标准正交基

Orthonormal Basis
标准正交的向量 q1,,qn 满足:
相互垂直并且模都为 1

qiTqj={0ijOrthogonal1i=junit||qi||=1

标准正交的向量作为矩阵的列
将矩阵记为 Q

QTQ=[q1Tq2TqnT][q1q2qn]=[100010001]=I=Q1Q

矩阵的转置等于逆矩阵 Transpose=Inverse QT=Q1

如果使用标准正交基进行向量投影
QTQx^=x^=QTb p=Qx^

x^=QTbp=Qx^=QQTb=bb=q1(q1Tb)++qn(qnTb)

b=QQTb 本质上也为变换的思想
将向量或函数通过变换分解为 perpendicular pieces
然后将 pieces 通过逆变换重新得到原来的向量或函数

Gram -Schmidt Process

利用线性独立的向量组来构建标准正交基
假设有三个独立的向量 a,b,c
目的是得到标准正交的向量 p1,p2,p3

先构造三个相互垂直的向量 A,B,C,再标准化
A=a
B=bATbATAA
C=cATcATAABTcBTBB

则标准正交的向量:

p1=A||A||,p2=B||B||,p3=C||C||,

其实本质思想很简单
就是向量减去在所有正交基上的投影,得到新的正交基

ABbABcC

矩阵分解

A=QR[abc]=[q1q2q3][q1Taq1Tbq1Tcq2Tbq2Tcq3Tc]

向量投影知:ATAx^=ATb
所以有:ATA=(QR)TQR=RTR RTRx^=RTQTb
最小二乘法的最优近似解则为:x^=R1QTb


AI 结构化补充(2026-05-02)

定义

Orthonormal Basis 标准正交基是一组既两两正交又已经单位化的基向量;它把坐标分解变成互不耦合的点积计算。

向量 q1,,qn 标准正交,当且仅当

qiTqj=δij={1,i=j,0,ij.

这里的 δij 是 Kronecker delta。等式同时表达两个条件:qiTqi=qi2=1 表示单位长度,qiTqj=0 (ij) 表示正交。

把这些向量放成矩阵列

Q=[q1 q2  qn],

则所有点积一次写成

QTQ=[q1Tq2TqnT][q1q2qn]=In.

这条式子不要求 Q 是方阵;当 QRm×nm>n 时,QT 只是左逆,不能写成普通逆矩阵

与正交矩阵的边界

Q 同时是方阵,则 QTQ=I 推出

QQT=I,QT=Q1.

这时 Q正交矩阵,它的行向量和列向量都构成全空间的标准正交基。正交矩阵保持长度与角度:

Qx2=(Qx)T(Qx)=xTQTQx=x2,

并且

(Qx)T(Qy)=xTQTQy=xTy.

Q 不是方阵,上述保持长度的结论对输入坐标 xRn 仍成立,即 Qx=x;但 QQT 不再是恒等矩阵,而是投影到 Q 的列空间。

投影和坐标

Q 的列张成子空间 C(Q)。把向量 b 投影到 C(Q) 时,标准正交性使正规方程直接退化为

x^=QTb,p=Qx^=QQTb.

其中 x^ 的第 i 个分量就是 qiTb,也就是 b 沿 qi 的一维投影系数。投影矩阵为

P=QQT,P2=P,PT=P.

只有当 Q 是覆盖全空间的方阵标准正交基时,才有 QQT=I,于是 p=b,并且

b=q1(q1Tb)+q2(q2Tb)++qn(qnTb).

Q 只给出真子空间的标准正交基,QQTb 只是 b 在该子空间中的最佳近似。

例如

Q=13[122212221]

的三列是 R3 的标准正交基。对 b=(0,0,1)T

q1Tb=23,q2Tb=23,q3Tb=13.

前两个一维分量之和

23q1+23q2

bspan{q1,q2} 的投影;三个分量全部相加时,因为 Q 是方阵标准正交矩阵,

23q1+23q213q3=b.

这说明标准正交基把一个向量拆成互相垂直的一维投影,再由这些分量相加重构。

构造方式

格拉姆-施密特正交化从线性无关向量 a,b,c 出发,先构造正交向量 A,B,C,再单位化:

A=a,B=bATbATAA,C=cATcATAABTcBTBB.

最后令

q1=AA,q2=BB,q3=CC.

每一步都把新向量中沿已有方向的投影减掉,所以保留原来的张成空间,同时把列之间的耦合消去。实际数值计算中,修正Gram-Schmidt会一次减去一个投影,通常比一次性减去全部投影更稳定。

一个具体三向量过程是

a=[110],b=[202],c=[333].

先得

A=a,B=bATbATAA=[112],

再得

C=cATcATAABTcBTBB=[111].

此时 ATB=ATC=BTC=0,长度分别为 2,6,3,所以除以这些长度后得到标准正交列 q1,q2,q3

ABbABcC

与 QR 分解

A=[a1  an] 的列线性无关,Gram-Schmidt 产生的标准正交列组成 Q=[q1  qn]。每个 aj 都只需要前 jqi 表示:

aj=r1jq1++rjjqj.

因此

A=QR,R=QTA,

其中

R=[q1Ta1q1Ta2q1Tan0q2Ta2q2Tan00qnTan]

是上三角矩阵。最小二乘问题 minxAxbA=QR 化为

ATA=RTQTQR=RTR,

从而

Rx^=QTb.

这比直接处理 ATAx^=ATb 更适合计算,因为核心只剩下标准正交投影和上三角回代。