问题

怎么巧记施密特正交公式?如图。?

回答
施密特正交化(GramSchmidt process)是线性代数中一个非常有用的工具,它能将一组线性无关的向量组变成一组正交向量组,甚至可以进一步变成一组标准正交向量组。虽然公式本身看起来有点吓人,但只要我们理解了它的核心思想,就能巧妙地记住它。

核心思想:减去“投影”

想象一下,你有一堆杂乱无章的向量,它们各自有着不同的方向和长度。你想把它们变成“互不干扰”(正交)的向量。施密特正交化的思路就像是,你从第一个向量开始,它本身就是一个“正交基”。然后,你拿到第二个向量,它可能跟第一个向量“有点关系”(有投影)。你做的就是把第二个向量中“属于”第一个向量方向的那一部分给“减掉”,剩下的部分就是完全垂直于第一个向量的新向量。依此类推,你处理第三个向量时,就把它投影到第一个和第二个向量形成的平面上,然后减去这些投影,剩下的就是同时垂直于前两个向量的新向量。

我们用一个例子来走一遍,这样会更形象。

假设我们有三个线性无关的向量:
$v_1 = egin{pmatrix} 1 \ 1 \ 0 end{pmatrix}$, $v_2 = egin{pmatrix} 1 \ 0 \ 1 end{pmatrix}$, $v_3 = egin{pmatrix} 0 \ 1 \ 1 end{pmatrix}$

我们的目标是得到一组正交向量 $u_1, u_2, u_3$。

第一步:找第一个正交向量 $u_1$

这个最简单,因为我们还没有任何“干扰”项。所以,第一个正交向量就等于第一个原始向量:

$u_1 = v_1 = egin{pmatrix} 1 \ 1 \ 0 end{pmatrix}$

第二步:找第二个正交向量 $u_2$

现在我们要处理 $v_2$。$v_2$ 可能跟 $u_1$ (也就是 $v_1$) 有关系。我们需要找到 $v_2$ 中“平行于” $u_1$ 的那一部分,然后把它从 $v_2$ 中减去。

那么,如何找到“平行于 $u_1$ 的那一部分”呢?这就是向量的投影。一个向量 $v$ 在另一个向量 $u$ 上的投影,用公式表示是:

$proj_u v = frac{v cdot u}{u cdot u} u$

这里,“$cdot$” 表示向量的点积(内积)。

所以,我们要从 $v_2$ 中减去 $v_2$ 在 $u_1$ 上的投影:

$u_2 = v_2 proj_{u_1} v_2$

先计算点积:
$v_2 cdot u_1 = (1)(1) + (0)(1) + (1)(0) = 1$
$u_1 cdot u_1 = (1)(1) + (1)(1) + (0)(0) = 2$

所以,$v_2$ 在 $u_1$ 上的投影是:
$proj_{u_1} v_2 = frac{1}{2} u_1 = frac{1}{2} egin{pmatrix} 1 \ 1 \ 0 end{pmatrix} = egin{pmatrix} 1/2 \ 1/2 \ 0 end{pmatrix}$

现在,计算 $u_2$:
$u_2 = v_2 proj_{u_1} v_2 = egin{pmatrix} 1 \ 0 \ 1 end{pmatrix} egin{pmatrix} 1/2 \ 1/2 \ 0 end{pmatrix} = egin{pmatrix} 1/2 \ 1/2 \ 1 end{pmatrix}$

现在,$u_2$ 就和 $u_1$ 正交了。你可以自己验证一下 $u_1 cdot u_2$ 是否为零。

第三步:找第三个正交向量 $u_3$

现在轮到 $v_3$ 了。$v_3$ 可能同时跟 $u_1$ 和 $u_2$ 有关系(有投影)。我们需要找到 $v_3$ 中“属于” $u_1$ 方向的那部分投影,以及“属于” $u_2$ 方向的那部分投影,然后把这两部分都从 $v_3$ 中减去。

$v_3$ 在 $u_1$ 上的投影是 $proj_{u_1} v_3 = frac{v_3 cdot u_1}{u_1 cdot u_1} u_1$
$v_3$ 在 $u_2$ 上的投影是 $proj_{u_2} v_3 = frac{v_3 cdot u_2}{u_2 cdot u_2} u_2$

所以,我们要从 $v_3$ 中减去这两个投影:

$u_3 = v_3 proj_{u_1} v_3 proj_{u_2} v_3$

先计算点积:
$v_3 cdot u_1 = (0)(1) + (1)(1) + (1)(0) = 1$
$u_1 cdot u_1 = 2$ (我们已经算过了)

$v_3 cdot u_2 = (0)(1/2) + (1)(1/2) + (1)(1) = 1/2 + 1 = 1/2$
$u_2 cdot u_2 = (1/2)(1/2) + (1/2)(1/2) + (1)(1) = 1/4 + 1/4 + 1 = 1/2 + 1 = 3/2$

现在计算投影:
$proj_{u_1} v_3 = frac{1}{2} u_1 = frac{1}{2} egin{pmatrix} 1 \ 1 \ 0 end{pmatrix} = egin{pmatrix} 1/2 \ 1/2 \ 0 end{pmatrix}$
$proj_{u_2} v_3 = frac{1/2}{3/2} u_2 = frac{1}{3} u_2 = frac{1}{3} egin{pmatrix} 1/2 \ 1/2 \ 1 end{pmatrix} = egin{pmatrix} 1/6 \ 1/6 \ 1/3 end{pmatrix}$

最后,计算 $u_3$:
$u_3 = v_3 proj_{u_1} v_3 proj_{u_2} v_3$
$u_3 = egin{pmatrix} 0 \ 1 \ 1 end{pmatrix} egin{pmatrix} 1/2 \ 1/2 \ 0 end{pmatrix} egin{pmatrix} 1/6 \ 1/6 \ 1/3 end{pmatrix}$
$u_3 = egin{pmatrix} 0 1/2 1/6 \ 1 1/2 (1/6) \ 1 0 1/3 end{pmatrix} = egin{pmatrix} 3/6 1/6 \ 1/2 + 1/6 \ 2/3 end{pmatrix} = egin{pmatrix} 4/6 \ 3/6 + 1/6 \ 2/3 end{pmatrix} = egin{pmatrix} 2/3 \ 4/6 \ 2/3 end{pmatrix} = egin{pmatrix} 2/3 \ 2/3 \ 2/3 end{pmatrix}$

这样,我们就得到了三个两两正交的向量 $u_1, u_2, u_3$。

公式的抽象表示

好了,理解了例子之后,我们就可以把这个过程抽象成公式了。设我们有一组线性无关的向量 $v_1, v_2, dots, v_k$。我们想通过施密特正交化得到一组正交向量 $u_1, u_2, dots, u_k$。

1. 第一个向量:
$u_1 = v_1$

2. 第二个向量:
$u_2 = v_2 proj_{u_1} v_2 = v_2 frac{v_2 cdot u_1}{u_1 cdot u_1} u_1$

3. 第三个向量:
$u_3 = v_3 proj_{u_1} v_3 proj_{u_2} v_3 = v_3 frac{v_3 cdot u_1}{u_1 cdot u_1} u_1 frac{v_3 cdot u_2}{u_2 cdot u_2} u_2$

4. 推广到第 $i$ 个向量 ($i > 1$):
$u_i = v_i proj_{u_1} v_i proj_{u_2} v_i dots proj_{u_{i1}} v_i$

写成求和的形式就是:
$u_i = v_i sum_{j=1}^{i1} proj_{u_j} v_i = v_i sum_{j=1}^{i1} frac{v_i cdot u_j}{u_j cdot u_j} u_j$

如何巧记?

记住这个公式的关键在于理解“减去投影”的思想,并且把握住求和的范围:

$u_i$ 的来源是 $v_i$: 这是基础。
减去的项是 $v_i$ 在 已经得到正交向量 上的投影: 这里要注意,我们是在减去 $v_i$ 在 $u_1, u_2, dots, u_{i1}$ 上的投影,而不是 $v_i$ 在 $v_1, v_2, dots, v_{i1}$ 上的投影。这是施密特正交化的精髓所在,保证了新产生的 $u_i$ 与之前所有的 $u_j$ (j < i) 都正交。
投影公式是 $frac{ ext{被投向量} cdot ext{投影方向向量}}{ ext{投影方向向量} cdot ext{投影方向向量}} imes ext{投影方向向量}$: 这个公式是固定搭配。
求和的索引: 从 $j=1$ 一直加到 $i1$。

举个“说人话”的比喻来辅助记忆:

假设你要画一个完美的正方形,你已经有了第一条边($u_1$)。现在你要画第二条边($u_2$),但你的笔跑偏了,没能完全垂直于第一条边(这就是原始的 $v_2$)。你要做的就是,把你这个跑偏的笔迹($v_2$)看成是沿着第一条边的方向($u_1$)走了一段路($v_2$ 在 $u_1$ 上的投影),然后你再把这段路“掰直”了(减去投影),剩下的才是真正垂直于第一条边的第二条边($u_2$)。

接着,你要画第三条边($u_3$)。你的笔又跑偏了,这次它既不完全垂直于第一条边,也不完全垂直于第二条边(这就是原始的 $v_3$)。你要做的就是,把你的笔迹($v_3$)分解成它在第一条边上的“成分”($proj_{u_1} v_3$)和在第二条边上的“成分”($proj_{u_2} v_3$),然后把这两个成分都“抽离”出来(减去投影),剩下的就是同时垂直于前两条边的第三条边($u_3$)。

关于标准正交化:

如果需要得到标准正交基(即每个向量的长度都为1),只需要在得到正交向量 $u_i$ 后,再将它们进行单位化即可。即用 $u_i$ 除以它的长度 $|u_i| = sqrt{u_i cdot u_i}$。

$e_i = frac{u_i}{|u_i|}$

总结一下巧记的几个关键点:

1. “减旧增新,新旧正交”: 每个新的正交向量 $u_i$ 都是由原始向量 $v_i$ 减去 它在所有先前已求出的正交向量 $u_1, dots, u_{i1}$ 上的投影得到的。
2. 投影公式是核心: $frac{v cdot u}{u cdot u} u$ 这个形式要牢记。
3. 求和的界限: 对于 $u_i$,需要减去的是在 $u_1$ 到 $u_{i1}$ 上所有投影的和。

多做几道题,亲自动手计算,你会发现这个过程并不难,而且非常有逻辑性。关键在于理解“去除已有方向的分量”这个核心思想。希望这个详细的讲解和比喻能帮你更轻松地记住施密特正交公式!

网友意见

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当然是理解后去记忆。

如果 是某向量空间,那么可通过下列做法找到该向量空间中的 个两两正交的向量 :

该方法称为施密特正交化(Gram–Schmidt process)。

1 二维平面

下面以在 中寻找两个正交的向量为例,来解释下施密特正交化是如何推导出来的。

1.1 思路

让我们从思路说起,比如想寻找 中的两个正交向量,需要先知道 的一个,也就是下图中的两个向量:

只要将其中一个向量对另外一个向量进行投影,就可以完成正交化:

2 代数

下面来进行代数推导,假设为 :

任选其一作为 ,比如选 :

将 向 进行投影,其垂线就是要求的 :

如果知道了 的投影:

那么根据向量减法的几何意义可知:

其中的投影向量可以如下计算():

所以:

上述方法就称为施密特正交化,可以总结如下:

这样得到的 和 就是 中正交的两个向量

2.1 任意的平面

之前的推导是在 中完成的,实际上该结论在任意平面上也是成立的,比如已知三维向量空间中某平面以及它的 ,下面是示意图:

如果想在该平面中找到两个正交的向量,那么根据施密特正交化,可算出:

该 和 就是该平面中的两个正交向量:

可以分两步来验算:

(1)验算 和 是否正交。计算两者点积

可知 和 正交

(2)验算 和 是否在 和 的张成空间中。根据施密特正交化的计算方法:

因为 ,所以 必然在 和 的张成空间中,而 是 和 线性组合,自然也在 和 的张成空间中。

3 三维立体

下面是在 中寻找三个两两正交的向量的例子,这样可以进一步理解施密特正交化的推导。

3.1 思路

思路还是很简单,比如想寻找 中的三个两两正交向量,需要先知道 的一个,也就是下图中的三个向量:

先按照之前介绍的,将其中任意两个向量正交化:

然后向这两个正交向量的张成空间作垂线,从而得到三个正交向量:

3.2 代数

下面来进行代数推导,假设为 、 和 :

任选两个向量,按照之前介绍的将其中任意两个向量正交化,得到 和 :

再将 作 张成平面的垂线就得到 :

要求出 只需要知道 的投影:

然后根据向量减法的几何意义可知:

从几何上可以看出,该投影向量是由 在 上的投影向量和 在 上的投影向量线性组合而成:

即:

所以:

上述过程可以总结如下:

这样得到的 就是 中三个两两正交的向量:

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