Orthonormal Basis
标准正交的向量 满足:
相互垂直并且模都为 1
标准正交的向量作为矩阵的列
将矩阵记为
矩阵的转置等于逆矩阵 Transpose=Inverse
如果使用标准正交基进行向量投影:
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
目的是得到标准正交的向量
先构造三个相互垂直的向量 ,再标准化
则标准正交的向量:
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
由向量投影知:
所以有:
最小二乘法的最优近似解则为:
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 标准正交,当且仅当
这里的 是 Kronecker delta。等式同时表达两个条件: 表示单位长度, 表示正交。
把这些向量放成矩阵列
则所有点积一次写成
这条式子不要求 是方阵;当 且 时, 只是左逆,不能写成普通逆矩阵。
与正交矩阵的边界
若 同时是方阵,则 推出
这时 是正交矩阵,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:
并且
若 不是方阵,上述保持长度的结论对输入坐标 仍成立,即 ;但 不再是恒等矩阵,而是投影到 的列空间。
投影和坐标
设 的列张成子空间 。把向量 投影到 时,标准正交性使正规方程直接退化为
其中 的第 个分量就是 ,也就是 沿 的一维投影系数。投影矩阵为
只有当 是覆盖全空间的方阵标准正交基时,才有 ,于是 ,并且
若 只给出真子空间的标准正交基, 只是 在该子空间中的最佳近似。
例如
的三列是 的标准正交基。对 ,
前两个一维分量之和
是 到 的投影;三个分量全部相加时,因为 是方阵标准正交矩阵,
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 出发,先构造正交向量 ,再单位化:
最后令
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
先得
再得
此时 ,长度分别为 ,所以除以这些长度后得到标准正交列 。
ABbABcC
与 QR 分解
若 的列线性无关,Gram-Schmidt 产生的标准正交列组成 。每个 都只需要前 个 表示:
因此
其中
是上三角矩阵。最小二乘问题 因 化为
从而
这比直接处理 更适合计算,因为核心只剩下标准正交投影和上三角回代。