• 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



  • 相关阅读:
    js 时间戳格式化
    有关Safari 浏览器的文章
    前端图片旋转动画
    vue中textarea标签自适应高度
    pip 报错 Fatal error in launcher: Unable to create process using
    HTML列表多点击事件
    js获取浏览器版本信息
    SVG圆形进度条
    基于蚂蚁金服"AntDesignVue-Menu导航菜单"实现根据初始路由自动选中对应菜单解决刷新后菜单选择状态丢失问题(支持根路径菜单)
    java根据权重进行排序
  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/longhuihu/p/10423309.html
Copyright © 2020-2023  润新知