實內積、誘導範數與所需不等式
實向量空間上的內積是取值於實數的映射 ⟨ u , v ⟩ \langle u,v\rangle ⟨ u , v ⟩ ,它對稱、對每個變量線性,並且正定:v ≠ 0 v\ne0 v = 0 時 ⟨ v , v ⟩ > 0 \langle v,v\rangle>0 ⟨ v , v ⟩ > 0 。線性性給出 ⟨ 0 , v ⟩ = 0 \langle0,v\rangle=0 ⟨ 0 , v ⟩ = 0 。定義 ∥ v ∥ = ⟨ v , v ⟩ \|v\|=\sqrt{\langle v,v\rangle} ∥ v ∥ = ⟨ v , v ⟩ ,則範數恰在零向量處為零,且 ∥ c v ∥ = ∣ c ∣ ∥ v ∥ \|cv\|=|c|\|v\| ∥ c v ∥ = ∣ c ∣∥ v ∥ 。R m \mathbb R^m R m 上的標準例子是 ⟨ 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 。內積為零的向量稱為正交;不同成員互相正交且每個成員範數為一的列表稱為正交規範列表。
若 v ≠ 0 v\ne0 v = 0 ,將 t = ⟨ u , v ⟩ / ∥ v ∥ 2 t=\langle u,v\rangle/\|v\|^2 t = ⟨ u , v ⟩ /∥ v ∥ 2 代入非負平方 ∥ u − t v ∥ 2 \|u-tv\|^2 ∥ u − t v ∥ 2 ,以雙線性展開得 ∥ 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 ,該不等式直接成立。對 v ≠ 0 v\ne0 v = 0 ,等號意味着 ∥ u − t v ∥ = 0 \|u-tv\|=0 ∥ u − t v ∥ = 0 ,等價於 u = t v u=tv u = t v ;零向量情形也取等。最後展開 ∥ u + v ∥ 2 \|u+v\|^2 ∥ u + v ∥ 2 並對交叉項使用該界,得到 ∥ u + v ∥ 2 ≤ ( ∥ u ∥ + ∥ v ∥ ) 2 \|u+v\|^2\le(\|u\|+\|v\|)^2 ∥ u + v ∥ 2 ≤ ( ∥ u ∥ + ∥ v ∥ ) 2 。待開方的兩邊非負,因此得到三角不等式。這確實定義了範數,任何非零向量的歸一化都只除以正實數;這裏不使用複雙線性的約定。
不預設計數結論的有限基存在與擴充
設實向量空間 V V V 已給定有限生成列表 t 1 , … , t N t_1,\ldots,t_N t 1 , … , t N 。先證明任何線性無關列表 u 1 , … , u k u_1,\ldots,u_k u 1 , … , u k 的長度不超過 N N N 。插入 j j j 個向量後,維持一個由 u 1 , … , u j u_1,\ldots,u_j u 1 , … , u j 與 N − j N-j N − j 個剩餘舊向量組成的生成列表。將 u j + 1 u_{j+1} u j + 1 按此列表展開,至少一個剩餘舊向量的係數非零;否則它在先前 u i u_i u i 的張成空間中,與無關性矛盾。解出這個舊向量,再以 u j + 1 u_{j+1} u j + 1 取代它。新列表仍張成同一空間,而且保留全部先前插入向量。若 k > N k>N k > N ,則 N N N 步後前 N N N 個向量已張成 V V V ,與 u N + 1 u_{N+1} u N + 1 的無關性矛盾。此即所需上界,也包括 N = 0 N=0 N = 0 。
每個子空間 W W W 都有有限基。從空的無關列表開始;若當前張成空間尚不是 W W W ,就在 W W W 中取一個不在該張成空間內的向量。若新向量在某關係中的係數非零,就能由舊向量表示它,矛盾,故新列表仍無關。已證上界允許至多添加 N N N 次,所以過程必停止於 W W W 的無關生成列表。若 W = { 0 } W=\{0\} W = { 0 } ,立即得到空基。改從 W W W 內任意給定無關列表開始,同樣證明該列表可擴充為 W W W 的基;只需有界有限次選擇。最後,若兩組基的長度為 p , q p,q p , q ,分別把它們用作上界證明中的有限生成列表,得到 p ≤ q p\le q p ≤ q 與 q ≤ p q\le p q ≤ p 。故基的長度有良定義,稱為維數。這些論證補足秩–零度定理所用的基存在、擴充與維數事實。
正交規範基,以及保留指定向量的擴充
再設 V V V 具有實正定內積。對無關列表 v 1 , … , v s v_1,\ldots,v_s v 1 , … , v s ,逐次定義
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 ∥.
歸納假設先前 q i q_i q i 正交規範。對 l < j l<j l < j 與 q l q_l q l 取內積,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 ,則 v j v_j v j 在先前張成空間中,矛盾,因此可合法除以它的正範數。所列公式及其移項式說明前 j j j 個新舊向量張成相同空間,歸納完成。用於一組基就得到正交規範基,子空間亦然。若要擴充一組指定的正交規範向量,先由已證定理將它擴充為普通基,再按此順序進行上述構造。原先指定的向量沒有分量被減去,範數又為一,所以全都精確保留。空列表與零子空間無需相除。這證明了 SVD 及投影存在性所用的正交規範擴充。
正交基令內積和坐標計算更容易,但題目給出的基底通常只是一組任意的線性無關向量。
Gram-Schmidt 按次序逐步扣除已由較早方向解釋的成分,將它變成正交向量組。輸入次序
很重要:次序改變可能令輸出不同,但輸出仍然張成同一個子空間。
投影想法
先考慮一個非零向量 v v v 和一個向量 w w w 。要從 w w w 中扣除 v v v 的一個倍數,並讓餘量垂直於 v v v ,係數 c c c 必須滿足
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 ⟩ .
由於 v ≠ 0 v\ne0 v = 0 ,分母為正,係數亦唯一。對多個兩兩正交的方向,扣除其中一個方向的分量不會改變與其餘方向的內積。
假設 v 1 , … , v k v_1,\dots,v_k v 1 , … , v k 已經是非零而且兩兩正交的向量,並令 w ∈ R m w\in\mathbb{R}^m w ∈ R m 。w w w
沿 v i v_i v i 的分量係數是
⟨ w , v i ⟩ ∥ v i ∥ 2 . \frac{\langle w,v_i\rangle}{\|v_i\|^2}. ∥ v i ∥ 2 ⟨ w , v i ⟩ .
扣除所有舊有正交方向後留下的部分是
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,是因為正交集不含零向量。當 k = 0 k=0 k = 0 時,這個和是空和,r = w r=w r = w 。這對零子空間
很有用,但不會要求我們把零向量正規化。
定理
正交餘量定理 設 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,而 w ∈ R m w\in\mathbb{R}^m w ∈ R m 。定義
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 . 則對每個 i i i 都有 ⟨ r , v i ⟩ = 0 \langle r,v_i\rangle=0 ⟨ r , v i ⟩ = 0 ,即 r r r 與 S S S 中每個向量正交。
固定一個 v i v_i v i 展開內積:
⟨ 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 ⟩ .
當 j ≠ i j\ne i j = i 時的各項均為零,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 ,只表示 w w w 已在舊有張成空間
中;對任意 w w w 而言這種情況可能發生。Gram-Schmidt 要求輸入線性無關,正是為了避免
每一步得到零餘量。
投影與張成空間判別
對正交列表 S = { v 1 , … , v k } S=\{v_1,\dots,v_k\} S = { v 1 , … , v k } ,同一公式亦給出成員資格判別。定義
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 .
正交餘量定理給出 r ( w ) ⊥ span S r(w)\perp\operatorname{span}S r ( w ) ⊥ span S ,而且
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。反過來,若 w = ∑ i α i v i w=\sum_i\alpha_i v_i w = ∑ i α i v i ,與 v i v_i v i 取內積,
因交叉項為零而得到 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 。
所以非零餘量正好記錄 w w w 在目前張成空間以外的部分。
證明
投影與正交餘量 令 U = span S U=\operatorname{span}S U = span S ,並設
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 ) . 則 p ( w ) ∈ U p(w)\in U p ( w ) ∈ U ;正交餘量定理給出 r r r 與每個生成向量 v i v_i v i 正交。由線性性,
r ⊥ U r\perp U r ⊥ U ,所以 w = p + r w=p+r w = p + r 。若 S S S 為空,和為 0 0 0 、U = { 0 } U=\{0\} U = { 0 } ,同一結論就是
w = 0 + w w=0+w w = 0 + w 。
若還有 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 。則 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 ,從而 z = 0 z=0 z = 0 ;所以 p = p ′ p=p' p = p ′ 且 r = r ′ r=r' r = r ′ 。分解為 U U U 中部分
與正交餘量是唯一的。
這個分解精確說明「刪去舊方向」的含義。p ( w ) p(w) p ( w ) 是由已有正交生成向量重構的部分,而 r r r
是它們的任何線性組合都不能解釋的部分。若 w ∈ U w\in U w ∈ U ,成員資格判別給出 r = 0 r=0 r = 0 ;若
w ∉ U w\notin U w ∈ / U ,則 r ≠ 0 r\ne0 r = 0 ,它提供一個垂直於 U U U 內所有方向的新方向。因此在
Gram-Schmidt 歸納中,獨立輸入不能消失。唯一性亦說明符合這些條件的正交部分不會有兩個
不同答案:z ∈ U ∩ U ⊥ z\in U\cap U^\perp z ∈ U ∩ U ⊥ 時,正定內積迫使 ⟨ z , z ⟩ = 0 \langle z,z\rangle=0 ⟨ z , z ⟩ = 0 ,於是 z = 0 z=0 z = 0 。
Gram-Schmidt 過程
定理
Gram-Schmidt 正交化過程 設 k ≥ 1 k\ge1 k ≥ 1 ,而 w 1 , … , w k w_1,\dots,w_k w 1 , … , w k 是 R m \mathbb{R}^m R m 中一組線性無關
向量。定義
v 1 = w 1 , v_1=w_1, v 1 = w 1 , 並對 ℓ = 2 , … , k \ell=2,\dots,k ℓ = 2 , … , k 定義
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 . 則每個 v ℓ v_\ell v ℓ 都非零,v 1 , … , v k v_1,\dots,v_k v 1 , … , v k 兩兩正交,而且對每個 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 } .
空輸入列表另行處理:它的張成空間是零子空間 { 0 } \{0\} { 0 } ,輸出是空的正交列表。
這情況沒有要定義的 v 1 v_1 v 1 ,亦沒有向量需要正規化。
每一步必須使用已經構造的正交向量 v j v_j v j ,不能把原來的 w j w_j w j 當作互相正交。否則
分別扣除各個 w j w_j w j 的投影,並不能扣掉正確的成分。
證明
歸納中的三個不變量 我們同時證明第 ℓ \ell ℓ 步的三件事:(i) 新向量非零;(ii) 已構造向量兩兩正交;
(iii) 兩個部分張成空間相等。基例是 v 1 = w 1 ≠ 0 v_1=w_1\ne0 v 1 = w 1 = 0 ,兩個張成空間都是同一條直線。
假設這三件事已對 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 定義式中的分母均
合法。正交餘量定理給出 v ℓ ⊥ v j v_\ell\perp v_j v ℓ ⊥ v j (j < ℓ j<\ell j < ℓ ),新的正交性因而成立。
定義式說明 v ℓ v_\ell v ℓ 是 w ℓ w_\ell w ℓ 與先前 v j v_j v j 的線性組合,因此新的 v v v -張成空間包含
於新的 w w w -張成空間。整理定義式:
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,兩個部分張成空間相等。最後,若 v ℓ = 0 v_\ell=0 v ℓ = 0 ,上式會把 w ℓ w_\ell w ℓ 放進
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 } ,
與輸入線性無關矛盾。因此新向量非零,三個部分在不預先假設結論的情況下同時完成。
因此正交性不只是若干個點積為零;正交集還必須不含零向量。這個非零檢查令後面的正規化
有合法分母。
在三維空間中扣除已有方向
例題
R 3 \mathbb R^3 R 3 中的三個線性無關向量取有序向量組
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 . 以它們為欄的矩陣行列式是 2 2 2 ,所以輸入線性無關。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. 第二步的係數為
⟨ 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 . 第三步必須同時處理兩個已構造的方向:
⟨ 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 . 三個平方範數是 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. 張成空間保持也可直接看出:
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 . 因此輸出與輸入張成完全相同的 R 3 \mathbb{R}^3 R 3 。
第三步的算術可在接受答案前逐項核對:⟨ 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 後確實得到 ( − 1 , 0 , 1 ) T (-1,0,1)^T ( − 1 , 0 , 1 ) T ,負的第一個座標不是猜出的符號。
反例模式
為甚麼不能用原來的 w 向量代替 v 向量 若錯誤地用原向量計算第三步,會得到
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 . 這個向量與 w 1 w_1 w 1 的點積是 − 2 -2 − 2 ,所以並不正交。修正方法是對 v 1 , v 2 v_1,v_2 v 1 , v 2 扣除投影,
所得 v 3 = ( − 1 , 0 , 1 ) T v_3=(-1,0,1)^T v 3 = ( − 1 , 0 , 1 ) T 才正確。兩組向量不同,但每一步的部分張成空間相同。
準確保留投影係數中的分數
這裏的投影係數是分數。每次相減時保留精確分數,再核對正交性與張成空間相等。
例題
三維空間中的分數投影係數 從
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 開始。
以這些向量為欄的行列式是 − 2 -2 − 2 ,所以它們線性無關。這裏 ∥ v 2 ∥ 2 = 3 / 2 \|v_2\|^2=3/2 ∥ v 2 ∥ 2 = 3/2 ,而
⟨ 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 ;第三步的第二個系數是
( 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 的平方範數為 4 / 3 4/3 4/3 ,直接計算亦給出
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 。
正規化與邊界情況
定理
由正交基得到標準正交基 若 v 1 , … , v k v_1,\dots,v_k v 1 , … , v k 是正交基,定義
u i = v i ∥ v i ∥ . u_i=\frac{v_i}{\|v_i\|}. u i = ∥ v i ∥ v i . 每個 u i u_i u i 的範數都是 1 1 1 ,縮放不改變兩兩正交性,所以得到同一子空間的標準正交基。
例題
正規化第一個 R 3 \mathbb R^3 R 3 輸出 對第一個 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 . 這裏沿用第一個輸出,而不是靜態表格的另一組輸入。
因為範數為正,u i u_i u i 與 v i v_i v i 方向相同;乘回 ∥ v i ∥ \|v_i\| ∥ v i ∥ 便得到原向量,而不是它的相反向量。
單位長度可直接核對:∥ 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 。而且 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 乘回範數便得到
v i v_i v i ;因此正規化保持每一個張成空間等式的兩個方向。
例題
由 R 4 \mathbb R^4 R 4 約束得到標準正交基 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 } . 寫成 x = ( − a − b − c , a , b , c ) T x=(-a-b-c,a,b,c)^T x = ( − a − b − c , a , b , c ) T ,可見 V V V 的一組基為
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 . 這些向量線性無關: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 個座標分別迫使
a 1 = a 2 = a 3 = 0 a_1=a_2=a_3=0 a 1 = a 2 = a 3 = 0 。約束方程亦直接說明它們都在 V V V 內。
Gram-Schmidt 給出
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 , 這裏 ⟨ 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 ,所以係數為 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 ,
所以係數為 ( 1 / 2 ) / ( 3 / 2 ) = 1 / 3 (1/2)/(3/2)=1/3 ( 1/2 ) / ( 3/2 ) = 1/3 。於是
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 . 平方範數為 2 , 3 / 2 , 4 / 3 2,3/2,4/3 2 , 3/2 , 4/3 ,正規化後得到
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 ;
顯示的縮放因子確實令三個範數都是 1 1 1 。每個向量的坐標和為零,每一對的點積為零。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 乘回範數即可得到 v i v_i v i ,所以正規化保持每一個張成空間等式
的兩個方向。由於零空間維數是 3 3 3 ,這三個向量構成 V V V 的標準正交基。
R 4 \mathbb R^4 R 4 計算亦可雙向核對張成空間。由三個定義式,
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 . 反過來,每個 v i v_i v i 都由相應的 w i w_i w i 與較早向量構成;這是對角系數全為 1 1 1 的三角變換,
所以沒有丟失任何方向。正規化後的向量仍在 V V V 內:u 1 u_1 u 1 的座標和為
( − 1 + 1 ) / 2 = 0 (-1+1)/\sqrt2=0 ( − 1 + 1 ) / 2 = 0 ,u 2 u_2 u 2 的座標和為 ( − 1 − 1 + 2 ) / 6 = 0 (-1-1+2)/\sqrt6=0 ( − 1 − 1 + 2 ) / 6 = 0 ,u 3 u_3 u 3 的座標和為
( − 1 − 1 − 1 + 3 ) / 12 = 0 (-1-1-1+3)/\sqrt{12}=0 ( − 1 − 1 − 1 + 3 ) / 12 = 0 。它們的平方範數分別是 2 / 2 2/2 2/2 、( 1 + 1 + 4 ) / 6 (1+1+4)/6 ( 1 + 1 + 4 ) /6 及
( 1 + 1 + 1 + 9 ) / 12 (1+1+1+9)/12 ( 1 + 1 + 1 + 9 ) /12 ,全部等於 1 1 1 ;這些座標核對獨立確認了約束與正規化。
定理
每個有限維子空間都有標準正交基 R m \mathbb{R}^m R m 的每個子空間都有有限基。正維數時,Gram-Schmidt 產生非零正交基,再正規化
便得到標準正交基。零子空間是邊界情況:它的空集基已是正交基和標準正交基,不需要對
任何向量除以範數。
常見錯誤
相關輸入會產生零餘量 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 ,則
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. 下一步正規化便沒有定義。應先按線性無關性檢查並刪去冗餘向量;Gram-Schmidt 的輸入應是
線性無關的有序向量組。
快速檢查
思考檢查
Gram-Schmidt 的第一個向量 v 1 v_1 v 1 是甚麼?
解答 · 答案 v 1 = w 1 v_1=w_1 v 1 = w 1 ;第一個輸入方向原樣保留。
思考檢查
Gram-Schmidt 除了正交性還保持甚麼性質?
解答 · 答案 它保持每個部分張成空間:
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 對每個非零 v i v_i v i 除以範數:u i = v i / ∥ v i ∥ u_i=v_i/\|v_i\| u i = v i /∥ v i ∥ 。
思考檢查
對 w 1 = ( 1 , 2 , 0 ) w_1=(1,2,0) w 1 = ( 1 , 2 , 0 ) 與 w 2 = ( 2 , 0 , 1 ) w_2=(2,0,1) w 2 = ( 2 , 0 , 1 ) 做前兩步 Gram-Schmidt。
解答 · 引導解答 v 1 = ( 1 , 2 , 0 ) T v_1=(1,2,0)^T v 1 = ( 1 , 2 , 0 ) T ,投影係數為
⟨ 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 . 核對 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 ,
所以新舊兩組向量張成同一個平面。
思考檢查
為甚麼獨立輸入列表出現零餘量就表示有問題?
解答 · 引導解答 餘量為零當且僅當目前向量在先前向量的張成空間中,這與線性無關性矛盾。
思考檢查
若正交向量 v 1 , v 2 v_1,v_2 v 1 , v 2 的範數分別是 3 和 4,對應的單位向量是甚麼?
解答 · 引導解答 它們是 u 1 = v 1 / 3 u_1=v_1/3 u 1 = v 1 /3 與 u 2 = v 2 / 4 u_2=v_2/4 u 2 = v 2 /4 ;兩者範數為 1 1 1 ,仍然正交。
思想史
Gram–Schmidt 這個名稱之前的正交化
相關筆記
先閱讀
9.2 正交集與標準正交基 ,
因為 Gram-Schmidt 建立在正交係數公式上。約束空間例子也使用
6.2 子空間 與
6.5 基底與維數 的零空間與基方法。
下一節
9.4 Cauchy-Schwarz 與三角不等式
會發展控制這些內積計算的估計。