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正交补 ​

定义 ​

设向量空间 V 且有子集 U⊂V ,那么 U 的正交补(orthogonal complement)记作 U⊥ ,其是一个定义如下的向量集合:

U⊥={v∈V:对于任意u∈U都有⟨v,u⟩=0}

基本性质 ​

设向量空间 V 且有子集 U,W∈V 、U⊂W ,那么以下情况均成立:

  1. U⊥ 是 V 的子空间。

证明:首先,对于任意 u∈U 都有 ⟨0,u⟩=0 ,故而 0∈U⊥ 。

设 v1,v2∈U⊥ ,对于任意 u∈U 都有

⟨v1+v2,u⟩=⟨v1,u⟩+⟨v2,u⟩=0+0=0

U⊥ 满足加法封闭性。

设 λ∈F 、v∈U⊥ ,则

⟨λv,u⟩=λ⟨v,u⟩=λ⋅0=0

U⊥ 满足标量乘法的封闭性,至此证毕。

  1. {0}⊥=V

  2. V⊥={0}

  3. U∩U⊥∈{0}

  4. W⊥⊂U⊥

其他性质 ​

设有限维向量空间 V ,及其有限维子空间 U ,则以下情况均成立:

  1. V=U⊕U⊥

  2. dimU⊥=dimV−dimU

  3. U=(U⊥)⊥

正交投影 ​

定义 ​

设 U 是 V 的有限维子空间,那么 V 到 U 上的正交投影(orthogonal projection)记作 PU ,其为符合定义的一个在 V 上的算子: 对于任意 v∈V ,那么 PUv∈U ,且必然存在某个向量 w∈U⊥ 使得 v=PUv+w 。

以三维空间 R3 为例,它到某个二维平面 R2 的正交投影是一个函数,该函数将任意的三维向量垂直投影到这个二维平面上。

相关性质 ​

设 U 是 V 的有限维子空间,对于任意 v∈V ,以下描述均成立:

  1. PU∈L(V)

  2. 对于任意 u∈U 均有 PUu=u 。

  3. 对于任意 w∈U⊥ 均有 PUw=0 。

  4. rangePU=U

  5. nullPU=U⊥

  6. v−PUv∈U⊥

  7. PU2=PU 或者说 PU(PUv)=PUv

  8. ‖PUv‖≤‖v‖

  9. 对于 U 的任意规范正交基 e1,…,em 均有 PUv=⟨v,e1⟩e1,…,⟨v,em⟩em 。

极小化问题 ​

设 U 是 V 的最小子空间,且 v∈V 、 u∈U ,则

‖v−PUv‖≤‖v−u‖

此处的等号仅在 u=PUv 的情况下成立。

形象地讲,一个向量和某个子空间的距离等于它与该子空间的正交投影的距离。

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