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如何理解施密特正交化?

如果  是某向量空間的基,那么可通過下列做法找到該向量空間中的  個兩兩正交的向量  :  該方法稱為施密特正交化(Gram–Schmidt process)。

1 二維平面


下面以在  中尋找兩個正交的向量為例,來解釋下施密特正交化是如何推導出來的。

1.1 思路

讓我們從思路說起,比如想尋找  中的兩個正交向量,需要先知道  的一個基,也就是下圖中的兩個向量:

只要將其中一個向量對另外一個向量進行投影,就可以完成正交化:

2 代數

下面來進行代數推導,假設基為  :

任選其一作為  ,比如選  :

將  向  進行投影,其垂線就是要求的  :

如果知道了  的投影:

那么根據向量減法的幾何意義可知:  其中的投影向量可以如下計算: (上述的計算是這樣的, 根據點積的定義有: 其中  是  在  上的投影長度,  是和  同方向的單位向量,所以說  是  在  上的投影向量) 

所以:  上述方法就稱為施密特正交化,可以總結如下:  這樣得到的  和  就是  中正交的兩個向量:

2.1 任意的平面

之前的推導是在  中完成的,實際上該結論在任意平面上也是成立的,比如已知三維向量空間中某平面以及它的基  ,下面是示意圖:

如果想在該平面中找到兩個正交的向量,那么根據施密特正交化,可算出:該  和  就是該平面中的兩個正交向量:

可以分兩步來驗算:

        (1)驗算  和  是否正交。計算兩者點積:  可知  和  正交。

        (2)驗算  和  是否在  和  的張成空間中。根據施密特正交化的計算方法:  因為  ,所以  必然在  和  的張成空間中,而  是  和  線性組合,自然也在  和  的張成空間中。


3 三維立體

下面是在  中尋找三個兩兩正交的向量的例子,這樣可以進一步理解施密特正交化的推導。

3.1 思路

思路還是很簡單,比如想尋找  中的三個兩兩正交向量,需要先知道  的一個基,也就是下圖中的三個向量:

先按照之前介紹的,將其中任意兩個向量正交化:

然后向這兩個正交向量的張成空間作垂線,從而得到三個正交向量:

3.2 代數

下面來進行代數推導,假設基為  、  和  :

任選兩個向量,按照之前介紹的將其中任意兩個向量正交化,得到  和  :

再將  作  張成平面的垂線就得到  :

要求出  只需要知道  的投影:

然后根據向量減法的幾何意義可知:  從幾何上可以看出,該投影向量是由  在  上的投影向量和  在  上的投影向量線性組合而成:

即:  所以:  上述過程可以總結如下:  這樣得到的  就是  中三個兩兩正交的向量:

我們用同樣的通俗易懂、圖形化的方式,對《線性代數》、《單變量微積分》、《多變量微積分》、《概率論與數理統計》進行了精講:
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