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,y∈Rn,x和y的点积定义为: x⋅y=x1+y1+...+xnyn
其中x=(x1,...,xn), y=(y1,...,yn)
值得注意的是,点积是一个数而不是一个向量.显然x⋅x=∣∣x∣∣2.
R上的点积具有如下的性质: - 对所有x∈Rn均有x⋅x≥0
- x⋅x=0⟺x=0
- 对于固定的y∈Rn,Rn→Rn的将x变为x⋅y的映射是线性的
- 对于所有x,y∈Rn,x⋅y=y⋅x
- 内积
V上的内积就是一个函数,它把V中元素的每个有序对(u,v)都映成一个数⟨u,v⟩∈F,并且具有如下性质: - 正性
对于所有v∈V,⟨u,v⟩≥0 - 定性
⟨v,v⟩=0⟺v=0 - 第一个位置的加性
对于所有u,v,w∈V, ⟨u+v,w⟩=⟨u,w⟩+⟨v,w⟩ - 第一个位置的齐性
∀λ∈F, u,v∈V, ⟨λu,v⟩=λ⟨u,v⟩ - 共轭对称性
∀u,v∈V, ⟨u,v⟩=⟨v,u⟩
- 内积空间
内积空间就是带有内积的向量空间V - 内积的基本性质
- 对每个确定的u∈V,将v映射为⟨v,u⟩的函数是V→F的线性映射
- ∀u∈V, ⟨0,u⟩=⟨u,0⟩=0
- ∀u,v,w∈V, ⟨u,v+w⟩=⟨u,v⟩+⟨u,w⟩
- ∀λ∈F, u,v∈V, ⟨u,λv⟩=λˉ⟨u,v⟩
范数
- 范数
对于v∈V,v的范数定义为:∣∣v∣∣2=⟨v,v⟩ - 范数的基本性质
设v∈V- ∣∣v∣∣=0⟺v=0
- ∀λ∈F,∣∣λv∣∣=∣λ∣ ∣∣v∣∣
- 正交
两个向量u,v是正交的,如果⟨u,v⟩=0
0正交于V中任意向量且0是V中唯一一个与自身正交的向量 - 勾股定理
设u,v是V中的正交向量,则∣∣u+v∣∣2=∣∣u∣∣2+∣∣v∣∣2 - 正交分解
设u,v∈V并且v=0.令c=∣∣v∣∣2⟨u,v⟩, w=u−∣∣v∣∣2⟨u,v⟩v, 则⟨w,v⟩=0且u=cv+w - 柯西-施瓦茨不等式
设u,v∈V则:
∣⟨u,v⟩∣≤∣∣u∣∣ ∣∣v∣∣
等号成立当且仅当u,v之一是另一个的标量倍.
proof:
若v=0,那么得证.因此假设v=0.由正交分解:
u=∣∣v∣∣2⟨u,v⟩v+w
由正交分解:
∣∣u∣∣2=∣∣∣∣v∣∣2⟨u,v⟩∣∣2+∣∣w∣∣2=∣∣v∣∣2∣⟨u,v⟩∣2+∣∣w∣∣2≥∣∣v∣∣2∣⟨u,v⟩∣2
两端同乘∣∣v∣∣2后开方即证毕.
- 三角不等式
设u,v∈V,则∣∣u+v∣∣≤∣∣u∣∣+∣∣v∣∣.等号成立当且仅当u,v之一是另一个的非负标量倍. - 平行四边形恒等式
设u,v∈V,则∣∣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1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,V上的向量组e1,...,en是规范正交的,如果
⟨ej,ek⟩={1, j=k0, j=k
- 规范正交线性组合的范数
如果e1,...,em是V中的规范正交向量组,则对所有a1,...,am∈F均有:
∣∣a1e1+...+amem∣∣2=∣a1∣2+...+∣am∣2
- 规范正交组是线性无关的
- 规范正交基
V的规范正交基是V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
V中每个长度为dimV的规范正交向量组都是V的规范正交基 - 将向量表示为规范正交基的线性组合
设e1,...,en是V的规范正交基且v∈V,则:
v=⟨v,e1⟩e1+...+⟨v,en⟩en
且:
∣∣v∣∣2=∣⟨v,e1⟩∣2+...+∣⟨v,en⟩∣2
- Gram-Schimidt过程(施密特正交化):
假设v1,...,vm是V中线性无关的向量组,令e1=v1/∣∣v1∣∣.对j=2,...,m,定义ej由下式导出:
ej=∥vj−⟨vj,e1⟩e1−⋯−⟨vj,ej−1⟩ej−1∥vj−⟨vj,e1⟩e1−⋯−⟨vj,ej−1⟩ej−1
那么e1,...,em是V的一组规范正交基使得对j=1,...,m:
span(v1,...,vj)=span(e1,...,ej)
- 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
设V是有限维的,则V中的每个规范正交向量组都可以扩充为V的规范正交基 - 关于规范正交基的上三角矩阵
设T∈L(V),如果T关于V的某个基具有上三角矩阵,那么T关于V的某个规范正交基也具有上三角矩阵.
⇒
舒尔定理:
设V是有限维的复向量空间且T∈L(V),则T关于V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
V上的线性泛函是从V到F的映射,也就是说线性泛函是L(V,F)中的元素
- 里斯表示定理
设V是有限维并且ϕ是V上的线性泛函,则存在唯一的向量u∈V使得对于每个v∈V均有ϕ(v)=⟨u,v⟩
6.C 正交补与极小化问题
正交补
- 正交补
设U是V的子集,则U的正交补(U⊥)是由V中与U的每个向量都正交的那些向量组成的集合:
U⊥={v∈V:∀u∈U,⟨v,u⟩=0}
- 正交补的基本性质
- 若U是V的子集,则U⊥是V的子空间
- {0}⊥=V
- V⊥={0}
- 若U是V的子集,则U∩U⊥⊂{0}
- 若U和W均为V的子集且U⊂W则W⊥⊂U⊥
- 子空间与其正交补的直和
设U是V的子空间,则V=U⊕U⊥ - 正交补的维数
设V是有限维的并且U是V的子空间,则dimU⊥ = dimV−dimU - 正交补的正交补
U = (U⊥)⊥
- 正交投影
设U是V的有限维子空间.定义U到V的正交投影为如下算子PU∈L(V):对v∈V,将其写成v=u+w,其中u∈U且w∈U⊥,则PUv=u - 正交投影的性质
设U是V的有限维子空间且v∈V,则: - PU∈L(V)
- 对每个u∈U均有PUu=u
- 对每个w∈U⊥均有PUw=0
- rangePU=U
- nullPU=U⊥
- v−PUv∈U⊥
- PU2=PU
- ∣∣PUv∣∣≤∣∣v∣∣
- 对U的每个规范正交基e1,...,em均有PUv=⟨v,e1⟩e1+...+⟨v,em⟩em
极小化问题
- 到子空间的最小距离
设U是V的子空间,v∈V且u∈U,则:
∣∣v−PUv∣∣≤∣∣v−u∣∣
进一步,等号成立当且仅当u=PUv