MIT18.06 线性代数笔记 14 正交向量与子空间

对于向量 x x x y y y, 若 x T y = 0 x^{T}y=0 xTy=0, 则称 x x x y y y正交, 且有 ∣ ∣ x ∣ ∣ 2 + ∣ ∣ y ∣ ∣ 2 = ∣ ∣ x + y ∣ ∣ 2 ||x||^2 + ||y||^2 = ||x+y||^2 x2+y2=x+y2.
若子空间 S S S和子空间 T T T正交, 那么对任意 S S S中的向量 x x x和任意 T T T中的向量 y y y, x x x y y y正交. 若两个子空间含有公共的非零向量, 那么这两个子空间必不正交. 零维子空间与其他子空间必然正交.
在四个基本子空间中, 行空间与零空间正交, 列空间与左零空间正交. C ( A ) C(A) C(A)表示空间, 则 C ( A T ) C(A^T) C(AT)表示行空间, N ( A ) N(A) N(A)表示零空间, 则 N ( A T ) N(A^T) N(AT)表示列空间. 对于
A = [ r 1 r 2 . . . r m ] A=\begin{bmatrix} r_1\\ r_2\\ ...\\ r_m \end{bmatrix} A=r1r2...rm
A x = 0 Ax=0 Ax=0时, 显然 r 1 x = 0 , r 2 x = 0 , . . . , r m x = 0 r_1x=0,r_2x=0,...,r_mx=0 r1x=0,r2x=0,...,rmx=0 C ( A T ) C(A^T) C(AT) A A A中各行的线性组合所组成的向量, 所以其中任意向量都必然与 x x x正交, 而 x x x正是零空间中的所有向量. 列空间与左零空间同理可得相同的结论.
此外, 对于 m × n m\times n m×n维的矩阵 A A A, C ( A T ) C(A^T) C(AT) N ( A ) N(A) N(A)互为 R n R^n Rn的正交补, C ( A ) C(A) C(A) N ( A T ) N(A^T) N(AT)互为 R m R^m Rm的正交补. 也就是说, N ( A ) N(A) N(A)含有所有正交于 C ( A T ) C(A^T) C(AT)的向量,而 N ( A T ) N(A^T) N(AT)含有所有正交于 C ( A ) C(A) C(A)的向量, C ( A T ) C(A^T) C(AT)的维数加 N ( A ) N(A) N(A)的维数为 n n n, C ( A ) C(A) C(A)的维数加 N ( A T ) N(A^T) N(AT)的维数为 m m m, C ( A T ) C(A^T) C(AT) N ( A ) N(A) N(A), C ( A ) C(A) C(A) N ( A T ) N(A^T) N(AT)共同包含的向量只有零向量.

如果解 A x = b Ax=b Ax=b时无解, 即 b b b不在 C ( A ) C(A) C(A)中, 该怎么办? 可以方程两边同时左乘 A T A^T AT.
A T A x = A T b A^TAx=A^Tb ATAx=ATb 该方程一定有解, 这个解是一个“近似解”.
A T A A^TA ATA是对称方阵, 但不一定可逆.
不过 N ( A T A ) = N ( A ) N(A^TA)=N(A) N(ATA)=N(A), r a n k ( A T A ) = r a n k ( A ) rank(A^TA)=rank(A) rank(ATA)=rank(A), 可以这样证明, A T A x = 0 A^TAx=0 ATAx=0两边同乘 x T x^T xT,
x T A T A x = 0 x^TA^TAx=0 xTATAx=0, 即 ( A x ) T A x = 0 (Ax)^TAx=0 (Ax)TAx=0, 而向量内积非负, 故 A x = 0 Ax=0 Ax=0, 所以 N ( A T A ) = N ( A ) N(A^TA)=N(A) N(ATA)=N(A), r a n k ( A T A ) = r a n k ( A ) rank(A^TA)=rank(A) rank(ATA)=rank(A)

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