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07 内积空间、正交投影与 QR 分解
1. 内积同时编码长度和角度
复内积空间中,内积满足正定性、第二变量线性和共轭对称:
本系列采用
内积诱导范数
既保证角度定义有意义,也推出三角不等式。
2. 正交补与投影
对子空间
有限维时
因此每个
若
3. Gram 矩阵
向量组
4. Gram–Schmidt 与 QR
对线性无关向量
把
其中
数值计算中,经典 Gram–Schmidt 可能丧失正交性;改进 Gram–Schmidt 或 Householder 反射更稳定。
5. Riesz 表示与伴随
有限维内积空间上,每个线性泛函
(具体次序取决于内积约定)。这就是 Riesz 表示定理。
线性算子
唯一确定。在标准坐标下就是共轭转置矩阵。
6. 酉算子、Hermite 算子与正规算子
- 酉:
,保持内积与范数。 - Hermite:
,特征值为实数。 - 正规:
。
谱定理给出关键等价:复矩阵
Hermite、酉、斜 Hermite 矩阵都是正规矩阵的特殊情形。
7. 投影定理的勾股证明
设
所以
在非标准内积
它满足
8. 一个手算 QR 例子
令
Gram–Schmidt 给出
因此
9. 正规矩阵谱定理的证明骨架
由 Schur 分解,存在酉矩阵
从而第一行的非对角元全为零。对右下子块归纳,得到
在实数域中,实正规矩阵未必能实对角化,但能正交块对角化为
10. 自检
- [ ] 能从正交分解证明投影是最佳逼近。
- [ ] 能由
识别正交投影。 - [ ] 能解释 QR 与 Gram–Schmidt 的对应关系。
- [ ] 能说出正规矩阵与酉对角化的等价性。
- [ ] 能用勾股恒等式证明正交投影的最佳逼近性。
- [ ] 能复述“Schur 上三角 + 正规推出对角”的证明。
下一章:奇异值分解与广义逆。