) T ,它与 b b b 的距离平方为二;而水平轴上的零点与之的距离平方为一。此外,J T = ( 1 0 1 0 ) ≠ J J^T=\begin{pmatrix}1&0\\1&0\end{pmatrix}\ne J J T = ( 1 1 0 0 ) = J 。对称性不成立,因此残差也不与像空间正交。
11. 对任意 b b b ,令 p = Q Q T b p=QQ^Tb p = Q Q T b 和 p ~ = Q ~ Q ~ T b \widetilde p=\widetilde Q\widetilde Q^Tb p = Q Q T b 。二者都属于共同子空间,且两个残差都垂直于该子空间。因此差 p − p ~ p-\widetilde p p − p 属于该子空间,又由两个残差相减可知它与该子空间垂直。它与自身的内积为零,所以 p = p ~ p=\widetilde p p = p 。由于这对每个 b b b 都成立,两矩阵相等。最小二乘拟合向量是向模型列空间的这个投影;改变其标准正交坐标不会改变投影。
12. 每个 x ∈ R 2 x\in\mathbb R^2 x ∈ R 2 都给出 A x = 0 Ax=0 A x = 0 ,所以所有系数向量都使同一个误差平方最小。正规方程为 0 2 × 2 x = 0 2 × 1 0_{2\times2}x=0_{2\times1} 0 2 × 2 x = 0 2 × 1 ,不施加任何限制。拟合向量为零,残差为 b b b ,最小误差平方为 1 + 4 + 4 = 9 1+4+4=9 1 + 4 + 4 = 9 。秩为零时最小二乘解仍存在,但这里的系数不唯一。
总结
Gram–Schmidt 方法逐列保持张成空间,并通过零残差揭示精确线性相关。线性无关的列给出带可逆三角因子的薄 QR 分解。标准正交坐标产生正交投影,其对称和幂等恒等式表达了投影的几何性质。最小二乘始终选出唯一的拟合向量,而只有列映射为单射时系数才唯一。直线拟合的中心化就是同一构造的一个具体例子。