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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:

x,y=y,x.

本系列采用 x,y=xy,即对第一变量共轭线性、第二变量线性;若教材采用相反约定,只需统一共轭位置。

内积诱导范数 x=x,x。Cauchy–Schwarz 不等式

|x,y|xy

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 WV

W={x:x,w=0, wW}.

有限维时

V=WW.

因此每个 x 唯一分解为 x=w+r,其中 wW,rWw 就是 xW 上的正交投影,也是最小化 xy 的唯一点。

Q 的列构成 W 的标准正交基,则

PW=QQ,PW2=PW=PW.

3. Gram 矩阵

向量组 v1,,vk 的 Gram 矩阵为

G=(vi,vj)i,j=VV.

G0,且 G0 当且仅当向量组线性无关。因而“线性无关”可以转化为一个正定性问题。

4. Gram–Schmidt 与 QR

对线性无关向量 a1,,an,依次减去已有方向上的投影:

uk=akj<kqjqjak,qk=ukuk.

qk 组成矩阵 Q,得到

A=QR,QQ=I,

其中 R 为上三角矩阵。约化 QR 用 QCm×n;完整 QR 则把 Q 补成 m×m 酉矩阵。

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 f 都能唯一写成

f(x)=y,x

(具体次序取决于内积约定)。这就是 Riesz 表示定理。

线性算子 T 的伴随 T

Tx,y=x,Ty

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:UU=I,保持内积与范数。
  • Hermite:A=A,特征值为实数。
  • 正规:AA=AA

谱定理给出关键等价:复矩阵 A 正规,当且仅当它可被酉矩阵对角化。

A=QΛQ.

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

p=PWx,则对任意 yW,有 pyWxpW,于是

xy2=(xp)+(py)2=xp2+py2.

所以 y=p 时距离唯一最小。正规方程、最小二乘与条件期望中的“最佳逼近”都来自同一个正交分解。

在非标准内积 x,yG=xGyG0)下,投影矩阵不再是 Q(QQ)1Q,而是

P=Q(QGQ)1QG.

它满足 P2=P,并关于 G-内积自伴,即 GP=PG

8. 一个手算 QR 例子

A=(111001).

Gram–Schmidt 给出

q1=12(110),q2=16(112),

因此

A=QR,R=(21/206/2).

R 的元素就是 rij=qiaj;其上三角结构来自第 j 列只需减去此前 j1 个方向。这个例子也可直接验证 QQ=IQA=R

9. 正规矩阵谱定理的证明骨架

由 Schur 分解,存在酉矩阵 Q 使 QAQ=T 为上三角矩阵。正规性在酉相似下保持,所以 T 也正规。比较 TTTT 的第一个对角元:

|t11|2=|t11|2+j>1|t1j|2,

从而第一行的非对角元全为零。对右下子块归纳,得到 T 必为对角矩阵。于是正规矩阵可酉对角化;反方向则由对角矩阵显然正规立即得到。

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 1×1 实块和 2×2 旋转伸缩块。

10. 自检

  • [ ] 能从正交分解证明投影是最佳逼近。
  • [ ] 能由 P2=P=P 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