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線性代數/投影到子空間/解答

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問題 1

將向量投影到 沿 .

答案
  1. 當子空間的基
    被連線起來
    並且給定向量表示為
    那麼答案來自保留 部分並丟棄 部分。
  2. 當基底
    被連線起來,並且向量表示為
    那麼,只保留 部分,得到這個答案。
  3. 對於這些基底
    相對於連線的表示是這個。
    因此投影是這個。
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問題 2

.

答案

如同在示例 3.5中,我們可以透過僅僅找出垂直於 基底的所有向量空間來簡化計算。

  1. 引數化得到
    得出
    對這個單方程線性系統進行引數化得到以下描述。
  2. 如先前部分的答案所示, 可以描述為一個跨度
    然後 是垂直於此基中一個向量的向量集合。
  3. 描述中的線性要求進行引數化,得到此基。
    現在, 是垂直於( 中的)一個向量的向量集合。
    (順便說一下,這個答案與這個問題中的第一項一致。)
  4. 空間中的每個向量都垂直於零向量,所以 .
  5. 的適當描述和基是常規的。
    那麼
    因此 .
  6. 使用引數方程很容易找到 的描述。
    找到 只需解一個包含兩個方程的線性方程組
    並使用引數方程表示。
  7. 這裡, 是一個一維向量空間。
    因此, 是二維的。
問題 3

本小節介紹兩種正交投影方法,一種是示例 3.23.3 中的方法,另一種是定理 3.8 中的方法。為了比較它們,考慮平面,由 中確定。

  1. 的基。
  2. 以及 的基。
  3. 用前一項中兩個基的拼接表示該向量。
  4. 上的正交投影,方法是僅保留前一項中的 部分。
  5. 將此結果與應用定理 3.8 的結果進行比較。
答案
  1. 對等式進行引數化,得出 的基。
  2. 由於 是三維空間,而 是二維空間,因此其補空間 必須是一條直線。此外,參考例 3.5 進行計算
    得出 的基。
  3. 投影的矩陣
    應用於向量時,得到預期的結果。
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問題 4

我們有三種方法可以找到向量在直線上的正交投影,第一種方法是本節第一小節中給出的定義 1.1 方法,第二種方法是透過示例 3.23.3 使用空間基底表示向量,然後保留 部分,第三種方法是定理 3.8 。對於這些情況,請使用所有三種方法。

答案
  1. 引數化給出以下結果。
    對於第一種方法,我們取跨越直線 的向量為
    然後定義 1.1 公式給出以下結果。
    第二種方法,我們固定
    因此(如 示例 3.53.6 中,我們只需找到垂直於基底中所有向量的向量)
    用拼接的方式表示該向量。
    保留 部分即可得到答案。
    第三部分也是簡單的計算(中間有一個 矩陣,其逆也是
    當然,這會得到相同的結果。
  2. 引數化給出以下結果。
    由此,第一個方法的公式給出以下結果。
    為了用第二種方法進行,我們需要找到
    找到給定向量關於基 連線後的表示
    並只保留 部分。
    最後,對於第三種方法,矩陣計算
    然後是矩陣-向量乘法
    得到答案。
問題 5

驗證 定義 3.1 中的投影操作是定義良好的。也就是說,在 示例 3.23.3 中,答案是否依賴於所選基?

答案

不,將向量分解為 的形式,其中 ,不依賴於子空間所選的基。在直接和這一節中已經證明了這一點。

問題 6

什麼是到零子空間的正交投影?

答案

向量到子空間的正交投影是該子空間中的一個元素。由於零子空間只有一個元素,即 ,所以任何向量的投影必須等於

問題 7

如果 沿 的投影是什麼?

答案

向量 上的投影是 。將 進行分解得到 ,去掉 部分,保留 部分,得到 的投影。

問題 8

證明如果 是一個具有標準正交基 的子空間,則 上的正交投影是:

答案

根據 引理 3.7 的證明,每個向量 是其在由基向量張成的直線上的正交投影之和。

由於基向量是標準正交的,所以每個分數的下方都有 .

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問題 9

證明對映 是到 沿 的投影當且僅當對映 是到 沿 的投影。(回想一下兩個對映的差的定義:。)

答案

如果 ,那麼每個向量都可以唯一分解成 。對於所有 ,對映 給出 當且僅當 ,如所要求的。

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問題 10

證明如果一個向量垂直於一個集合中的每個向量,那麼它也垂直於該集合的生成空間中的每個向量。

答案

垂直於每個 。然後 .

問題 11

判斷對錯:子空間與其正交補集的交集是平凡的。

答案

正確;唯一與自身正交的向量是零向量。

問題 12

證明正交補集的維數之和等於整個空間的維數。

答案

這直接來自 引理 3.7 中的陳述,即空間是這兩個空間的直和。

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問題 13

假設 是這樣的,對於所有補集 沿 的投影相等。 必須等於 嗎?(如果是這樣,如果我們放寬條件為:兩個向量的所有正交投影都相等,會怎樣?)

答案

即使在看起來更弱的條件下,即它們在所有正交投影上都產生相同的結果,這兩個向量也必須相等。考慮由集合 張成的子空間 。由於每個向量都在 中, 的正交投影是 ,而 的正交投影是 。為了使它們到 的投影相等,它們本身必須相等。

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問題 14

的子空間。正交運算元作用於子空間;我們可以詢問它如何與其他此類運算互動。

  1. 證明兩次正交運算抵消:.
  2. 證明 意味著 .
  3. 證明 .
答案
  1. 我們將證明這些集合是相互包含的, 以及 。對於第一個,如果 ,那麼根據perp運算的定義, 與每個 垂直,因此(再次根據perp運算的定義)。對於另一個方向,考慮 引理 3.7 的證明表明 ,並且我們可以為空間 提供一個正交基,其中前半部分 的基,後半部分是 的基。該證明還檢查了空間中的每個向量都是其在這些基向量所跨越的直線上的正交投影之和。
    因為 ,它垂直於 中的每個向量,因此第二部分的投影都為零。 因此 ,它是來自 的向量的線性組合,所以 。(備註。這裡有一個更巧妙的方法來處理第二部分:將空間寫成 以及 。因為上半部分表明了 並且前面的句子表明了兩個子空間 的維數相等,我們可以得出結論 等於 。)
  2. 因為 ,任何一個與 中所有向量垂直的向量 ,也與 中所有向量垂直。但是這句話只是說 .
  3. 我們將再次透過互相包含來證明集合相等。第一個方向很簡單;任何垂直於 中每個向量的 的向量,也垂直於形式為 的每個向量(即, 中的每個向量)以及形式為 的每個向量( 中的每個向量),所以 。第二個方向也是常規的;任何向量 垂直於形式為 的任何向量,因為
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問題 15

本小節中的材料使我們能夠表達線性對映的範圍空間和零空間之間尚未見過的幾何關係。

  1. 表示 由以下給出
    關於標準基並證明
    是零空間的正交補中的一個成員。證明等於此向量的生成空間。
  2. 將其推廣到適用於任何
  3. 表示
    關於標準基並證明
    都是零空間正交補的成員。證明是這兩個向量的生成空間。(提示:參見問題 14的第三項。)
  4. 將其推廣到適用於任何

這個結果及其相關結果被稱為線性代數的基本定理(參見Strang 1993)。

答案
  1. 表示
    是這個。
    根據的定義
    第二個描述恰好表達了這一點。
  2. 推廣到任何 ,都存在一個向量 ,使得
    並且 。我們可以像上一項中一樣,用標準基表示 ,並取 為該矩陣表示的一行的轉置得到的列向量來證明這一點。
  3. 當然,
    所以零空間就是這個集合。
    該描述清楚地表明
    並且由於 的子空間,這兩個向量的跨度是零空間的正交補的子空間。為了證明這種包含關係是一個等式,我們取
    問題 14 的第三項中,如提示中所建議的那樣。
  4. 如上所述,從具體情況推廣到一般情況很容易:對於任何 ,矩陣 關於標準基表示對映的動作
    並且對零空間的描述表明,在轉置 行的
    我們有 。 (在 (Strang 1993) 中,此空間被描述為 行空間的轉置。)
問題 16

定義投影為線性變換 ,具有以下性質:重複投影不會比單獨投影做更多事情:,對於所有 都成立。

  1. 證明:將向量正交投影到直線上,具有該性質。
  2. 證明:將向量投影到子空間上,具有該性質。
  3. 證明:對於任何這樣的 ,都存在一個基底 ,對於 ,使得
    其中 的秩。
  4. 由此推斷,每個投影都是沿子空間的投影。
  5. 同樣可以推斷,每個投影都有一個表示形式
    ,以分塊部分單位矩陣的形式。
答案
  1. 首先要注意,如果一個向量 已經在直線上,那麼正交投影將得到 本身。驗證這一點的一種方法是將投影公式應用於由向量 張成的直線上,即 。將直線視為 的情況是單獨的,但很容易處理)得到 ,簡化為 ,如預期的那樣。現在,這回答了這個問題,因為在將向量投影到直線上一次後,結果 就在那條直線上。前一段說明,再次投影到同一條直線上將沒有任何影響。
  2. 這裡的論點與上一項中的論點類似。對於 的投影是 。現在重複投影將得到 ,如預期的那樣,因為將 的成員分解為 的成員和 的成員的和是 。因此,沿著 上進行兩次投影的效果與進行一次投影相同。
  3. As suggested by the prior items, the condition gives that leaves vectors in the rangespace unchanged, and hints that we should take , ..., to be basis vectors for the range, that is, that we should take the range space of for (so that ). As for the complement, we write for the nullspace of and we will show that . To show this, we can show that their intersection is trivial and that they sum to the entire space . For the first, if a vector is in the rangespace then there is a with , and the condition on gives that , while if that same vector is also in the nullspace then and so the intersection of the rangespace and nullspace is trivial. For the second, to write an arbitrary as the sum of a vector from the rangespace and a vector from the nullspace, the fact that the condition can be rewritten as suggests taking . So we are finished on taking a basis for where is a basis for the rangespace and is a basis for the nullspace .
  4. 每個投影(在本練習中定義)都是投影到其值域並沿著其零空間進行投影。
  5. 這也直接來自第三項。
問題 17

如果每個 項都等於 項(即,如果矩陣等於其轉置),則證明投影矩陣 是對稱的。(Strang 1980) 提示. 透過在索引中查詢“轉置”來查詢轉置的屬性。

答案

對於任何矩陣 ,我們有 ,並且對於任何兩個矩陣 ,我們有 (當然,前提是逆矩陣和乘積被定義)。應用這兩個結果可得,該矩陣等於其轉置。

參考資料

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  • Strang, Gilbert (1993), "線性代數基本定理", 美國數學月刊, 美國數學學會: 848–855 {{citation}}: 未知引數 |month= 被忽略 (幫助).
  • Strang, Gilbert (1980), 線性代數及其應用 (第 2 版), Hartcourt Brace Javanovich
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