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  • 线性代数:坐标与基变换

    1、坐标定义

    假设线性子空间的基B={v1,v2,...,vk}, 向量 a = v1c1+v2c2+...+vkck,那么(c1,c2,...,ck)即为a基于B的坐标。
    换句话说,坐标是向量在某组基下的表示。此时,我们称B定义了一个坐标系。
    前面说过,坐标和向量的概念有些时候是可以互换的,实际上向量a,本身就是该向量在Rn的标准基下的坐标。

    2、坐标变换
    假设向量a在基{v1,v2,vk}下的坐标已知为b,矩阵C={v1,v2...vk},那么有 a  = Cb,C就是这个坐标变换的变换矩阵。
    反过来通过a来求b要复杂一些,如果C是个方阵(该方阵显然是可逆的),那么 b = I(C)a,C逆就是这个变换矩阵;
    C是方阵的唯一可能就是{v1,v2,..vk}是Rn的一组基,就是说Rn的任意一个向量都可以转换为基于C的一个坐标。
    如果C不是方阵,那么就要求解方程Cx=a,可能无解,毕竟此时C张成的向量空间只是Rn的一个子空间。

    3、基于基底的线性变换矩阵
    假设一个从Rn到Rn的线性变换T,可以表示为T(x)=Ax,A是变换矩阵。
    严格上说,A是变换T在标准基下的变换矩阵。如果不是基于标准基,则变换矩阵不是A。
    假设矩阵C是一个基底矩阵,变换T在C下的变换矩阵为A,向量x基于C的坐标为x‘,那么有 x' =I(C) x,变换T在C下的变换矩阵为D,有Dx' =I(C) Ax = I(C)ACx‘,因此有D = I(C)AC。
    因此,基于不同的基底坐标系来考虑同一个变换T时,有不同的变换矩阵,只要知道T在标准基下的变换矩阵,就可以很容易计算出对应的变换矩阵。

    通过选择一组特定的基底,可以将变换矩阵A转换乘变换矩阵D,在特定的情况下可以简化计算;比如将D变成一个对角矩阵。

    4、改变基底有助求变换

    基于第三节可以知道,一个知道一个变换在标准基的变换矩阵,就可以很容易求出在另一组基下的变换矩阵,反过来也是可以的。
    因此如果通过选取一组基可以很容易求出相同的变换的矩阵,再去求变换在标准基下的矩阵就很容易了。
    假设有一个变换T(x)=x关于某条直线L对称的点。
    1)、可以选取直线L的向量v1,有T(v1)=v1,再选取一个向量v2,使得T(v2)比较容易求取,以{v1,v2}为基;
    2)、基于新的基底,变换D = {T(e1),T(e2) }  T(e1)等于v1在标准坐标系下的T变换在新基底下的表示,T(e2)类似。
    3)、A = I(C)AC

    5、标准正交基

    如果一组向量B={v1,v2,...,vk}, 假设任意vi的长度为1,且vi.vj=0 (i!=j),即任意两个基向量是正交的,且每个向量都是单位向量;
    此时B必然是线性无关的,是某个子空间的基,称做标准正交基。

    标准基则指{{1,0,...},{0,1,...},{0,0,...,1}}这一组基。

    6、标准正交基的坐标
    x = c1v1+c2v2+...ckvk  =>  vi.x = c1v1.vi+...+ckvk.vi = ci
    因此:x在一组标准正交基{v1,..,vk}下的坐标为{v1.x,v2.x,...,vk.x}。

    7、正交基下求子空间投影
    B={v1,v2,...,vk}是一组正交基,那么依据前面章的只是,任意向量x = v+w,其中v是子空间B的成员,w是B的正交补的成员。
    x = c1v1+...+ckvk+w = >  vi.x = vi.c1v1+...+vi.ckvk+vi.w = ci 
    于是投影坐标 = {v1.x,v2.x,...,vk.x}

    而投影矩阵 = BT(B) 

    上一章说了,一般性的子空间投影的变换矩阵为 B*(T(B)B)逆*T(B),对比之间去少了这一项  (T(B)B)逆;
    实际上,因为B是一组正交基,T(B) B = 单位矩阵,也就是说如果B是方阵 T(B)=B逆。
    这个特性结合第3、4节的内容,当选取一组基来求变换时,尽量选取一组正交基。

    8、正交矩阵变换的保角性和保长性

    当通过正交变换矩阵进行线性变换时,向量的长度以及向量之间的角度保持不变。
    1、||Cx|| = Cx.Cx = T(x)T(C)Cx = T(x)x;
    2、v.w = ||v||||w||cosƟ     cosƟ = ||v||||w||/v.w       cosƟ' = ||Cv||||Cw||/Cv.Cw = ||v||||w||/T(v)T(C)Cw = ||v||||w||/v.w

    9、将基转换成标准正交基
    假设知道子空间的一组基B={v1,v2,...},如何求取子空间的一组标准正交基{u1,u2,...}
    1)假设B={v1},那么只要对v1进行标准化即可 u1=v1/||v1||;
    2)假设B={v1,v2},那么先对v1进行单位化得到{u1,v2},令y2 = v2 - v2在u1上的投影,那么u2 = y2标准化
    3)假设B={v1,v2,v3},先用2的方法求出u1,u2,令y3=v3-v3在{u1,u2}上的投影,然后u3=y3标准化
    以此类推,这个过程叫做schmidt过程



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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/longhuihu/p/10423309.html
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