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内积与长度

Kamimika...大约 1 分钟学习笔记

内积与长度

内积

若 ∀α,β∈V\forall \boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta \in V, 有 (α,β)∈R(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta) \in \mathbb R 且满足

  1. 对称性: (α,β)=(β,α)(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta) = (\boldsymbol \beta, \boldsymbol \alpha)
  2. 线性性: (kα+lβ,γ)=k(α,γ)+l(β,γ)(k\boldsymbol \alpha + l\boldsymbol \beta, \boldsymbol \gamma) = k(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \gamma) + l(\boldsymbol \beta, \boldsymbol \gamma)
  3. 正定性: (α,α)≥0(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \alpha) \geq 0, 且 (α,α)=0(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \alpha) = 0 当且仅当 α=0\boldsymbol \alpha = \mathbf 0 则称 (α,β)(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta) 为 α\boldsymbol \alpha 和 β\boldsymbol \beta 的内积, 定义了内积的实线性空间 VV 称为一个欧式空间

常见内积类型

  • 默认: 点乘 (α,β)=αTβ(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta) = \boldsymbol \alpha^T \boldsymbol \beta
  • (X,Y)=XTATAY(\mathbf X, \mathbf Y) = \mathbf X^T \mathbf A^T \mathbf A \mathbf Y
  • 连续函数: (f,g)=∫abf(x)g(x)dx(f, g) = \int_a^b f(x) g(x) dx

长度

称 ∣α∣=(α,α)|\boldsymbol \alpha| = \sqrt{(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \alpha)} 为 α\boldsymbol \alpha 的长度 若 ∣α∣=1|\boldsymbol \alpha| = 1 则称 α\boldsymbol \alpha 为单位向量α∣α∣\dfrac{\boldsymbol \alpha}{|\boldsymbol \alpha|} 为向量的单位化

∣α∣≥0|\boldsymbol \alpha| \geq 0, 且 ∣α∣=0|\boldsymbol \alpha| = 0 当且仅当 α=0\boldsymbol \alpha = 0 时 k∣α∣=∣k∣∣α∣k|\boldsymbol \alpha| = |k||\boldsymbol \alpha|

与内积的关系

(α,β)=12[(α+β,α+β)−(α,α)−(β,β)]=12(∣α+β∣2−∣α∣2−∣β∣2) \begin{align} (\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta) &= \dfrac{1}{2}[(\boldsymbol \alpha + \boldsymbol \beta, \boldsymbol \alpha + \boldsymbol \beta) - (\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \alpha) - (\boldsymbol \beta, \boldsymbol \beta)] \\ &= \dfrac{1}{2}(|\boldsymbol \alpha + \boldsymbol \beta|^2 - |\boldsymbol \alpha|^2 - |\boldsymbol \beta|^2) \end{align}

柯西施瓦兹不等式

∣(α,β)∣≤∣α∣∣β∣ |(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta)| \leq |\boldsymbol \alpha| |\boldsymbol \beta|

证明: 构造二次函数 ∣tα+β∣2≥0|t\boldsymbol \alpha + \boldsymbol \beta|^2 \geq 0, 利用 Δ≤0\Delta \leq 0 证明

三角不等式

∣α±β∣≤∣α∣+∣β∣ |\boldsymbol \alpha \pm \boldsymbol \beta| \leq |\boldsymbol \alpha| + |\boldsymbol \beta|

证明: 同时平方

夹角

<α,β>=arccos⁡(α,β)∣α∣∣β∣ <\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta> = \arccos \dfrac{(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta)}{|\boldsymbol \alpha| |\boldsymbol \beta|}

当 (α,β)=0(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta) = 0 称 α,β\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta 正交, 即 α⊥β\boldsymbol \alpha \perp \boldsymbol \beta

距离

d(α,β)=∣α−β∣ d(\boldsymbol \alpha, \boldsymbol \beta) = |\boldsymbol \alpha - \boldsymbol \beta|

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贡献者: wzh656
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