有限實矩陣乘法法則的證明
設 m , n , p , q m,n,p,q m , n , p , q 為正整數,A ∈ R m × n A\in\mathbb R^{m\times n} A ∈ R m × n 、B ∈ R n × p B\in\mathbb R^{n\times p} B ∈ R n × p 、C ∈ R p × q C\in\mathbb R^{p\times q} C ∈ R p × q 。以下只用行乘欄定義與實數的有限求和。對任意輸出位置 ( i , ℓ ) (i,\ell) ( i , ℓ ) ,
( ( A B ) C ) i ℓ = ∑ k = 1 p ( ∑ j = 1 n a i j b j k ) c k ℓ = ∑ j = 1 n a i j ( ∑ k = 1 p b j k c k ℓ ) = ( A ( B C ) ) i ℓ . \begin{aligned}
((AB)C)_{i\ell}
&=\sum_{k=1}^{p}\left(\sum_{j=1}^{n}a_{ij}b_{jk}\right)c_{k\ell}\\
&=\sum_{j=1}^{n}a_{ij}\left(\sum_{k=1}^{p}b_{jk}c_{k\ell}\right)
=(A(BC))_{i\ell}.
\end{aligned} (( A B ) C ) i ℓ = k = 1 ∑ p ( j = 1 ∑ n a ij b j k ) c k ℓ = j = 1 ∑ n a ij ( k = 1 ∑ p b j k c k ℓ ) = ( A ( B C ) ) i ℓ .
中間等號只交換兩個有限和的求和次序,並使用實數分配律。兩邊同為 m × q m\times q m × q 矩陣,每個位置相等,便證明結合律;沒有調換矩陣因子的次序。
對 D ∈ R n × p D\in\mathbb R^{n\times p} D ∈ R n × p ,同一定義給出
[ A ( B + D ) ] i k = ∑ j = 1 n a i j ( b j k + d j k ) = ( A B ) i k + ( A D ) i k . [A(B+D)]_{ik}=\sum_{j=1}^{n}a_{ij}(b_{jk}+d_{jk})
=(AB)_{ik}+(AD)_{ik}. [ A ( B + D ) ] ik = j = 1 ∑ n a ij ( b j k + d j k ) = ( A B ) ik + ( A D ) ik .
對 E ∈ R m × n E\in\mathbb R^{m\times n} E ∈ R m × n ,則有
[ ( A + E ) B ] i k = ∑ j = 1 n ( a i j + e i j ) b j k = ( A B ) i k + ( E B ) i k . [(A+E)B]_{ik}=\sum_{j=1}^{n}(a_{ij}+e_{ij})b_{jk}
=(AB)_{ik}+(EB)_{ik}. [( A + E ) B ] ik = j = 1 ∑ n ( a ij + e ij ) b j k = ( A B ) ik + ( E B ) ik .
所以在所寫的相容大小下,兩條分配律均成立。對任意實純量 c c c ,
[ ( c A ) B ] i k = ∑ j ( c a i j ) b j k = c ∑ j a i j b j k = ∑ j a i j ( c b j k ) = [ A ( c B ) ] i k , [(cA)B]_{ik}=\sum_j(ca_{ij})b_{jk}
=c\sum_j a_{ij}b_{jk}
=\sum_j a_{ij}(cb_{jk})=[A(cB)]_{ik}, [( c A ) B ] ik = j ∑ ( c a ij ) b j k = c j ∑ a ij b j k = j ∑ a ij ( c b j k ) = [ A ( c B ) ] ik ,
逐項相等便證明 ( c A ) B = c ( A B ) = A ( c B ) (cA)B=c(AB)=A(cB) ( c A ) B = c ( A B ) = A ( c B ) 。特別地,對 x , y ∈ R n x,y\in\mathbb R^n x , y ∈ R n 與實數 s , t s,t s , t ,
[ A ( s x + t y ) ] i = ∑ j a i j ( s x j + t y j ) = s ( A x ) i + t ( A y ) i . [A(sx+ty)]_i=\sum_j a_{ij}(sx_j+ty_j)
=s(Ax)_i+t(Ay)_i. [ A ( s x + t y ) ] i = j ∑ a ij ( s x j + t y j ) = s ( A x ) i + t ( A y ) i .
這證明了比較同一線性系統的解時所用的矩陣乘向量線性性質。所有恆等式都只針對大小相容的有限實矩陣,不聲稱任意矩陣因子可交換或可消去。
實內積、誘導範數與所需不等式
實向量空間上的內積是取值於實數的映射 ⟨ u , v ⟩ \langle u,v\rangle ⟨ u , v ⟩ ,它對稱、對每個變量線性,並且正定:v ≠ 0 v\ne0 v = 0 時 ⟨ v , v ⟩ > 0 \langle v,v\rangle>0 ⟨ v , v ⟩ > 0 。線性性給出 ⟨ 0 , v ⟩ = 0 \langle0,v\rangle=0 ⟨ 0 , v ⟩ = 0 。定義 ∥ v ∥ = ⟨ v , v ⟩ \|v\|=\sqrt{\langle v,v\rangle} ∥ v ∥ = ⟨ v , v ⟩ ,則範數恰在零向量處為零,且 ∥ c v ∥ = ∣ c ∣ ∥ v ∥ \|cv\|=|c|\|v\| ∥ c v ∥ = ∣ c ∣∥ v ∥ 。R m \mathbb R^m R m 上的標準例子是 ⟨ u , v ⟩ = ∑ i = 1 m u i v i \langle u,v\rangle=\sum_{i=1}^mu_iv_i ⟨ u , v ⟩ = ∑ i = 1 m u i v i 。內積為零的向量稱為正交;不同成員互相正交且每個成員範數為一的列表稱為正交規範列表。
若 v ≠ 0 v\ne0 v = 0 ,將 t = ⟨ u , v ⟩ / ∥ v ∥ 2 t=\langle u,v\rangle/\|v\|^2 t = ⟨ u , v ⟩ /∥ v ∥ 2 代入非負平方 ∥ u − t v ∥ 2 \|u-tv\|^2 ∥ u − t v ∥ 2 ,以雙線性展開得 ∥ u ∥ 2 − ⟨ u , v ⟩ 2 / ∥ v ∥ 2 ≥ 0 \|u\|^2-\langle u,v\rangle^2/\|v\|^2\ge0 ∥ u ∥ 2 − ⟨ u , v ⟩ 2 /∥ v ∥ 2 ≥ 0 ,故 ∣ ⟨ u , v ⟩ ∣ ≤ ∥ u ∥ ∥ v ∥ |\langle u,v\rangle|\le\|u\|\|v\| ∣ ⟨ u , v ⟩ ∣ ≤ ∥ u ∥∥ v ∥ 。若 v = 0 v=0 v = 0 ,該不等式直接成立。對 v ≠ 0 v\ne0 v = 0 ,等號意味着 ∥ u − t v ∥ = 0 \|u-tv\|=0 ∥ u − t v ∥ = 0 ,等價於 u = t v u=tv u = t v ;零向量情形也取等。最後展開 ∥ u + v ∥ 2 \|u+v\|^2 ∥ u + v ∥ 2 並對交叉項使用該界,得到 ∥ u + v ∥ 2 ≤ ( ∥ u ∥ + ∥ v ∥ ) 2 \|u+v\|^2\le(\|u\|+\|v\|)^2 ∥ u + v ∥ 2 ≤ ( ∥ u ∥ + ∥ v ∥ ) 2 。待開方的兩邊非負,因此得到三角不等式。這確實定義了範數,任何非零向量的歸一化都只除以正實數;這裏不使用複雙線性的約定。
不預設計數結論的有限基存在與擴充
設實向量空間 V V V 已給定有限生成列表 t 1 , … , t N t_1,\ldots,t_N t 1 , … , t N 。先證明任何線性無關列表 u 1 , … , u k u_1,\ldots,u_k u 1 , … , u k 的長度不超過 N N N 。插入 j j j 個向量後,維持一個由 u 1 , … , u j u_1,\ldots,u_j u 1 , … , u j 與 N − j N-j N − j 個剩餘舊向量組成的生成列表。將 u j + 1 u_{j+1} u j + 1 按此列表展開,至少一個剩餘舊向量的係數非零;否則它在先前 u i u_i u i 的張成空間中,與無關性矛盾。解出這個舊向量,再以 u j + 1 u_{j+1} u j + 1 取代它。新列表仍張成同一空間,而且保留全部先前插入向量。若 k > N k>N k > N ,則 N N N 步後前 N N N 個向量已張成 V V V ,與 u N + 1 u_{N+1} u N + 1 的無關性矛盾。此即所需上界,也包括 N = 0 N=0 N = 0 。
每個子空間 W W W 都有有限基。從空的無關列表開始;若當前張成空間尚不是 W W W ,就在 W W W 中取一個不在該張成空間內的向量。若新向量在某關係中的係數非零,就能由舊向量表示它,矛盾,故新列表仍無關。已證上界允許至多添加 N N N 次,所以過程必停止於 W W W 的無關生成列表。若 W = { 0 } W=\{0\} W = { 0 } ,立即得到空基。改從 W W W 內任意給定無關列表開始,同樣證明該列表可擴充為 W W W 的基;只需有界有限次選擇。最後,若兩組基的長度為 p , q p,q p , q ,分別把它們用作上界證明中的有限生成列表,得到 p ≤ q p\le q p ≤ q 與 q ≤ p q\le p q ≤ p 。故基的長度有良定義,稱為維數。這些論證補足秩–零度定理所用的基存在、擴充與維數事實。
正交規範基,以及保留指定向量的擴充
再設 V V V 具有實正定內積。對無關列表 v 1 , … , v s v_1,\ldots,v_s v 1 , … , v s ,逐次定義
w j = v j − ∑ i < j ⟨ v j , q i ⟩ q i , q j = w j / ∥ w j ∥ . w_j=v_j-\sum_{i<j}\langle v_j,q_i\rangle q_i,\qquad q_j=w_j/\|w_j\|. w j = v j − i < j ∑ ⟨ v j , q i ⟩ q i , q j = w j /∥ w j ∥.
歸納假設先前 q i q_i q i 正交規範。對 l < j l<j l < j 與 q l q_l q l 取內積,得 ⟨ w j , q l ⟩ = ⟨ v j , q l ⟩ − ⟨ v j , q l ⟩ = 0 \langle w_j,q_l\rangle=\langle v_j,q_l\rangle-\langle v_j,q_l\rangle=0 ⟨ w j , q l ⟩ = ⟨ v j , q l ⟩ − ⟨ v j , q l ⟩ = 0 。若 w j = 0 w_j=0 w j = 0 ,則 v j v_j v j 在先前張成空間中,矛盾,因此可合法除以它的正範數。所列公式及其移項式說明前 j j j 個新舊向量張成相同空間,歸納完成。用於一組基就得到正交規範基,子空間亦然。若要擴充一組指定的正交規範向量,先由已證定理將它擴充為普通基,再按此順序進行上述構造。原先指定的向量沒有分量被減去,範數又為一,所以全都精確保留。空列表與零子空間無需相除。這證明了 SVD 及投影存在性所用的正交規範擴充。
QR 唯一性所用的上三角逆矩陣
設整數 n ≥ 1 n\geq1 n ≥ 1 ,R = ( r i j ) R=(r_{ij}) R = ( r ij ) 為實 n × n n\times n n × n 上三角矩陣,且每個 r i i ≠ 0 r_{ii}\ne0 r ii = 0 。對任意 b ∈ R n b\in\mathbb R^n b ∈ R n ,從最後一行向上解 R x = b Rx=b R x = b :
x i = b i − ∑ k = i + 1 n r i k x k r i i , i = n , n − 1 , … , 1. x_i=\frac{b_i-\sum_{k=i+1}^n r_{ik}x_k}{r_{ii}},\qquad i=n,n-1,\ldots,1. x i = r ii b i − ∑ k = i + 1 n r ik x k , i = n , n − 1 , … , 1.
每步右邊的項都已經確定,所以該公式給出一個解;同一個向下歸納也證明解唯一。因此 R R R 可逆。為求 R − 1 R^{-1} R − 1 的第 j j j 欄,取 b = e j b=e_j b = e j 。遞推先給出每個 i > j i>j i > j 的 x i = 0 x_i=0 x i = 0 ,然後給出 x j = 1 / r j j x_j=1/r_{jj} x j = 1/ r j j 。因此 R − 1 R^{-1} R − 1 是上三角矩陣,對角元素為 1 / r j j 1/r_{jj} 1/ r j j ;特別地,若 R R R 的對角元素為正,逆矩陣的對角元素也為正。
若 U , V U,V U , V 都上三角,則對 i > j i>j i > j ,乘積元素 ∑ k u i k v k j \sum_k u_{ik}v_{kj} ∑ k u ik v k j 為零:非零項必須同時滿足 k ≥ i k\geq i k ≥ i 和 k ≤ j k\leq j k ≤ j 。對 i = j i=j i = j ,只有 k = i k=i k = i 能有貢獻,所以 ( U V ) i i = u i i v i i (UV)_{ii}=u_{ii}v_{ii} ( U V ) ii = u ii v ii 。因此,若 R 1 , R 2 R_1,R_2 R 1 , R 2 的對角元素為正,則 R 1 R 2 − 1 R_1R_2^{-1} R 1 R 2 − 1 上三角且對角元素為正。這恰好補全了正對角薄 QR 唯一性原證明中的三角矩陣步驟。
預備知識與學習目標
本章假設讀者熟悉實向量、內積、歐氏範數、矩陣乘法與轉置、消元、欄空間、零空間和基。對 u , v ∈ R m u,v\in\mathbb R^m u , v ∈ R m ,內積為 u T v u^Tv u T v ,範數為 ∥ u ∥ = u T u \|u\|=\sqrt{u^Tu} ∥ u ∥ = u T u 。向量組 q 1 , … , q r q_1,\ldots,q_r q 1 , … , q r 稱為標準正交組 ,如果 i = j i=j i = j 時 q i T q j q_i^Tq_j q i T q j 等於一,其他情形等於零。除明確另有說明外,本章計算均為精確計算。
Gram–Schmidt 正交化不只是把兩個向量變成一對互相垂直的向量:它在保持逐步生成的張成空間時構造基,其係數組成矩陣分解,而該分解又把最小二乘問題分解為垂直殘差與三角方程組。本章完整展開這一過程,包括某欄線性相關或所有欄均為零時的情形。
學習目標是構造並檢驗薄 QR 分解、由矩陣識別正交投影、求解最小二乘問題而不混淆擬合向量與係數,以及判斷模型的欄線性相關時哪些信息仍可識別。
1. 保持張成空間的 Gram–Schmidt 方法與線性相關情形
設 a 1 , … , a n ∈ R m a_1,\ldots,a_n\in\mathbb R^m a 1 , … , a n ∈ R m 為 A A A 的欄。假設 q 1 , … , q r q_1,\ldots,q_r q 1 , … , q r 是此前已處理各欄的張成空間的一組標準正交基。對下一欄 a j a_j a j ,令
w = a j − ∑ i = 1 r ( q i T a j ) q i . w=a_j-\sum_{i=1}^r(q_i^Ta_j)q_i. w = a j − i = 1 ∑ r ( q i T a j ) q i .
與先前的 q ℓ q_\ell q ℓ 取內積,得到
q ℓ T w = q ℓ T a j − ∑ i = 1 r ( q i T a j ) ( q ℓ T q i ) = 0. q_\ell^Tw=q_\ell^Ta_j-\sum_{i=1}^r(q_i^Ta_j)(q_\ell^Tq_i)=0. q ℓ T w = q ℓ T a j − i = 1 ∑ r ( q i T a j ) ( q ℓ T q i ) = 0.
有兩種情況:若 w ≠ 0 w\ne0 w = 0 ,加入 q r + 1 = w / ∥ w ∥ q_{r+1}=w/\|w\| q r + 1 = w /∥ w ∥ ;若 w = 0 w=0 w = 0 ,則不加入向量,因為新欄已是先前方向的線性組合。特別地,不能將零殘差除以其範數。開始時使用空向量組,其對應和為零。
用歸納法可證明該過程保持所需張成空間。非零情形下,w w w 是 a j a_j a j 與舊基向量的線性組合,故新向量 q r + 1 q_{r+1} q r + 1 屬於擴大的欄張成空間。反過來,
a j = ∑ i = 1 r ( q i T a j ) q i + ∥ w ∥ q r + 1 , a_j=\sum_{i=1}^r(q_i^Ta_j)q_i+\|w\|q_{r+1}, a j = i = 1 ∑ r ( q i T a j ) q i + ∥ w ∥ q r + 1 ,
所以新欄也屬於新基向量組的張成空間。零情形下,展示的投影和已經等於 a j a_j a j ,張成空間不變。由上述內積計算及歸一化,新向量組仍標準正交。這就同時證明了構造及其張成空間結論,而非僅憑圖形推斷。
處理完所有欄後,最終向量組的長度為 r = rank A r=\operatorname{rank}A r = rank A 。若 Q Q Q 由這些欄組成,則 Q T Q = I r Q^TQ=I_r Q T Q = I r 且
A = Q B , B = Q T A . A=QB,\qquad B=Q^TA. A = QB , B = Q T A .
事實上,A A A 的每欄都屬於 Q Q Q 的張成空間,而它相對於標準正交基的座標就是與各 q i q_i q i 的內積。矩陣 B B B 是 r × n r\times n r × n 矩陣。若欄線性相關,它不一定是方陣,也不一定是通常意義下的三角矩陣。
若 A = 0 A=0 A = 0 ,秩為零,Q Q Q 沒有欄,投影到其欄空間的矩陣是零矩陣。無需進行空矩陣乘法也可直接理解這一邊界情形。
精確線性相關與數值判斷
對精確的有理數或符號數據,w = 0 w=0 w = 0 是數學等式。在浮點運算中,計算出的很小殘差可能源於近似相關,也可能源於捨入。選擇數值容差需要尺度及誤差模型;這裏的“跳過零向量”並不自動給出數值閾值。改變欄的順序可能改變標準正交基,但不會改變所表示的欄空間。
2. 從線性無關的欄到薄 QR 分解
現假設 n n n 欄線性無關。那麼 n ≤ m n\le m n ≤ m ,沒有殘差為零,構造過程產生 n n n 個標準正交欄。令
r i j = q i T a j ( i < j ) , r j j = ∥ w j ∥ > 0 , r i j = 0 ( i > j ) . r_{ij}=q_i^Ta_j\quad(i<j),\qquad r_{jj}=\|w_j\|>0,\qquad r_{ij}=0\quad(i>j). r ij = q i T a j ( i < j ) , r j j = ∥ w j ∥ > 0 , r ij = 0 ( i > j ) .
第 j j j 欄的張成關係變為 a j = ∑ i = 1 j r i j q i a_j=\sum_{i=1}^j r_{ij}q_i a j = ∑ i = 1 j r ij q i 。將各欄彙集起來得到
A = Q R , Q T Q = I n , A=QR,\qquad Q^TQ=I_n, A = QR , Q T Q = I n ,
其中 Q Q Q 是 m × n m\times n m × n 矩陣,R R R 是對角元素為正的 n × n n\times n n × n 上三角矩陣。這稱為薄 QR 分解 。“薄”指僅保留欄空間所需的 n n n 個標準正交方向;當 n < m n<m n < m 時,Q Q Q 不是方陣。左乘 Q T Q^T Q T 可得 R = Q T A R=Q^TA R = Q T A 。
反過來,若這種分解中的 R R R 可逆,那麼 A x = 0 Ax=0 A x = 0 藴含 R x = Q T A x = 0 Rx=Q^TAx=0 R x = Q T A x = 0 ,於是 x = 0 x=0 x = 0 。因此 A A A 的欄線性無關。對秩虧矩陣,不能直接假設存在帶可逆方陣 R R R 的薄分解。
正對角線還消除了符號歧義。事實上,對固定次序的線性無關欄組,這種薄 QR 分解唯一。假設 Q 1 R 1 = Q 2 R 2 = A Q_1R_1=Q_2R_2=A Q 1 R 1 = Q 2 R 2 = A ,且兩個三角因子的對角元素均為正。那麼
Q 2 = Q 1 M , M = R 1 R 2 − 1 . Q_2=Q_1M,\qquad M=R_1R_2^{-1}. Q 2 = Q 1 M , M = R 1 R 2 − 1 .
矩陣 M M M 是對角元素為正的上三角矩陣,且 I = Q 2 T Q 2 = M T M I=Q_2^TQ_2=M^TM I = Q 2 T Q 2 = M T M 。對角元素為正的上三角正交矩陣必為 I I I :它的第一欄僅第一個元素可能非零,單位長度使該元素為一;它與其餘欄正交,又使第一行其餘元素為零。對右下方剩餘塊重複此論證。因此 M = I M=I M = I ,從而 Q 1 = Q 2 Q_1=Q_2 Q 1 = Q 2 、R 1 = R 2 R_1=R_2 R 1 = R 2 。沒有對角元素為正的約定時,對相應欄和行同時改變符號,會得到其他有效分解。
3. 完整的三欄計算
例 1。 設
A = ( 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ) , a 1 = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T , a 2 = ( 1 , 0 , 1 , 0 ) T , a 3 = ( 1 , 0 , 0 , 1 ) T . A=\begin{pmatrix}
1&1&1\\1&0&0\\0&1&0\\0&0&1
\end{pmatrix},\qquad
a_1=(1,1,0,0)^T,\ a_2=(1,0,1,0)^T,\ a_3=(1,0,0,1)^T. A = 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 , a 1 = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T , a 2 = ( 1 , 0 , 1 , 0 ) T , a 3 = ( 1 , 0 , 0 , 1 ) T .
最後三行直接說明各欄線性無關。對第一欄,
q 1 = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T / 2 , r 11 = 2 . q_1=(1,1,0,0)^T/\sqrt2,\qquad r_{11}=\sqrt2. q 1 = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T / 2 , r 11 = 2 .
對第二欄,r 12 = q 1 T a 2 = 1 / 2 r_{12}=q_1^Ta_2=1/\sqrt2 r 12 = q 1 T a 2 = 1/ 2 ,並且
w 2 = a 2 − 1 2 ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T = 1 2 ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T . w_2=a_2-\tfrac12(1,1,0,0)^T=\tfrac12(1,-1,2,0)^T. w 2 = a 2 − 2 1 ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T = 2 1 ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T .
其範數為 6 / 2 \sqrt6/2 6 /2 ,因此 q 2 = ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T / 6 q_2=(1,-1,2,0)^T/\sqrt6 q 2 = ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T / 6 ,r 22 = 6 / 2 r_{22}=\sqrt6/2 r 22 = 6 /2 。
對第三欄,r 13 = 1 / 2 r_{13}=1/\sqrt2 r 13 = 1/ 2 ,r 23 = 1 / 6 r_{23}=1/\sqrt6 r 23 = 1/ 6 。減去兩個垂直分量:
w 3 = ( 1 , 0 , 0 , 1 ) T − 1 2 ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T − 1 6 ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T = 1 3 ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) T . \begin{aligned}
w_3&=(1,0,0,1)^T-\tfrac12(1,1,0,0)^T-\tfrac16(1,-1,2,0)^T\\
&=\tfrac13(1,-1,-1,3)^T.
\end{aligned} w 3 = ( 1 , 0 , 0 , 1 ) T − 2 1 ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T − 6 1 ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) T = 3 1 ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) T .
因此 ∥ w 3 ∥ = 2 / 3 \|w_3\|=2/\sqrt3 ∥ w 3 ∥ = 2/ 3 ,且
q 3 = 1 2 3 ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) T . q_3=\frac1{2\sqrt3}(1,-1,-1,3)^T. q 3 = 2 3 1 ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) T .
得到的三角因子為
R = ( 2 1 / 2 1 / 2 0 6 / 2 1 / 6 0 0 2 / 3 ) . R=\begin{pmatrix}
\sqrt2&1/\sqrt2&1/\sqrt2\\
0&\sqrt6/2&1/\sqrt6\\
0&0&2/\sqrt3
\end{pmatrix}. R = 2 0 0 1/ 2 6 /2 0 1/ 2 1/ 6 2/ 3 .
獨立核對時,未歸一化方向 ( 1 , 1 , 0 , 0 ) (1,1,0,0) ( 1 , 1 , 0 , 0 ) 、( 1 , − 1 , 2 , 0 ) (1,-1,2,0) ( 1 , − 1 , 2 , 0 ) 和 ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) (1,-1,-1,3) ( 1 , − 1 , − 1 , 3 ) 兩兩內積為零,範數平方分別為 2 , 6 , 12 2,6,12 2 , 6 , 12 ,故 Q T Q = I 3 Q^TQ=I_3 Q T Q = I 3 。構造各欄時使用的三個等式又給出 Q R = A QR=A QR = A 。兩式都應檢驗:僅有標準正交欄並不能證明它們構成了給定輸入矩陣的分解。
4. 作為線性映射的投影
對任意具有標準正交欄的矩陣 Q Q Q ,定義
P = Q Q T . P=QQ^T. P = Q Q T .
對 b ∈ R m b\in\mathbb R^m b ∈ R m ,向量 p = P b = ∑ i ( q i T b ) q i p=Pb=\sum_i(q_i^Tb)q_i p = P b = ∑ i ( q i T b ) q i 屬於該欄空間。其殘差 r = b − p r=b-p r = b − p 滿足 Q T r = 0 Q^Tr=0 Q T r = 0 ,因此垂直於該空間中的每個向量。若 z z z 是該空間中的任意其他向量,則 p − z p-z p − z 屬於該空間且與 r r r 正交。因此
∥ b − z ∥ 2 = ∥ r + ( p − z ) ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 + ∥ p − z ∥ 2 . \|b-z\|^2=\|r+(p-z)\|^2=\|r\|^2+\|p-z\|^2. ∥ b − z ∥ 2 = ∥ r + ( p − z ) ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 + ∥ p − z ∥ 2 .
唯一的最近向量是 z = p z=p z = p 。唯一性來自第二項恰在 z = p z=p z = p 時為零。這同時證明了投影公式及其最小距離性質。
該矩陣滿足兩個恆等式:
P T = P , P 2 = Q ( Q T Q ) Q T = P . P^T=P,\qquad P^2=Q(Q^TQ)Q^T=P. P T = P , P 2 = Q ( Q T Q ) Q T = P .
其像為 col Q \operatorname{col}Q col Q :每個輸出均在其中,而且它固定每個 Q c Qc Q c 。其核為 ( col Q ) ⊥ (\operatorname{col}Q)^\perp ( col Q ) ⊥ ,因為 P b = 0 Pb=0 P b = 0 等價於 Q T b = 0 Q^Tb=0 Q T b = 0 。因此 R m \mathbb R^m R m 分解為子空間內的部分和與其垂直的部分,而 I − P I-P I − P 投影到後者。
這些恆等式也刻畫正交投影。若實方陣滿足 P T = P P^T=P P T = P 和 P 2 = P P^2=P P 2 = P ,則 P b Pb P b 屬於其像空間,並且對像空間中的任意向量 P y Py P y ,
( P y ) T ( b − P b ) = y T P ( I − P ) b = 0. (Py)^T(b-Pb)=y^TP(I-P)b=0. ( P y ) T ( b − P b ) = y T P ( I − P ) b = 0.
所以殘差垂直於像空間,上述距離恆等式適用。僅有冪等性並不充分:J = ( 1 1 0 0 ) J=\begin{pmatrix}1&1\\0&0\end{pmatrix} J = ( 1 0 1 0 ) 滿足 J 2 = J J^2=J J 2 = J ,但將 ( 0 , 1 ) T (0,1)^T ( 0 , 1 ) T 映為 ( 1 , 0 ) T (1,0)^T ( 1 , 0 ) T ;它的像是水平軸,水平軸上距 ( 0 , 1 ) T (0,1)^T ( 0 , 1 ) T 最近的點卻是零。這個投影是斜投影,不是正交投影。
對 §3 的四維例子,n = ( 1 , − 1 , − 1 , − 1 ) T n=(1,-1,-1,-1)^T n = ( 1 , − 1 , − 1 , − 1 ) T 垂直於 A A A 的全部三欄。由於欄空間維數為三,它等於超平面 n T z = 0 n^Tz=0 n T z = 0 。同一個正交投影矩陣還可寫為
P = Q Q T = I 4 − n n T n T n = I 4 − 1 4 n n T . P=QQ^T=I_4-\frac{nn^T}{n^Tn}=I_4-\frac14nn^T. P = Q Q T = I 4 − n T n n n T = I 4 − 4 1 n n T .
這個等式成立,因為兩個映射都保留該超平面內的分量並去掉沿法向量的分量。也可直接相乘驗證。
5. 最小二乘:不預設唯一性的證明
給定 A ∈ R m × n A\in\mathbb R^{m\times n} A ∈ R m × n 和 b ∈ R m b\in\mathbb R^m b ∈ R m ,最小二乘係數向量 是在所有 x ∈ R n x\in\mathbb R^n x ∈ R n 中使 ∥ b − A x ∥ 2 \|b-Ax\|^2 ∥ b − A x ∥ 2 最小的向量。如果 A x = b Ax=b A x = b 不相容,這是一種近似準則,不是找到了新的精確解。
係數向量 x ^ \widehat x x 使誤差最小,當且僅當其殘差 r = b − A x ^ r=b-A\widehat x r = b − A x 垂直於欄空間。先證必要性:固定任意 h h h ,在 x ^ + t h \widehat x+th x + t h 處的誤差為
∥ r − t A h ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 − 2 t r T A h + t 2 ∥ A h ∥ 2 . \|r-tAh\|^2=\|r\|^2-2t\,r^TAh+t^2\|Ah\|^2. ∥ r − t A h ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 − 2 t r T A h + t 2 ∥ A h ∥ 2 .
若 r T A h ≠ 0 r^TAh\ne0 r T A h = 0 ,則 A h ≠ 0 Ah\ne0 A h = 0 。取 t = ( r T A h ) / ∥ A h ∥ 2 t=(r^TAh)/\|Ah\|^2 t = ( r T A h ) /∥ A h ∥ 2 會嚴格減小誤差,與最小性矛盾。因此對每個 h h h 都有 r T A h = 0 r^TAh=0 r T A h = 0 。為證充分性,這一條件使任意 h h h 的交叉項為零,所以
∥ b − A ( x ^ + h ) ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 + ∥ A h ∥ 2 ≥ ∥ r ∥ 2 . \|b-A(\widehat x+h)\|^2=\|r\|^2+\|Ah\|^2\ge\|r\|^2. ∥ b − A ( x + h ) ∥ 2 = ∥ r ∥ 2 + ∥ A h ∥ 2 ≥ ∥ r ∥ 2 .
用矩陣記號,垂直條件為
A T ( b − A x ^ ) = 0 , A T A x ^ = A T b . A^T(b-A\widehat x)=0,\qquad A^TA\widehat x=A^Tb. A T ( b − A x ) = 0 , A T A x = A T b .
這些稱為正規方程 。無論欄是否線性無關,它們都是充要條件。線性無關性是係數唯一所需的條件,而不是這一刻畫本身所需的條件。
存在性由投影得到。用考慮秩的過程構造欄空間的標準正交基 Q Q Q 。投影向量 p = Q Q T b p=QQ^Tb p = Q Q T b 屬於欄空間,因此按定義至少存在一個 x ^ \widehat x x 使 A x ^ = p A\widehat x=p A x = p ;它就是最小化向量。擬合向量 p p p 唯一,若某個最小化向量是 x 0 x_0 x 0 ,那麼所有最小化向量恰為
x 0 + N ( A ) = { x 0 + h : A h = 0 } . x_0+N(A)=\{x_0+h:Ah=0\}. x 0 + N ( A ) = { x 0 + h : A h = 0 } .
事實上,加入零空間向量不會改變擬合結果;反過來,所有最小化係數都給出同一個唯一的最近擬合向量,所以它們的差位於零空間中。係數唯一當且僅當 N ( A ) = { 0 } N(A)=\{0\} N ( A ) = { 0 } ,等價於欄線性無關。這些結論包括零矩陣:其擬合向量為零,每個係數向量都使固定誤差 ∥ b ∥ 2 \|b\|^2 ∥ b ∥ 2 最小。
6. 用三角方程組求最小二乘解
當欄線性無關時,使用 §2 的 A = Q R A=QR A = QR 。將 b b b 分解為 Q Q T b + ( I − Q Q T ) b QQ^Tb+(I-QQ^T)b Q Q T b + ( I − Q Q T ) b 。第二部分垂直於 Q Q Q 的每一欄,而 Q T b − R x Q^Tb-Rx Q T b − R x 是欄空間座標向量。因此
∥ b − A x ∥ 2 = ∥ ( I − Q Q T ) b ∥ 2 + ∥ Q T b − R x ∥ 2 . \|b-Ax\|^2
=\|(I-QQ^T)b\|^2+\|Q^Tb-Rx\|^2. ∥ b − A x ∥ 2 = ∥ ( I − Q Q T ) b ∥ 2 + ∥ Q T b − R x ∥ 2 .
對第二項使用了 ∥ Q z ∥ 2 = z T Q T Q z = ∥ z ∥ 2 \|Qz\|^2=z^TQ^TQz=\|z\|^2 ∥ Q z ∥ 2 = z T Q T Q z = ∥ z ∥ 2 。第一項不依賴 x x x 。由於 R R R 可逆,第二項在等於零時唯一達到最小,故
R x ^ = Q T b . R\widehat x=Q^Tb. R x = Q T b .
用回代求解這個上三角方程組。擬合向量是 Q Q T b QQ^Tb Q Q T b ,殘差平方是第一項。這與正規方程給出相同答案:代入 A = Q R A=QR A = QR 得 R T R x ^ = R T Q T b R^TR\widehat x=R^TQ^Tb R T R x = R T Q T b ,而 R T R^T R T 可逆使兩個方程組等價。QR 推導在確定答案時無需構造 A T A A^TA A T A 。
例 2。 使用 §3 的矩陣並取 b = ( 2 , 0 , 1 , 3 ) T b=(2,0,1,3)^T b = ( 2 , 0 , 1 , 3 ) T 。標準正交座標的右端為
Q T b = ( 2 , 4 / 6 , 5 / 3 ) T . Q^Tb=(\sqrt2,4/\sqrt6,5/\sqrt3)^T. Q T b = ( 2 , 4/ 6 , 5/ 3 ) T .
最後一個三角方程給出 x ^ 3 = 5 / 2 \widehat x_3=5/2 x 3 = 5/2 。第二個給出
6 2 x ^ 2 + 5 2 6 = 4 6 , \frac{\sqrt6}{2}\widehat x_2+\frac{5}{2\sqrt6}=\frac4{\sqrt6}, 2 6 x 2 + 2 6 5 = 6 4 ,
故 x ^ 2 = 1 / 2 \widehat x_2=1/2 x 2 = 1/2 。第一個方程隨之給出 x ^ 1 = − 1 / 2 \widehat x_1=-1/2 x 1 = − 1/2 。因此
x ^ = ( − 1 / 2 , 1 / 2 , 5 / 2 ) T , p = A x ^ = ( 5 / 2 , − 1 / 2 , 1 / 2 , 5 / 2 ) T . \widehat x=(-1/2,1/2,5/2)^T,\quad
p=A\widehat x=(5/2,-1/2,1/2,5/2)^T. x = ( − 1/2 , 1/2 , 5/2 ) T , p = A x = ( 5/2 , − 1/2 , 1/2 , 5/2 ) T .
殘差為 r = ( − 1 / 2 , 1 / 2 , 1 / 2 , 1 / 2 ) T r=(-1/2,1/2,1/2,1/2)^T r = ( − 1/2 , 1/2 , 1/2 , 1/2 ) T ,它與原矩陣每欄的內積為零,且 ∥ r ∥ 2 = 1 \|r\|^2=1 ∥ r ∥ 2 = 1 。另一方面,對 §4 中的法向量 n n n ,有 n T b = − 2 n^Tb=-2 n T b = − 2 ,得到 r = n ( − 2 ) / 4 r=n(-2)/4 r = n ( − 2 ) /4 ,與上述殘差完全相同。這個一致性同時核對了三角運算與幾何關係。
秩虧情況下的係數
例 3。 設
A = ( 1 2 0 1 2 1 0 0 1 ) , b = ( 1 , 0 , 2 ) T . A=\begin{pmatrix}1&2&0\\1&2&1\\0&0&1\end{pmatrix},\qquad b=(1,0,2)^T. A = 1 1 0 2 2 0 0 1 1 , b = ( 1 , 0 , 2 ) T .
第二欄是第一欄的兩倍,所以 Gram–Schmidt 跳過它。由第一欄與第三欄構造
q 1 = ( 1 , 1 , 0 ) T / 2 , q 2 = ( − 1 , 1 , 2 ) T / 6 . q_1=(1,1,0)^T/\sqrt2,\qquad q_2=(-1,1,2)^T/\sqrt6. q 1 = ( 1 , 1 , 0 ) T / 2 , q 2 = ( − 1 , 1 , 2 ) T / 6 .
這裏
B = Q T A = ( 2 2 2 1 / 2 0 0 6 / 2 ) , Q T b = ( 1 / 2 , 6 / 2 ) T . B=Q^TA=\begin{pmatrix}\sqrt2&2\sqrt2&1/\sqrt2\\0&0&\sqrt6/2\end{pmatrix},\qquad
Q^Tb=(1/\sqrt2,\sqrt6/2)^T. B = Q T A = ( 2 0 2 2 0 1/ 2 6 /2 ) , Q T b = ( 1/ 2 , 6 /2 ) T .
為了得到投影向量,求解 B x = Q T b Bx=Q^Tb B x = Q T b 。第二個方程給出 x 3 = 1 x_3=1 x 3 = 1 ,第一個化為 x 1 + 2 x 2 = 0 x_1+2x_2=0 x 1 + 2 x 2 = 0 。所有最小化向量為
x ^ = ( − 2 t , t , 1 ) T , t ∈ R . \widehat x=(-2t,t,1)^T,\qquad t\in\mathbb R. x = ( − 2 t , t , 1 ) T , t ∈ R .
它們都給出 p = ( 0 , 1 , 1 ) T p=(0,1,1)^T p = ( 0 , 1 , 1 ) T 和殘差 r = ( 1 , − 1 , 1 ) T r=(1,-1,1)^T r = ( 1 , − 1 , 1 ) T ,殘差範數平方為三。法向量 ( 1 , − 1 , 1 ) T (1,-1,1)^T ( 1 , − 1 , 1 ) T 與每個原欄垂直,從而獨立確認擬合結果。擬合向量只有一個,係數向量卻構成一條直線。其中係數範數為 5 t 2 + 1 \sqrt{5t^2+1} 5 t 2 + 1 ,在 t = 0 t=0 t = 0 時最小;選取最小範數係數是一項額外選擇規則,不是最小二乘係數唯一性的結果。
7. 直線擬合中的中心化就是 Gram–Schmidt 正交化
對 m ≥ 1 m\ge1 m ≥ 1 組數據 ( t i , y i ) (t_i,y_i) ( t i , y i ) ,以等權平方殘差最小為準則擬合直線 α + β t \alpha+\beta t α + β t 。令 1 = ( 1 , … , 1 ) T \mathbf1=(1,\ldots,1)^T 1 = ( 1 , … , 1 ) T 、t = ( t 1 , … , t m ) T t=(t_1,\ldots,t_m)^T t = ( t 1 , … , t m ) T 、A = ( 1 t ) A=(\mathbf1\ t) A = ( 1 t ) ,並定義
t ‾ = 1 m ∑ i t i , y ‾ = 1 m ∑ i y i , S t t = ∑ i ( t i − t ‾ ) 2 . \overline t=\frac1m\sum_i t_i,\qquad \overline y=\frac1m\sum_i y_i,\qquad
S_{tt}=\sum_i(t_i-\overline t)^2. t = m 1 i ∑ t i , y = m 1 i ∑ y i , S tt = i ∑ ( t i − t ) 2 .
Gram–Schmidt 從 q 1 = 1 / m q_1=\mathbf1/\sqrt m q 1 = 1 / m 開始。從 t t t 中減去它在 1 \mathbf1 1 上的投影,得到 w 2 = t − t ‾ 1 w_2=t-\overline t\mathbf1 w 2 = t − t 1 。若 S t t > 0 S_{tt}>0 S tt > 0 ,則
q 2 = t − t ‾ 1 S t t , R = ( m m t ‾ 0 S t t ) . q_2=\frac{t-\overline t\mathbf1}{\sqrt{S_{tt}}},\qquad
R=\begin{pmatrix}\sqrt m&\sqrt m\,\overline t\\0&\sqrt{S_{tt}}\end{pmatrix}. q 2 = S tt t − t 1 , R = ( m 0 m t S tt ) .
在 R ( α , β ) T = Q T y R(\alpha,\beta)^T=Q^Ty R ( α , β ) T = Q T y 中回代,得到
β ^ = ∑ i ( t i − t ‾ ) ( y i − y ‾ ) S t t , α ^ = y ‾ − β ^ t ‾ . \widehat\beta=\frac{\sum_i(t_i-\overline t)(y_i-\overline y)}{S_{tt}},\qquad
\widehat\alpha=\overline y-\widehat\beta\,\overline t. β = S tt ∑ i ( t i − t ) ( y i − y ) , α = y − β t .
分子中減去 y ‾ \overline y y 不改變其值,因為 ∑ i ( t i − t ‾ ) = 0 \sum_i(t_i-\overline t)=0 ∑ i ( t i − t ) = 0 。因此公式由正交化得到,無需另行記憶一個統計恆等式。殘差之和為零,且其與 t t t 的內積為零,恰好對應兩個正規方程的檢驗。
若 S t t = 0 S_{tt}=0 S tt = 0 ,所有 t i t_i t i 都等於常數 c c c 。兩個模型欄線性相關,數據不能分別區分 α \alpha α 與 β \beta β 。最佳擬合常數為 y ‾ \overline y y ,滿足 α + c β = y ‾ \alpha+c\beta=\overline y α + c β = y 的所有係數組都使誤差最小。除以 S t t S_{tt} S tt 將丟失這一有意義的情形。
例 4。 對 ( t i , y i ) = ( − 1 , 0 ) , ( 0 , 1 ) , ( 1 , 1 ) , ( 2 , 4 ) (t_i,y_i)=(-1,0),(0,1),(1,1),(2,4) ( t i , y i ) = ( − 1 , 0 ) , ( 0 , 1 ) , ( 1 , 1 ) , ( 2 , 4 ) ,有 t ‾ = 1 / 2 \overline t=1/2 t = 1/2 、y ‾ = 3 / 2 \overline y=3/2 y = 3/2 、S t t = 5 S_{tt}=5 S tt = 5 ,中心化交叉乘積為六。因此 β ^ = 6 / 5 \widehat\beta=6/5 β = 6/5 、α ^ = 9 / 10 \widehat\alpha=9/10 α = 9/10 。擬合值為 ( − 3 / 10 , 9 / 10 , 21 / 10 , 33 / 10 ) (-3/10,9/10,21/10,33/10) ( − 3/10 , 9/10 , 21/10 , 33/10 ) ,殘差為 ( 3 / 10 , 1 / 10 , − 11 / 10 , 7 / 10 ) (3/10,1/10,-11/10,7/10) ( 3/10 , 1/10 , − 11/10 , 7/10 ) 。它們的和及其與 ( − 1 , 0 , 1 , 2 ) (-1,0,1,2) ( − 1 , 0 , 1 , 2 ) 的內積均為零。誤差平方和為 ( 9 + 1 + 121 + 49 ) / 100 = 9 / 5 (9+1+121+49)/100=9/5 ( 9 + 1 + 121 + 49 ) /100 = 9/5 。
等權平方誤差是此模型的一部分。對某個觀測誤差重新縮放或賦予權重會改變優化準則。推導這些精確的代數最小二乘公式不需要關於測量噪聲的概率假設。
8. 練習
對 a 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T a_1=(1,0,1)^T a 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T 、a 2 = ( 0 , 1 , 1 ) T a_2=(0,1,1)^T a 2 = ( 0 , 1 , 1 ) T 應用 Gram–Schmidt 方法。給出以它們為欄的矩陣的薄 QR 分解,並檢驗 Q T Q = I Q^TQ=I Q T Q = I 和 Q R = A QR=A QR = A 。
按所列順序,對 ( 1 , 0 , 1 ) T , ( 2 , 0 , 2 ) T , ( 0 , 1 , 0 ) T (1,0,1)^T,(2,0,2)^T,(0,1,0)^T ( 1 , 0 , 1 ) T , ( 2 , 0 , 2 ) T , ( 0 , 1 , 0 ) T 執行考慮秩的過程。跳過哪一欄?給出 Q Q Q 和 B = Q T A B=Q^TA B = Q T A 。
解釋為什麼 n > m n>m n > m 時,m × n m\times n m × n 矩陣不可能具有含 n n n 個標準正交欄的薄 QR 分解。考慮秩的過程能產生多少個非零方向?
求 b = ( 3 , − 1 , 2 ) T b=(3,-1,2)^T b = ( 3 , − 1 , 2 ) T 在平面 x + y + z = 0 x+y+z=0 x + y + z = 0 上的正交投影、殘差及到該平面的距離。
證明 P = 1 3 ( 2 − 1 − 1 − 1 2 − 1 − 1 − 1 2 ) P=\frac13\begin{pmatrix}2&-1&-1\\-1&2&-1\\-1&-1&2\end{pmatrix} P = 3 1 2 − 1 − 1 − 1 2 − 1 − 1 − 1 2 是正交投影矩陣。不進行行消元,求其像、核及秩。
對練習 1 的矩陣和 b = ( 1 , 2 , 0 ) T b=(1,2,0)^T b = ( 1 , 2 , 0 ) T ,通過三角因子求最小二乘解。用原欄檢驗殘差,並給出最小誤差平方。
對 A = ( 1 2 2 4 0 0 ) A=\begin{pmatrix}1&2\\2&4\\0&0\end{pmatrix} A = 1 2 0 2 4 0 和 b = ( 2 , 0 , 1 ) T b=(2,0,1)^T b = ( 2 , 0 , 1 ) T ,求全部最小二乘係數、唯一擬合向量及殘差。在最小化向量中,找出係數範數最小者。
用中心化和對 ( 0 , 0 ) , ( 1 , 1 ) , ( 2 , 1 ) , ( 3 , 3 ) (0,0),(1,1),(2,1),(3,3) ( 0 , 0 ) , ( 1 , 1 ) , ( 2 , 1 ) , ( 3 , 3 ) 作最小二乘直線擬合。給出殘差並驗證兩個正規方程檢驗。
三個觀測輸入全為三,輸出為 1 , 4 , 7 1,4,7 1 , 4 , 7 。求所有最小二乘直線係數對、擬合值和最小誤差平方。解釋為什麼斜率不唯一。
對 J = ( 1 1 0 0 ) J=\begin{pmatrix}1&1\\0&0\end{pmatrix} J = ( 1 0 1 0 ) 驗證 J 2 = J J^2=J J 2 = J 。找一個向量,使 J b Jb J b 不是 im J \operatorname{im}J im J 中的最近點。正交投影矩陣的哪個恆等式不成立?
假設 Q Q Q 和 Q ~ \widetilde Q Q 都有標準正交欄,且欄空間相同。證明 Q Q T = Q ~ Q ~ T QQ^T=\widetilde Q\widetilde Q^T Q Q T = Q Q T 。解釋為什麼更換標準正交基不會改變擬合向量。
設 A A A 是零 3 × 2 3\times2 3 × 2 矩陣,b = ( 1 , − 2 , 2 ) T b=(1,-2,2)^T b = ( 1 , − 2 , 2 ) T 。寫出所有最小二乘係數、正規方程、擬合向量和最小誤差平方。最小二乘解的存在是否要求非零秩?
9. 完整解答
1. 第一個向量的範數為 2 \sqrt2 2 ,因此 q 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T / 2 q_1=(1,0,1)^T/\sqrt2 q 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T / 2 。它與 a 2 a_2 a 2 的內積為 1 / 2 1/\sqrt2 1/ 2 。減去投影得
w 2 = ( 0 , 1 , 1 ) T − 1 2 ( 1 , 0 , 1 ) T = 1 2 ( − 1 , 2 , 1 ) T . w_2=(0,1,1)^T-\tfrac12(1,0,1)^T=\tfrac12(-1,2,1)^T. w 2 = ( 0 , 1 , 1 ) T − 2 1 ( 1 , 0 , 1 ) T = 2 1 ( − 1 , 2 , 1 ) T .
所以 q 2 = ( − 1 , 2 , 1 ) T / 6 q_2=(-1,2,1)^T/\sqrt6 q 2 = ( − 1 , 2 , 1 ) T / 6 ,且
R = ( 2 1 / 2 0 6 / 2 ) . R=\begin{pmatrix}\sqrt2&1/\sqrt2\\0&\sqrt6/2\end{pmatrix}. R = ( 2 0 1/ 2 6 /2 ) .
未歸一化的兩個方向內積為 − 1 + 1 = 0 -1+1=0 − 1 + 1 = 0 ,範數平方分別為二和六,因此 Q T Q = I 2 Q^TQ=I_2 Q T Q = I 2 。重構的第一欄為 2 q 1 = a 1 \sqrt2q_1=a_1 2 q 1 = a 1 ;第二欄為 ( 1 / 2 ) q 1 + ( 6 / 2 ) q 2 = ( 1 / 2 , 0 , 1 / 2 ) T + ( − 1 / 2 , 1 , 1 / 2 ) T = a 2 (1/\sqrt2)q_1+(\sqrt6/2)q_2=(1/2,0,1/2)^T+(-1/2,1,1/2)^T=a_2 ( 1/ 2 ) q 1 + ( 6 /2 ) q 2 = ( 1/2 , 0 , 1/2 ) T + ( − 1/2 , 1 , 1/2 ) T = a 2 。故 Q R = A QR=A QR = A 。
2. 從 q 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T / 2 q_1=(1,0,1)^T/\sqrt2 q 1 = ( 1 , 0 , 1 ) T / 2 開始。第二欄沿 q 1 q_1 q 1 的座標為 2 2 2\sqrt2 2 2 ,殘差為零,故跳過。第三欄已經是垂直於 q 1 q_1 q 1 的單位向量,得到 q 2 = e 2 q_2=e_2 q 2 = e 2 。因此
Q = ( 1 / 2 0 0 1 1 / 2 0 ) , B = ( 2 2 2 0 0 0 1 ) . Q=\begin{pmatrix}1/\sqrt2&0\\0&1\\1/\sqrt2&0\end{pmatrix},\qquad
B=\begin{pmatrix}\sqrt2&2\sqrt2&0\\0&0&1\end{pmatrix}. Q = 1/ 2 0 1/ 2 0 1 0 , B = ( 2 0 2 2 0 0 1 ) .
直接相乘得到原來的三欄。秩為二;跳過某欄會把它的信息保存在 B B B 的一欄中,而不是從模型中刪除該欄。
3. 標準正交向量線性無關:對一個線性關係分別與每個向量取內積,就得到各系數為零。R m \mathbb R^m R m 中的線性無關組至多有 m m m 個元素。因此 n > m n>m n > m 排除了 n n n 個標準正交欄。考慮秩的過程恰產生 rank A ≤ m \operatorname{rank}A\le m rank A ≤ m 個非零方向;一旦張成空間不能再增大,額外欄必有零殘差。
4. 法向量為 n = ( 1 , 1 , 1 ) T n=(1,1,1)^T n = ( 1 , 1 , 1 ) T ,滿足 n T b = 4 n^Tb=4 n T b = 4 、n T n = 3 n^Tn=3 n T n = 3 。垂直殘差為 r = ( 4 / 3 ) n r=(4/3)n r = ( 4/3 ) n ,投影為
p = b − r = ( 5 / 3 , − 7 / 3 , 2 / 3 ) T . p=b-r=(5/3,-7/3,2/3)^T. p = b − r = ( 5/3 , − 7/3 , 2/3 ) T .
它的座標和為零,故位於平面內。殘差平行於法向量,因而垂直於平面,證明這是正確的投影。距離為 ∥ r ∥ = 4 / 3 \|r\|=4/\sqrt3 ∥ r ∥ = 4/ 3 。
5. 令 n = ( 1 , 1 , 1 ) T n=(1,1,1)^T n = ( 1 , 1 , 1 ) T ,則 P = I − n n T / 3 P=I-nn^T/3 P = I − n n T /3 。秩一矩陣 N = n n T / 3 N=nn^T/3 N = n n T /3 對稱,且滿足 N 2 = n ( n T n ) n T / 9 = N N^2=n(n^Tn)n^T/9=N N 2 = n ( n T n ) n T /9 = N 。因此 P T = P P^T=P P T = P ,P 2 = I − 2 N + N 2 = P P^2=I-2N+N^2=P P 2 = I − 2 N + N 2 = P 。它去掉法向分量並固定所有座標和為零的向量。其像是二維平面 x + y + z = 0 x+y+z=0 x + y + z = 0 ,核是 span { n } \operatorname{span}\{n\} span { n } ,秩為二。這與練習 4 的幾何子空間相同。
6. 由練習 1,
Q T b = ( 1 / 2 , 3 / 6 ) T . Q^Tb=(1/\sqrt2,3/\sqrt6)^T. Q T b = ( 1/ 2 , 3/ 6 ) T .
最後一個三角方程 ( 6 / 2 ) x 2 = 3 / 6 (\sqrt6/2)x_2=3/\sqrt6 ( 6 /2 ) x 2 = 3/ 6 給出 x 2 = 1 x_2=1 x 2 = 1 。第一個給出 2 x 1 + 1 / 2 = 1 / 2 \sqrt2x_1+1/\sqrt2=1/\sqrt2 2 x 1 + 1/ 2 = 1/ 2 ,因此 x 1 = 0 x_1=0 x 1 = 0 。故擬合向量為 ( 0 , 1 , 1 ) T (0,1,1)^T ( 0 , 1 , 1 ) T ,殘差為 ( 1 , 1 , − 1 ) T (1,1,-1)^T ( 1 , 1 , − 1 ) T 。它與 ( 1 , 0 , 1 ) T (1,0,1)^T ( 1 , 0 , 1 ) T 、( 0 , 1 , 1 ) T (0,1,1)^T ( 0 , 1 , 1 ) T 的內積均為零,殘差平方為三。欄線性無關保證此係數對唯一。
7. 每個擬合向量都形如 s ( 1 , 2 , 0 ) T s(1,2,0)^T s ( 1 , 2 , 0 ) T ,其中 s = x 1 + 2 x 2 s=x_1+2x_2 s = x 1 + 2 x 2 。投影到這條直線得到
s = ( 1 , 2 , 0 ) T b 1 2 + 2 2 = 2 5 . s=\frac{(1,2,0)^Tb}{1^2+2^2}=\frac25. s = 1 2 + 2 2 ( 1 , 2 , 0 ) T b = 5 2 .
因此所有係數為 ( 2 / 5 − 2 t , t ) T (2/5-2t,t)^T ( 2/5 − 2 t , t ) T 。它們共同的擬合向量為 ( 2 / 5 , 4 / 5 , 0 ) T (2/5,4/5,0)^T ( 2/5 , 4/5 , 0 ) T ,殘差為 ( 8 / 5 , − 4 / 5 , 1 ) T (8/5,-4/5,1)^T ( 8/5 , − 4/5 , 1 ) T ,與兩欄都垂直。最小誤差平方為 64 / 25 + 16 / 25 + 1 = 21 / 5 64/25+16/25+1=21/5 64/25 + 16/25 + 1 = 21/5 。為了選取係數範數最小者,配方得
∥ ( 2 / 5 − 2 t , t ) T ∥ 2 = 5 ( t − 4 / 25 ) 2 + 4 / 125. \|(2/5-2t,t)^T\|^2=5(t-4/25)^2+4/125. ∥ ( 2/5 − 2 t , t ) T ∥ 2 = 5 ( t − 4/25 ) 2 + 4/125.
唯一的最小範數選擇是 t = 4 / 25 t=4/25 t = 4/25 ,故 ( x 1 , x 2 ) = ( 2 / 25 , 4 / 25 ) (x_1,x_2)=(2/25,4/25) ( x 1 , x 2 ) = ( 2/25 , 4/25 ) 。這個額外的最小化不改變擬合向量或殘差誤差。
8. 這裏 t ‾ = 3 / 2 \overline t=3/2 t = 3/2 、y ‾ = 5 / 4 \overline y=5/4 y = 5/4 ,且 S t t = 9 / 4 + 1 / 4 + 1 / 4 + 9 / 4 = 5 S_{tt}=9/4+1/4+1/4+9/4=5 S tt = 9/4 + 1/4 + 1/4 + 9/4 = 5 。中心化交叉乘積可算為 ∑ i ( t i − t ‾ ) y i = 0 − 1 / 2 + 1 / 2 + 9 / 2 = 9 / 2 \sum_i(t_i-\overline t)y_i=0-1/2+1/2+9/2=9/2 ∑ i ( t i − t ) y i = 0 − 1/2 + 1/2 + 9/2 = 9/2 。所以 β ^ = 9 / 10 \widehat\beta=9/10 β = 9/10 ,α ^ = 5 / 4 − ( 9 / 10 ) ( 3 / 2 ) = − 1 / 10 \widehat\alpha=5/4-(9/10)(3/2)=-1/10 α = 5/4 − ( 9/10 ) ( 3/2 ) = − 1/10 。擬合值為 ( − 1 / 10 , 8 / 10 , 17 / 10 , 26 / 10 ) (-1/10,8/10,17/10,26/10) ( − 1/10 , 8/10 , 17/10 , 26/10 ) ,殘差為 ( 1 / 10 , 2 / 10 , − 7 / 10 , 4 / 10 ) (1/10,2/10,-7/10,4/10) ( 1/10 , 2/10 , − 7/10 , 4/10 ) 。它們的和為零,與 ( 0 , 1 , 2 , 3 ) (0,1,2,3) ( 0 , 1 , 2 , 3 ) 的內積為 ( 2 − 14 + 12 ) / 10 = 0 (2-14+12)/10=0 ( 2 − 14 + 12 ) /10 = 0 。最小誤差平方為 ( 1 + 4 + 49 + 16 ) / 100 = 7 / 10 (1+4+49+16)/100=7/10 ( 1 + 4 + 49 + 16 ) /100 = 7/10 。
9. 該模型對每個觀測預測相同值 s = α + 3 β s=\alpha+3\beta s = α + 3 β 。輸出均值為四,誤差平方和為
( 1 − s ) 2 + ( 4 − s ) 2 + ( 7 − s ) 2 = 18 + 3 ( s − 4 ) 2 . (1-s)^2+(4-s)^2+(7-s)^2=18+3(s-4)^2. ( 1 − s ) 2 + ( 4 − s ) 2 + ( 7 − s ) 2 = 18 + 3 ( s − 4 ) 2 .
它恰在 s = 4 s=4 s = 4 時達到最小。因此每個係數對 ( α , β ) = ( 4 − 3 t , t ) (\alpha,\beta)=(4-3t,t) ( α , β ) = ( 4 − 3 t , t ) 都是最小化解,擬合值為 ( 4 , 4 , 4 ) (4,4,4) ( 4 , 4 , 4 ) ,最小誤差平方為十八。所有輸入值相同,所以斜率變化可以由截距變化抵消。代數上,兩個設計矩陣欄線性相關,且 S t t = 0 S_{tt}=0 S tt = 0 。
10. 相乘得 J 2 = ( 1 1 0 0 ) = J J^2=\begin{pmatrix}1&1\\0&0\end{pmatrix}=J J 2 = ( 1 0 1 0 ) = J ,其像為水平軸。對 b = ( 0 , 1 ) T b=(0,1)^T b = ( 0 , 1 ) T ,有 J b = ( 1 , 0 ) T Jb=(1,0)^T J b = ( 1 , 0 ) T ,它與 b b b 的距離平方為二;而水平軸上的零點與之的距離平方為一。此外,J T = ( 1 0 1 0 ) ≠ J J^T=\begin{pmatrix}1&0\\1&0\end{pmatrix}\ne J J T = ( 1 1 0 0 ) = J 。對稱性不成立,因此殘差也不與像空間正交。
11. 對任意 b b b ,令 p = Q Q T b p=QQ^Tb p = Q Q T b 和 p ~ = Q ~ Q ~ T b \widetilde p=\widetilde Q\widetilde Q^Tb p = Q Q T b 。二者都屬於共同子空間,且兩個殘差都垂直於該子空間。因此差 p − p ~ p-\widetilde p p − p 屬於該子空間,又由兩個殘差相減可知它與該子空間垂直。它與自身的內積為零,所以 p = p ~ p=\widetilde p p = p 。由於這對每個 b b b 都成立,兩矩陣相等。最小二乘擬合向量是向模型欄空間的這個投影;改變其標準正交座標不會改變投影。
12. 每個 x ∈ R 2 x\in\mathbb R^2 x ∈ R 2 都給出 A x = 0 Ax=0 A x = 0 ,所以所有係數向量都使同一個誤差平方最小。正規方程為 0 2 × 2 x = 0 2 × 1 0_{2\times2}x=0_{2\times1} 0 2 × 2 x = 0 2 × 1 ,不施加任何限制。擬合向量為零,殘差為 b b b ,最小誤差平方為 1 + 4 + 4 = 9 1+4+4=9 1 + 4 + 4 = 9 。秩為零時最小二乘解仍存在,但這裏的係數不唯一。
總結
Gram–Schmidt 方法逐欄保持張成空間,並通過零殘差揭示精確線性相關。線性無關的欄給出帶可逆三角因子的薄 QR 分解。標準正交座標產生正交投影,其對稱和冪等恆等式表達了投影的幾何性質。最小二乘始終選出唯一的擬合向量,而只有欄映射為單射時係數才唯一。直線擬合的中心化就是同一構造的一個具體例子。