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Chapter 6 内积空间

Youmans Yu原创线性代数学习笔记Linear Algebra大约 6 分钟

线性代数学习笔记第六章,参考教材为《Linear Algebra Done Right》。

6.A 内积与范数

内积

  • 点积
    对于x,yRnx,y\in\bold R^n,xxyy的点积定义为: xy=x1+y1+...+xnynx\cdot y=x_1+y_1+...+x_ny_n
    其中x=(x1,...,xn), y=(y1,...,yn)x=(x_1,...,x_n),\ y=(y_1,...,y_n)
    值得注意的是,点积是一个数而不是一个向量.显然xx=x2x\cdot x=||x||^2.
    R\bold R上的点积具有如下的性质:
    • 对所有xRnx\in \bold R^n均有xx0x\cdot x\geq0
    • xx=0    x=0x\cdot x=0 \iff x=0
    • 对于固定的yRny\in\bold R^n,RnRn\bold R^n\rightarrow\bold R^n的将xx变为xyx\cdot y的映射是线性的
    • 对于所有x,yRnx,y\in\bold R^n,xy=yxx\cdot y=y\cdot x
  • 内积
    VV上的内积就是一个函数,它把VV中元素的每个有序对(u,v)(u,v)都映成一个数<u,v>F\left<u,v\right>\in\bold F,并且具有如下性质:
    • 正性
      对于所有vV,<u,v>0v\in V,\left<u,v\right>\geq0
    • 定性
      <v,v>=0    v=0\left<v,v\right>=0\iff v=0
    • 第一个位置的加性
      对于所有u,v,wVu,v,w\in V, <u+v,w>=<u,w>+<v,w>\left<u+v,w\right>=\left<u,w\right>+\left<v,w\right>
    • 第一个位置的齐性
      λF, u,vV\forall \lambda\in\bold F,\ u,v\in V, <λu,v>=λ<u,v>\left< \lambda u,v\right>=\lambda\left<u,v\right>
    • 共轭对称性
      u,vV, <u,v>=<v,u>\forall u,v\in V,\ \left<u,v\right>=\overline{\left<v,u\right>}
  • 内积空间
    内积空间就是带有内积的向量空间VV
  • 内积的基本性质
    • 对每个确定的uVu\in V,将vv映射为<v,u>\left<v,u\right>的函数是VFV\to\bf F的线性映射
    • uV, <0,u>=<u,0>=0\forall u\in V,\ \left<0,u\right>=\left<u,0\right>=0
    • u,v,wV, <u,v+w>=<u,v>+<u,w>\forall u,v,w\in V,\ \left<u,v+w\right>=\left<u,v\right>+\left<u,w\right>
    • λF\forall \lambda\in\bf {F}, u,vV, <u,λv>=λˉ<u,v>u,v\in V,\ \left<u,\lambda v\right>=\bar\lambda\left<u,v\right>

范数

  • 范数
    对于vVv\in V,vv的范数定义为:v2=<v,v>||v||^2=\sqrt{\left<v,v\right>}
  • 范数的基本性质
    vVv\in V
    • v=0    v=0||v||=0\iff v=0
    • λF,λv=λ v\forall \lambda\in\bold F,||\lambda v||=|\lambda|\ ||v||
  • 正交
    两个向量u,vu,v是正交的,如果<u,v>=0\left<u,v\right>=0
    00正交于VV中任意向量且00VV中唯一一个与自身正交的向量
  • 勾股定理
    u,vu,vVV中的正交向量,则u+v2=u2+v2||u+v||^2=||u||^2+||v||^2
  • 正交分解
    u,vVu,v\in V并且v0v\neq 0.令c=<u,v>v2, w=u<u,v>v2vc=\frac{\left<u,v\right>}{||v||^2},\ w=u-\frac{\left<u,v\right>}{||v||^2}v, 则<w,v>=0\left<w,v\right>=0u=cv+wu=cv+w
  • 柯西-施瓦茨不等式
    u,vVu,v\in V则:

<u,v>u v \boxed{|\left<u,v\right>|\leq||u||\ ||v||}

等号成立当且仅当u,vu,v之一是另一个的标量倍.

proof:
v=0v=0,那么得证.因此假设v0v\neq0.由正交分解:

u=<u,v>v2v+w u=\frac{\left<u,v\right>}{||v||^2}v+w

由正交分解:

u2=<u,v>v22+w2=<u,v>2v2+w2<u,v>2v2 ||u||^2=||\frac{\left<u,v\right>}{||v||^2}||^2+||w||^2=\frac{|\left<u,v\right>|^2}{||v||^2}+||w||^2\geq\frac{|\left<u,v\right>|^2}{||v||^2}

两端同乘v2||v||^2后开方即证毕.

  • 三角不等式
    u,vVu,v\in V,则u+vu+v||u+v||\leq||u||+||v||.等号成立当且仅当u,vu,v之一是另一个的非负标量倍.
  • 平行四边形恒等式
    u,vVu,v\in V,则u+v2+uv2=2(u2+v2)||u+v||^2+||u-v||^2=2(||u||^2+||v||^2)

6.B 规范正交基

  • 规范正交
    • 如果一个向量组中每个向量的范数都是11且和其他向量正交,则称这个向量组是规范正交的
    • 也就是所,VV上的向量组e1,...,ene_1,...,e_n是规范正交的,如果

    <ej,ek>={1, j=k0, jk \left<e_j,e_k\right>=\begin{cases}1,\ j=k\\0,\ j\neq k\end{cases}

  • 规范正交线性组合的范数
    如果e1,...,eme_1,...,e_mVV中的规范正交向量组,则对所有a1,...,amFa_1,...,a_m\in\bold F均有:

a1e1+...+amem2=a12+...+am2 ||a_1e_1+...+a_me_m||^2=|a_1|^2+...+|a_m|^2

  • 规范正交组是线性无关的
  • 规范正交基
    VV的规范正交基是VV中的规范正交组构成的基
  • 适当长度的规范正交组是规范正交基
    VV中每个长度为dimV\text{dim}V的规范正交向量组都是VV的规范正交基
  • 将向量表示为规范正交基的线性组合
    e1,...,ene_1,...,e_nVV的规范正交基且vVv\in V,则:

v=<v,e1>e1+...+<v,en>en v=\left<v,e_1\right>e_1+...+\left<v,e_n\right>e_n

且:

v2=<v,e1>2+...+<v,en>2 ||v||^2=|\left<v,e_1\right>|^2+...+|\left<v,e_n\right>|^2

  • Gram-Schimidt过程(施密特正交化):
    假设v1,...,vmv_1,...,v_mVV中线性无关的向量组,令e1=v1/v1e_1=v_1/||v_1||.对j=2,...,mj=2,...,m,定义eje_j由下式导出:

ej=vjvj,e1e1vj,ej1ej1vjvj,e1e1vj,ej1ej1 e_{j}=\frac{v_{j}-\left\langle v_{j}, e_{1}\right\rangle e_{1}-\cdots-\left\langle v_{j}, e_{j}-1\right\rangle e_{j-1}}{\left\|v_{j}-\left\langle v_{j}, e_{1}\right\rangle e_{1}-\cdots-\left\langle v_{j}, e_{j-1}\right\rangle e_{j-1}\right\|}

那么e1,...,eme_1,...,e_mVV的一组规范正交基使得对j=1,...,mj=1,...,m:

span(v1,...,vj)=span(e1,...,ej) \text{span}(v_1,...,v_j)=\text{span}(e_1,...,e_j)

  • 规范正交基的存在性
    每个有限维内积空间都有规范正交基.
  • 规范正交组扩充为规范正交基
    VV是有限维的,则VV中的每个规范正交向量组都可以扩充为VV的规范正交基
  • 关于规范正交基的上三角矩阵
    TL(V)T\in\mathcal L(V),如果TT关于VV的某个基具有上三角矩阵,那么TT关于VV的某个规范正交基也具有上三角矩阵.
    \Rightarrow

舒尔定理:
VV是有限维的复向量空间且TL(V)T\in\mathcal L(V),则TT关于VV的某个规范正交基具有上三角矩阵.

内积空间上的线性泛函

VV上的线性泛函是从VVF\bold F的映射,也就是说线性泛函是L(V,F)\mathcal L(V,\bold F)中的元素

  • 里斯表示定理
    VV是有限维并且ϕ\phiVV上的线性泛函,则存在唯一的向量uVu\in V使得对于每个vVv\in V均有ϕ(v)=<u,v>\phi(v)=\left<u,v\right>

6.C 正交补与极小化问题

正交补

  • 正交补
    UUVV的子集,则UU的正交补(UU^\perp)是由VV中与UU的每个向量都正交的那些向量组成的集合:

U={vV:uU,<v,u>=0} U^\perp=\{v\in V:\forall u\in U,\left<v,u\right>=0\}

  • 正交补的基本性质
    • UUVV的子集,则UU^\perpVV的子空间
    • {0}=V\{0\}^\perp=V
    • V={0}V^\perp=\{0\}
    • UUVV的子集,则UU{0}U\cap U^\perp\subset\{0\}
    • UUWW均为VV的子集且UWU\subset WWUW^\perp\subset U^\perp
  • 子空间与其正交补的直和
    UUVV的子空间,则V=UUV=U\oplus U^\perp
  • 正交补的维数
    VV是有限维的并且UUVV的子空间,则dimU = dimVdimU\text{dim}U^\perp\ =\ \text{dim}V-\text{dim}U
  • 正交补的正交补

U = (U) U\ =\ (U^\perp)^\perp

  • 正交投影
    UUVV的有限维子空间.定义UUVV的正交投影为如下算子PUL(V)P_U\in\mathcal L(V):对vVv\in V,将其写成v=u+wv=u+w,其中uUu\in UwUw\in U^\perp,则PUv=uP_Uv=u
  • 正交投影的性质
    UUVV的有限维子空间且vVv\in V,则:
    • PUL(V)P_U\in\mathcal L(V)
    • 对每个uUu\in U均有PUu=uP_Uu=u
    • 对每个wUw\in U^\perp均有PUw=0P_Uw=0
    • rangePU=U\text{range}P_U=U
    • nullPU=U\text{null}P_U=U^\perp
    • vPUvUv-P_Uv\in U^\perp
    • PU2=PUP_U^2=P_U
    • PUvv||P_Uv||\leq||v||
    • UU的每个规范正交基e1,...,eme_1,...,e_m均有PUv=<v,e1>e1+...+<v,em>emP_U v=\left<v,e_1\right>e_1+...+\left<v,e_m\right>e_m

极小化问题

  • 到子空间的最小距离
    UUVV的子空间,vVv\in VuUu\in U,则:

vPUvvu ||v-P_Uv||\leq||v-u||

进一步,等号成立当且仅当u=PUvu=P_Uv

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贡献者: Youmans Yu