线性代数:向量空间

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一、向量空间

1.1 简介

  向量空间(vector space)包含了向量和标量的集合。在本篇文章中,所考察的是向量是列向量,标量均为实数。

  向量空间要求该向量空间中的向量和标量——在标量乘法和向量加法的情况下是封闭的(closed)。这意味着,任意几个标量或者向量组合出来的向量,仍然位于这个向量空间。我们看一个例子:

我们有:

$$
{\rm u} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{u_1} \newline
{u_2} \newline
{u_3}
\end{array}
\right),
{\rm v} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{v_1} \newline
{v_2} \newline
{v_3}
\end{array}
\right)
$$

令${\rm w} = a{\rm u} + b{\rm v}$,于是:

$$
{\rm w} = a{\rm u} + b{\rm v} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{au_1 + bv_1} \newline
{au_2 + bv_2} \newline
{au_3 + bv_3}
\end{array}
\right)
$$

这个向量也是$3-{\rm by}-1$的,因此也属于$\rm u, v$所在的向量空间。这个向量空间被称为:$\mathbb{R}^{3}$。

  我们研究向量空间主要是为了确定与矩阵相关的向量空间。一个$m-{\rm by}-n$的矩阵有四个基本的向量空间:

  1. null space
  2. column space
  3. row space
  4. left null space

1.2 如何判断向量空间

  具体的,向量集合所构成的向量空间需要满足以下几个条件:

  1. 封闭性。如果$\rm u$和$\rm v$在这个集合中,那么$\rm u+v$和$k {\rm u}$也要在这个集合中。
  2. 存在零向量。集合中必须包含零向量。
  3. 存在加法逆元。对于集合中的任意向量$\rm u$,必须存在一个向量$\rm -u$,使得$\rm u + (-u) = 0$。
  4. 基本运算定律。向量$\rm u$和向量$\rm v$应该满足向量加法的交换律和结合律;标量$k$与向量的加法应该满足分配律和结合律。

  因此,判断一个向量集合(矩阵)是否是一个向量空间,可以遵循如下步骤:

假设我们现在有向量$\rm u$和$\rm v$,以及标量$k$。

  1. 验证$\rm u + v$是否仍然在集合之中。
  2. 验证$k {\rm u}$,是否在集合之中。

1.3 例子

  例1,假设我们有“第二行为零的所有$3-{\rm by}-1$矩阵”:

令:

$$
{\rm A} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{a_1} \newline
{0} \newline
{a_3}
\end{array}
\right),
{\rm B} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{b_1} \newline
{0} \newline
{b_3}
\end{array}
\right)
$$

首先验证矩阵加法:

$$
{\rm A + B} = \left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{a_1 + b_1} \newline
{0} \newline
{a_3 + b_3}
\end{array}
\right)
$$

仍然满足第二行为零。接着验证标量乘法:

$$
k {\rm A} = \left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{k a_1} \newline
{0} \newline
{k a_3}
\end{array}
\right)
$$

仍然满足第二行为零。这两个向量满足了封闭性,因此它们构成向量空间。

  例2,假设我们有“所有行元素之和等于1的$3-{\rm by}-1$矩阵”:

令:

$$
{\rm A} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{a_1} \newline
{a_2} \newline
{a_3}
\end{array}
\right),
{\rm B} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{b_1} \newline
{b_2} \newline
{b_3}
\end{array}
\right)
$$

其满足:

$$
a_1 + a_2 + a_3 = 1, b_1 + b_2 + b_3 = 1
$$

首先验证矩阵加法:

$$
{\rm A + B} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{a_1 + b_1} \newline
{a_2 + b_2} \newline
{a_3 + b_3}
\end{array}
\right)
$$

其中,$a_1 + b_1 + a_2 + b_2 + a_3 + b_3 = 2$,不满足“所有行之和为1”,不封闭。因此不构成向量空间。

二、线性无关

  假设我们的向量空间中有向量集合$u_1, u_2, \dots , u_n$以及任意标量$c_1, c_2, \dots , c_n$,如果下面等式:

$$
{c}_{1}{u}_{1} + {c}_{2}{u}_{2} + \dots + {c}_{n}{u}_{n} = 0
$$

如果存在唯一解$c_1 = c_2 = \dots = c_n = 0$,这意味着我们无法用向量集合$\rm U$中的任何几个向量来表示另一个向量,那么我们可以说这个向量集合是线性无关(linear independent)的。

  我们从下面一个例子来看:

$$
{\rm u} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} \newline
{0} \newline
{0}
\end{array}
\right),
{\rm v} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{0} \newline
{1} \newline
{0}
\end{array}
\right),
{\rm w} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{2} \newline
{3} \newline
{0}
\end{array}
\right)
$$

我们可以用$\rm w = 2u + 3v$来表示,因此这个向量组是线性相关的。我们保持$\rm u,v$不变,更改$\rm w$来看一下:

$$
{\rm u} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} \newline
{0} \newline
{0}
\end{array}
\right),
{\rm v} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{0} \newline
{1} \newline
{0}
\end{array}
\right),
{\rm w} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{0} \newline
{0} \newline
{1}
\end{array}
\right)
$$

此时,我们无法用另外两个向量来表示第三个向量,因此现在这个向量组是线性无关的。同时我们也可以用线性无关的定义来看:

$$
a{\rm u} + b{\rm v} + c{\rm w} =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{a} \newline
{b} \newline
{c}
\end{array}
\right)=
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{0} \newline
{0} \newline
{0}
\end{array}
\right)
$$

因为$a = b = c = 0$,所以该向量组是线性无关的。

  对于简单的例子,我们可以通过目视解决。对于复杂的矩阵,通常采取将其化简为行最简的形式:如果最后一行全为零则是线性相关的;如果最后一行不全为零,则是线性无关的。

三、Span, Basis, Dimension

  给定一个向量组,可以由该向量组的组合生成向量空间。我们说该向量集合span这个向量空间。

  下面是一个向量集合:

$$
\left\{
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} \newline
{0} \newline
{0}
\end{array}
\right),
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{0} \newline
{1} \newline
{0}
\end{array}
\right),
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{2} \newline
{3} \newline
{0}
\end{array}
\right)
\right\}
$$

该集合,跨越第三行包含零的所有$3-{\rm by}-1$矩阵的向量空间。此向量空间是所有满足第三行为零的$3-{\rm by}-1$矩阵的向量子空间。

  不需要所有这三个向量来生成这个向量子空间,因为任何一个向量都线性依赖于其他两个向量。span一个向量空间所需的最小向量集构成了该向量空间的基(basis)

$$
\left\{
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} \newline
{0} \newline
{0}
\end{array}
\right),
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{0} \newline
{1} \newline
{0}
\end{array}
\right)
\right\}
,
\left\{
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} \newline
{0} \newline
{0}
\end{array}
\right),
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{2} \newline
{3} \newline
{0}
\end{array}
\right)
\right\}
,
\left\{
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{0} \newline
{1} \newline
{0}
\end{array}
\right),
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{2} \newline
{3} \newline
{0}
\end{array}
\right)
\right\}
$$

虽然这三种组合都构成了向量子空间的基,但通常首选第一种组合,因为这是正交基。此基中的向量相互正交,且具有单位范数。基的数量决定了向量的维度,在第三行全为零的$3-{\rm by}-1$向量空间中,其维度是2。

  对于一个向量空间的正交基,其满足:

  1. 每一个向量都满足向量空间的封闭性。
  2. 这组正交基的向量两两正交。

四、格拉姆-施密特正交化

4.1 向量投影

  假设现在我们有两个向量:$\rm v$和$\rm u$,其夹角为$\theta$;$\rm u$在$\rm v$上的投影为$\rm u'$。现在我们想要用$\rm u$和$\rm v$来表示投影$\rm u'$。于是有:

$$
\rm u' = {\left| u' \right|} \times \frac{v}{\left| v \right|}
$$

模长${\left| u' \right|}$可以表示为:

$$
{\rm \left| u' \right|} = {\rm \left| u \right|} \times {\rm cos}{\theta}
$$

夹角$\theta$由向量的内积给出:

$$
\begin{eqnarray}
{\rm v_1}{\rm v_2} &=& {\rm \left| v_1 \right|} \times {\rm \left| v_2 \right|} \times {\rm cos}{\theta} \newline
{\rm cos}{\theta} &=& \frac{\rm v_1 v_2}{{\rm \left| v_1 \right|}{\rm \left| v_2 \right|}}
\end{eqnarray}
$$

因此:

$$
\begin{eqnarray}
{\rm \left| u' \right|} &=& {\rm \left| u \right|} \times \frac{\rm u v}{{\rm \left| u \right|}{\rm \left| v \right|}} = \frac{\rm u v}{{\rm \left| v \right|}} \newline
{\rm u'} &=& \frac{\rm u v^2}{{\rm \left| v \right|}^2}
\end{eqnarray}
$$

4.2 格拉姆-施密特正交化

  给定一个向量空间的任意基,我们可以用格拉姆-施密特正交化(Gram-Schmidt process)来构造其正交基。

假设我们含有基:

$$
\rm \left\{ v_1, v_2, \dots , v_n \right\}
$$

我们想要构造这个向量空间的正交基:

$$
\rm \left\{ u_1, u_2, \dots , u_n \right\}
$$

构造过程如下:

  1. 寻找正交基;
  2. 归一化。

  我们先看一个从普通基$\rm v$构造正交基$\rm u$的一般例子:

我们首先选择第一个正交基$\rm u_1$,令$\rm u_1 = v_1$。然后构造下一个正交基$\rm u_2$:

$$
\rm u_2 = v_2 - \frac{(u_1^T v_2)u_1}{(u_1^T u_1)}
$$

显然,$\rm u_2$等于$\rm v_2$减去$\rm v_2$中平行于$\rm u_1$的部分。下面我们来验证一下$\rm u_1$和$\rm u_2$是否是正交的:

$$
\begin{eqnarray}
\rm u_2 &=& \rm v_2 - \frac{(u_1^T v_2)u_1}{u_1^T u_1} \newline
\rm u_1^T u_2 &=& \rm u_1^T v_2 - u_1^T \frac{(u_1^T v_2)u_1}{(u_1^T u_1)} \newline
\rm u_1^T u_2 &=& \rm v_1^T v_2 - v_1^T \frac{(v_1^T v_2)v_1}{(v_1^T v_1)} \newline
\rm u_1^T u_2 &=& \rm v_1^T v_2 - v_1^T v_2 = 0
\end{eqnarray}
$$

证明$\rm u_1$和$\rm u_2$是正交的,接着我们来构造下一个正交基$\rm u_3$。按照经验,这个正交基应该是“$\rm v_3$,减去$\rm v_3$与$\rm u_1$平行的部分,减去$\rm v_3$与$\rm u_2$平行的部分”。因此:

$$
\rm u_3 = v_3 - \frac{(u_1^T v_3)u_1}{(u_1^T u_1)} - \frac{(u_2^T v_3)u_2}{(u_2^T u_2)}
$$

上面的正交向量还未进行归一化。向量的归一化可以通过如下公式完成:

$$
\hat{\rm u}_1 = \frac{\rm u_1}{{(\rm u_1^T u_1)}^{\frac{1}{2}}}
$$

  因为$\rm u_k$是$\rm v_1, v_2, \dots , v_k$的线性组合,因此原始向量空间的前$k$个基向量所构成的向量子空间与通过格拉姆-施密特正交化生成的前$k$个正交向量所构成的子空间相同。可以表示为:

$$
\rm span\{ u_1, u_2, \dots, u_k \} = \rm span\{ v_1, v_2, \dots, v_k \}
$$

五、矩阵基本子空间

5.1 Null Space

  矩阵$\rm A$的null space被记作$\rm Null(A)$,它是一个被所有满足如下条件的列向量横跨的向量空间:

$$
\rm Ax = 0
$$

显然,如果$\rm x$和$\rm y$属于null space,那么$a{\rm x} + b{\rm y}$也属于null space,其符向量空间的合封闭原则。如果矩阵$\rm A$大小是$m-{\rm by}-n$,那么$\rm Null(A)$是所有$n-{\rm by}-1$的列矩阵的向量子空间。如果$\rm A$是一个可逆方阵,那么$\rm Null(A)$仅有零向量组成。

  我们从下面一个例子来考察如何寻找到一个不可逆矩阵的null space。假设我们有一个$3-{\rm by}-5$的矩阵:

$$
{\rm A} =
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{-3} & {6} & {-1} & {1} & {-7} \newline
{1} & {-2} & {2} & {3} & {-1} \newline
{2} & {-4} & {5} & {8} & {-4} \newline
\end{array}
\right)
$$

我们将其化简为行最简的形式:

$$
{\rm A} =
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{1} & {-2} & {0} & {-1} & {3} \newline
{0} & {0} & {1} & {2} & {-2} \newline
{0} & {0} & {0} & {0} & {0} \newline
\end{array}
\right)
$$

因为$\rm Ax = 0$,我们将矩阵$A$中主元列(pivot columns)对应的的$x_1$和$x_3$称为基础变量(basic variables),将非主元列(non-pivot columns)对应的$x_2$、$x_4$和$x_5$称为自由变量(free variables)。我们用自由变量来表示基础变量有:

$$
\begin{eqnarray}
x_1 &=& 2x_2 + x_4 - 3_x5 \newline
x_3 &=& -2x_4 + 2x_5
\end{eqnarray}
$$

通过消除$x_1$和$x_3$,我们得到:

$$
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{2x_2 + x_4 - 3x_5} \newline
{x_2} \newline
{-2x_4 + 2x_5} \newline
{x_4} \newline
{x_5}
\end{array}
\right)=
x_2
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{2} \newline
{1} \newline
{0} \newline
{0} \newline
{0}
\end{array}
\right)+
x_4
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{1} \newline
{0} \newline
{-2} \newline
{1} \newline
{0}
\end{array}
\right)+
x_5
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{-3} \newline
{0} \newline
{2} \newline
{0} \newline
{1}
\end{array}
\right)
$$

其中$x_2$、$x_4$和$x_5$可以取任意值,通过将null space写为如此形式,$\rm Null(A)$显而易见地可以写为:

$$
\left\{
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{2} \newline
{1} \newline
{0} \newline
{0} \newline
{0}
\end{array}
\right),
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{1} \newline
{0} \newline
{-2} \newline
{1} \newline
{0}
\end{array}
\right),
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{-3} \newline
{0} \newline
{2} \newline
{0} \newline
{1}
\end{array}
\right)
\right\}
$$

$\rm A$的null space是所有$5-{\rm by}-1$的列矩阵的三维子空间。总的来说,$\rm Null(A)$的维度等于$\rm rref(A)$的非主元列的数量。

5.2 Null Space的应用

  Null space的一个应用是用于求underdetermined equation的通解。Underdetermined equation指的是方程数量小于未知数的方程组。

  假设我们要求解$\rm Ax = b$,如果$\rm u$是矩阵$\rm A$的null space的一般形式,$\rm v$是任何满足$\rm Av = b$的向量,那么$\rm x = u + v$满足${\rm Ax} = {\rm A(u+v)} = {\rm Au} + {\rm Av} = 0 + b = b$。因此,$\rm Ax=b$的通解可以表示为:$\rm Null(A)$的通解向量,与满足该方程组的任意特解向量。

  我们通过下面一个例子来考察如何求解方程组:

$$
\begin{eqnarray}
2x_1 + 2x_2 + x_3 &=& 0 \newline
2x_1 - 2x_2 - x_3 &=& 1
\end{eqnarray}
$$

用矩阵的形式表示为:

$$
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{2} & {2} & {1} \newline
{2} & {-2} & {-1}
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{x_1} \newline
{x_2} \newline
{x_3}
\end{array}
\right)=
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{0} \newline
{1}
\end{array}
\right)
$$

我们将其转化为增广矩阵的形式,并化简为行最简。

$$
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{2} & {2} & {1} & {0} \newline
{2} & {-2} & {-1} & {1}
\end{array}
\right) \to
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{1} & {0} & {0} & {1/4} \newline
{0} & {1} & {1/2} & {-1/4}
\end{array}
\right)
$$

这个null space满足$\rm Au = 0$,因此我们有:$u_1 = 0$和$u_2 = -u_3 / 2$,我们可以将其写成:

$$
\rm Null(A) = span
\left\{
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{0} \newline
{-1} \newline
{2}
\end{array}
\right)
\right\}
$$

我们以及得到了通解,下面来求特解。特解满足${\rm Av} = b$,因此有:$v_1 = 1/4$和$v_2 + v_3 = -1/4$。因为存在3个未知数和2个方程,我们将其中一个未知数取任意值,然后表示另外两个变量。为了方便,我们将$v_3$取$0$,于是$v_1 = 1/4$、$v_2 = -1/4$。我们将特解写为向量的形式:

$$
\frac{1}{4}
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{1} \newline
{-1} \newline
{0}
\end{array}
\right)
$$

我们将通解和特解写到一起有:

$$
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{x_1} \newline
{x_2} \newline
{x_3}
\end{array}
\right) = a
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{0} \newline
{-1} \newline
{2}
\end{array}
\right)+
\frac{1}{4}
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{1} \newline
{-1} \newline
{0}
\end{array}
\right)
$$

该形式构成了$\rm Ax=b$的通解,其中$a$取任意值。

5.3 Column Space

  矩阵的column space是横跨矩阵列的向量空间。当矩阵乘以一个列向量是,结果仍然在这个向量空间中,可以表示为:

$$
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{a} & {b} \newline
{c} & {d}
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{x} \newline
{y}
\end{array}
\right) =
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{ax + by} \newline
{cx + dy}
\end{array}
\right)= x
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{a} \newline
{c}
\end{array}
\right) + y
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{b} \newline
{d}
\end{array}
\right)
$$

  总的来说,$\rm Ax$是矩阵$\rm A$列的线性组合。给定一个$m-{\rm by}-n$的矩阵$\rm A$,$\rm A$的列空间的维度是多少?我们要如何找到基?由于$\rm A$有$m$行,因此$\rm A$的列空间是所有$m-{\rm by}-1$列矩阵的子空间。

  我们可以按照如下方法来找到列空间的基:

假设我们有如下矩阵:

$$
{\rm A} =
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{-3} & {6} & {-1} & {1} & {-7} \newline
{1} & {-2} & {2} & {3} & {-1} \newline
{2} & {-4} & {5} & {8} & {-4} \newline
\end{array}
\right),
{\rm rref(A)} =
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{1} & {-2} & {0} & {-1} & {3} \newline
{0} & {0} & {1} & {2} & {-2} \newline
{0} & {0} & {0} & {0} & {0} \newline
\end{array}
\right)
$$

$\rm Ax=0$表示矩阵$\rm A$的线性相关,并且行操作并不会改变其线性关系(可以理解为行操作是在解方程)。从上面的行最简矩阵中显然可以看出,只有主元列是线性无关的,并且$\rm A$的column space的维度等于主元的数量。同时,基向量由行最简矩阵$\rm rref(A)$所在主元列的位置对应的原矩阵$\rm A$给出:

$$
\left\{
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{-3} \newline
{1} \newline
{2}
\end{array}
\right) ,
\left(
\begin{array}{*{20}{r}}
{-1} \newline
{2} \newline
{5}
\end{array}
\right),
\right\}
$$

  之前我们提到,null space的维度等于矩阵的非主元列的数量,因此null space的维度加上column space的维度等于矩阵的列数。假设我们有一个$m-{\rm by}-n$的矩阵,那么:

$$
{\rm dim(Col(A)) + dim(Null(A))} = n
$$

5.4 Row Space, Left Null Space, Rank

  简单地来说,将column space转置之后就得到了row space:

$$
\rm Row(A) = Col(A^T)
$$

column space的大小是$m-{\rm by}-1$,而row space的大小是$n-{\rm by}-1$。

  同样的,如果$\rm Ax = 0$表示null space,那么可以用$\rm x^T A = 0$来表示left null space:

$$
\rm LeftNull(A) = Null(A^T)
$$

null space的大小是$n-{\rm by}-1$,而left null space的大小是$m-{\rm by}-1$。

  接下来我们来考察一下这几个向量空间之间的关系。

  Null space包含所有满足$\rm Ax=0$的向量$\rm x$,换言之null space是所有与$\rm A$的行正交的向量的集合,即null space与row space正交。

  前面提到column space通过$\rm rref(A)$寻找主元列来确定其维度和基,row space同样通过$\rm rref(A)$的带有主元列的行来确定其维度和基。而null space的维度是非主元列的数量,这两个子空间的并集(union)构成了所有$n-{\rm by}-1$矩阵的向量空间,同时我们说这两个子空间正交互补(orthogonal complements)

  进一步的,主元列的数量带有主元列的行的数量是相等的,因此:

$$
\rm dim(Col(A)) = dim(Row(A))
$$

我们将这个维度叫做矩阵的秩(Rank)。这是一个很不寻常的结果,因为column space和row space是两个不同的向量空间。总之,我们有:

$$
{\rm rank(A)} \le {\rm min}(m, n)
$$

当等式成立的时候,我们说这个矩阵满秩(full rank)。当一个方阵满秩的时候,因为其null space的维度为0(即,不存在),所以该方阵可逆。

六、正交投影

  假设我们有一个关于所有$n-{\rm by}-1$矩阵的$n$维向量空间$V$,以及一个$p$维的子空间$W$。令$\{ s_1, s_2, \dots ,s_p\}$为$W$的正交基,我们将其扩展,令$\{ s_1, s_2, \dots ,s_p, t_1, t_2, \dots ,t_{n-p}\}$为$V$的正交基。

  对于任何$V$中的向量$\rm v$来说,其可以用正交基的形式来表示:

$$
{\rm v} = a_1 {\rm s}_1 + a_2 {\rm s}_2 + \dots + a_p {\rm s}_p + b_1 {\rm t}_1 + b_2 {\rm t}_2 + \dots + b_{n-p} {\rm t}_{n-p}
$$

其中$a$和$b$是标量系数。将向量$\rm v$投影到向量空间$W$可以定义为:

$$
{\rm v_{proj}}_{W} = a_1 {\rm s_1} + a_2 {\rm s_2} + \dots + a_p {\rm s}_p
$$

如果我们知道向量$\rm v$和向量空间$W$的正交基,我们可以用$\rm v^T s$来表示标量系数:

$$
{\rm v_{proj}}_{W} = ({\rm v^T}{\rm s}_1){\rm s}_1 + ({\rm v^T}{\rm s}_2){\rm s}_2 + \dots + ({\rm v^T}{\rm s}_p){\rm s}_p
$$

  另外,我们需要介绍一个特殊的性质:在向量空间$W$中,${\rm v_{proj}}_{W}$是最接近$\rm v$的向量。简要证明如下。

令$\rm w$表示向量空间$W$中任意一个向量:

$$
{\rm w} = c_1 {\rm s_1} + c_2 {\rm s_2} + \dots + c_p {\rm s}_p
$$

$\rm v$和$\rm w$之间的距离可以由范数$\left \Vert {\rm v - w} \right \Vert$给出,于是有:

$$
\begin{eqnarray}
{\left \Vert {\rm v - w} \right \Vert}^2 &=& (a_1 - c_1)^2 + \dots + (a_p - c_p)^2 + b_1^2 + \dots + b_{n-p}^2 \newline
&\ge& b_1^2 + \dots + b_{n-p}^2 \newline
&=& {\left \Vert {\rm v - {\rm v_{proj}}_{W}} \right \Vert}^2
\end{eqnarray}
$$

  这个重要的性质将在下一章的最小二乘法中讨论。

七、最小二乘法

7.1 基础概念

  假设我们现在有一个数据集需要拟合,它有一个维度的label,和一个维度的output,即,它是一个二维数据集。我们试图用一条直线来拟合这个数据集,我们将label用$x$来表示,这是确切的值;我们用$y$来表示output,它是含有噪音的值(相对于我们的拟合来说)。那么,每一个数据都可以表示为$(x_k, y_k)$,拟合的直线则是$y={\beta}_0 + {\beta}_1 x$,于是有:

$$
\begin{eqnarray}
y_1 &=& {\beta}_0 + {\beta}_1 x_1 \newline
y_2 &=& {\beta}_0 + {\beta}_1 x_2 \newline
&\vdots& \newline
y_n &=& {\beta}_0 + {\beta}_1 x_n
\end{eqnarray}
$$

我们将其改写为$\rm Ax=b$的形式:

$$
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} & {x_1} \newline
{1} & {x_2} \newline
{\vdots} & {\vdots} \newline
{1} & {x_n}
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{{\beta}_{0}} \newline
{{\beta}_{1}} \newline
\end{array}
\right) =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{y_1} \newline
{y_2} \newline
{\vdots} \newline
{y_n}
\end{array}
\right)
$$

  因为该方程组是一个overdetermined system,因此它没有解。但我们可以通过最小二乘法来寻找它的最优的解。

  我们可以如下描述这一过程。假设我们有$\rm Ax=b$,但因为$\rm b$不在$\rm A$的column space中,因此方程无解。但是我们可以将$\rm b$投影到$\rm {b_{proj}}_{Col(A)}$来解决$\rm Ax = {b_{proj}}_{Col(A)}$。该方法被称为最小二乘法(least-squares)。下面来看一下最小二乘法的一般流程。

假设我们有$\rm Ax=b$,我们将$\rm b$投影到$\rm {b_{proj}}_{Col(A)}$:

$$
\rm b = {b_{proj}}_{Col(A)} + (b - {b_{proj}}_{Col(A)})
$$

其中$\rm {b_{proj}}_{Col(A)}$是$\rm b$在$\rm A$column space上的投影;$\rm (b - {b_{proj}}_{Col(A)})$是与$\rm A$的column space正交的项,它同时正交于$\rm Row(A^T)$,亦位于$\rm Null(A^T)$。将overdetermined matrix equation两边同时乘以$\rm A^T$,得到一个可解的等式,这个等式被称为$\rm Ax=b$的正规化方程(normal equations)

$$
\rm A^T A x = A^T b
$$

当$\rm A$的列线性无关的时候(关于线性无关,我们将在后面讨论),存在唯一解。将正规方程的两边同时乘以$\rm A(A^T A)^{-1}$,我们得到:

$$
\rm Ax = A(A^T A)^{-1}A^T b = {b_{proj}}_{Col(A)}
$$

其中,投影矩阵$\rm P = A(A^T A)^{-1}A^T$满足$\rm P^2 = P$。如果$\rm A$本身就是一个可逆方正,那么$\rm P = I$,并且$\rm b$本身已经位于$A$的column space中。

7.2 投影矩阵P

  关于投影矩阵$\rm P = A(A^T A)^{-1}A^T$,我们额外讨论一下它是怎么得出的。

结合我们之前说的,由于$\rm b_{proj}$是$\rm b$在$\rm Col(A)$上的投影,误差$\rm b - b_{proj}$应该与$\rm Col(A)$正交。这意味着对于$\rm Col(A)$中的任意列向量${\rm a}_i$都有:

$$
{\rm a}_{i}^{\rm T}(\rm b - b_{proj}) = 0
$$

因为我们此时不在求解$\rm Ax = b$,而是求解$\rm Ax = b_{proj}$,将其以矩阵形式表达则是:

$$
\rm A^T (b - Ax) = 0
$$

我们将其化简得到:

$$
\rm A^T b = A^T Ax
$$

由于$\rm A^T A$是可逆的(因为我们假设了$\rm A$的列线性无关),我们有:

$$
\rm x = (A^T A)^{-1} A^T b
$$

现在我们回到$\rm b_{proj}$:

$$
\rm b_{proj} = Ax = A(A^T A)^{-1} A^T b
$$

于是我们得到了投影矩阵$\rm P = A(A^T A)^{-1}A^T$。

7.3 数值化的例子

  假设我们现在有三个点,我们试图进行拟合,这三个点是:$(1, 1)$、$(2, 3)$和$(3, 2)$。我们将拟合的执行设为$y = {\beta}_0 + {\beta}_1 x$,这个方程组可以表示为:

$$
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} & {1} \newline
{1} & {2} \newline
{1} & {3}
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{{\beta}_{0}} \newline
{{\beta}_{1}} \newline
\end{array}
\right) =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} \newline
{3} \newline
{2}
\end{array}
\right)
$$

我们用最小二乘法将其表示为:

$$
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} & {1} & {1} \newline
{1} & {2} & {3}
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} & {1} \newline
{1} & {2} \newline
{1} & {3}
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{{\beta}_{0}} \newline
{{\beta}_{1}} \newline
\end{array}
\right) =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} & {1} & {1} \newline
{1} & {2} & {3}
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{1} \newline
{3} \newline
{2}
\end{array}
\right)
$$

即:

$$
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{3} & {6} \newline
{6} & {14}
\end{array}
\right)
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{{\beta}_{0}} \newline
{{\beta}_{1}} \newline
\end{array}
\right) =
\left(
\begin{array}{*{20}{c}}
{6} \newline
{13}
\end{array}
\right)
$$

可以解得:${\beta}_{0} = 1$、${\beta}_{1} = \frac{1}{2}$。

7.4 A的线性无关

  我们还需要提一下为什么需要假设$\rm A$的列向量是线性无关的。

  1. 线性相关性和秩:如果$\rm A$的列向量是线性相关的,$\rm A^T A$就是奇异的(不满秩),此时无法直接求逆。
  2. 解的性质:如果$\rm A$的列向量线性相关,最小二乘问题就不再有唯一解。

  因此,如果是线性相关的情况,我们可以使用广义逆和最小范数解来求最小二乘法。其中,广义逆$A^{+}$满足如下条件:

$$
\rm {A}^{+} = ({A}^{T}{A})^{+} {A}^{T}
$$

利用广义逆,我们可以找到一个最小二乘解:

$$
\rm x_{min-norm} = {A}^{+}b
$$

  具体来说,我们可以用奇异值分解来求广义逆,假设$\rm A$的奇异值分解为:

$$
\rm A = U \Sigma V^T
$$

那么:

$$
\rm A^{+} = V {\Sigma}^{+} U^T
$$