施密特正交化)

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施密特正交化

在线性代数中,如果内积空间上的一组向量能够张成一个子空间,那么这一组向量就称为这个子空间的一个基。Gram -Schmidt 正交化提供了一种方法,能够通过这一子空间上的一个基得出子空间的一个正交基,并可进一步求出对应的标准正交基。

这种正交化方法以J?rgen Pedersen Gram 和Erhard Schmidt 命名,然而比他们更早的拉普拉斯(Laplace )和柯西(Cauchy )已经发现了这一方法。在李群分解中,这种方法被推广为岩泽分解(Iwasawa decomposition )。

在数值计算中,Gram -Schmidt 正交化是数值不稳定的,计算中累积的舍

入误差会使最终结果的正交性变得很差。因此在实际应用中通常使用豪斯霍尔德变换或Givens 旋转进行正交化。

记法

:维数为n 的内积空间

:中的元素,可以是向量、函数,等等

:与的内积

:、张成的子空间

:在上的投影

基本思想

图1 v 在V2 上投影,构造V 3 上的正交基β

Gram-Schmidt 正交化的基本想法,是利用投影原理在已有正交基的基础上构造

一个新的正交基。

设。V k 是V n 上的k 维子空间,其标准正交基为,且v 不在V k 上。由投影原理知,v 与其在V k 上的投影之差

是正交于子空间V k的,亦即β正交于V k的正交基ηi。因此只要将β单位化,即

那么{η1,..., ηk+1 }就是V k 在v 上扩展的子空间span{v, η1 ,..., ηk}的标准正交基。

根据上述分析,对于向量组{v1,...,v m}张成的空间V n,只要从其中一个向量(不妨设为v1 )所张成的一维子空间span{v 1 }开始(注意到{v1}就是span{v 1}的正交基),重复上述扩展构造正交基的过程,就能够得到V n 的一组正交基。这就是Gram-Schmidt 正交化。

算法

首先需要确定扩展正交基的顺序,不妨设为。Gram-Schmidt 正交化的过程如下:

这样就得到上的一组正交基,以及相应的标准正交基。

考察如下欧几里得空间R n 中向量的集合,欧氏空间上内积的定义为 = b T a:

下面作Gram -Schmidt 正交化,以得到一组正交向量:

下面验证向量β1 与β2 的正交性:

将这些向量单位化:

于是{η1,η2}就是span{ v 1, v2 }的一组标准正交基。

不同的形式

随着内积空间上内积的定义以及构成内积空间的元素的不同,Gram-Schmidt 正交化也表现出不同的形式。

例如,在实向量空间上,内积定义为:

在复向量空间上,内积定义为:

函数之间的内积则定义为:

与之对应,相应的Gram -Schmidt 正交化就具有不同的形式。

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