Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Дроздов Н.Д. Линейная алгебра в теории уравнивания измерений

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.33 Mб
Скачать

Еп_т =

Ет,

натянутое

на

векторы

а т + 1 ,

. . ., а„ и]

являющееся,

как

известно, линейным

дополнением

подпространства

Ет

до

полного

пространства

Еп,

называется

ортогональным

дополне­

нием Ет

да

Еп.

Из (93)

det 335L = 0 и потому по

теореме

21

Е„-т - L Ет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перейдем к рассмотрению линейных многообразий в простран­

стве

Еп,

т. е. множеств

векторов

вида

 

 

 

 

или

 

 

 

х — х1Ъ1

+ ХоЪ2+

. . . +

xrbr-\-d.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = %x + d,

 

 

 

(94)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

Й =

г,

Ъо,

. . .,

ЪГ]

заданный

каркас (будем

считать,

что

он

имеет полный

ранг),

d — заданный вектор

(смещение),

а х — произвольный столбец подходящего порядка. Теперь убе­

димся,

что операция скалярного произведения, определенная

в

Еп,

позволяет описать то же многообразие другим способом.

 

Д

Рассмотрим

ортогональное

дополнение подпространства

L

[33]. Пусть 91 = г + 1 , аг + 2 , . .. ., а„}

базис этого дополнения.

Тогда

по

(93) WS =

0 и потому из (94)

 

 

 

 

5lx=5L93z + 5 U = 5 l d ,

где 2ld =

b — фиксированный столбец. Как видим, всякий вектор х

многообразия (94) удовлетворяет условию

 

 

 

 

5 U = 6 .

(95)

Напротив, пусть вектор х удовлетворяет условию (95). Раз­ ложим его по рассмотренному выше базису b j , b 2 , . ., br ,

. . ., a„

 

 

 

x =

23c +

5lc'.

(96)

Тогда

(95) примет вид

 

 

 

 

 

5 U =

(518) с + (5151) С = Ъ = 51d,

или, так

как 2123 — О,

 

 

 

 

 

 

(5151) С = 5Xd!

(97)

Теперь

разложим

по тому

же

базису

вектор d

 

 

 

d =

33d +

5W'.

(98)

Тогда

с

учетом (97)

 

 

 

5 l d = (5151) d' = (5151) С

Так как det (Ж) ф О, то d' = с' и %d' = Sic'. Вычтем (98) из (96). Получим

x = 2 3 ( c - d ) + d.

 

Это означает, что х принадлежит линейному многообразию (94)

при х — с — d.

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак, доказана следующая теорема.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 22. Вектор х принадлежит

линейному

многообра­

зию (94)

 

 

 

 

 

x = 23z +

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с базисом 33 тогда и только тогда, когда он удовлетворяет усло­

вию (95)

 

 

 

 

 

 

Six = 6 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где каркас 2Ї состоит из базисных векторов ортогонального

допол­

нения

L

[33] до полного пространства Еп,

а

Ь =

2td.

 

 

 

 

Уравнения (94) и (95) называют уравнениями

линейного

много­

образия

соответственно

в параметрической

 

и

неявной

формах.

 

 

 

 

§

35. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОИЗВОЛЬНЫХ УГЛОВ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МЕЖДУ

ПОДПРОСТРАНСТВАМИ

 

 

 

 

 

До сих пор были рассмотрены условия, отражающие идею

ортогональности

подпространств

в

евклидовых

пространствах.

А

между тем можно

измерять и произвольные

углы между

под­

пространствами. Фундаментальную роль в этом направлении

играет следующая теорема.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 23. Пусть каркасы

31 =

{alt

 

а2 ,

. . .,

а,„}

и

23

=

=

±,

Ь2 ,

. . .,

bm }

одинакового

порядка

имеют

полный

ранг.

Тогда

справедливо

следующее

обобщенное

неравенство Коши

Буняковского

 

det2 (5133) «S det (5151) det (2323),

 

 

 

(99)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которое

обращается

в

равенство

тогда

 

и

только

тогда,

когда

L

[31 ] =

L

[33 ].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

По формуле (88)

2133 =

A * B r

2121 =

А*А

и

3323 =

В*В,

где А

и

В — матрицы

каркасов

5L и

33 в

 

ортонормированном

базисе. Отсюда по формуле (63) Вине — Коши

 

 

 

 

 

 

 

det (5123) =

det А*В =

 

2

 

 

 

 

 

• • • * » b w ,

. . . 1 п ,

 

 

 

 

 

 

 

 

l < 5 i i < £ 2 < . .

.<tm<n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

det (5151) =

det A * A =

 

2

 

 

 

аі,с"-

• • •

lmattt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kit

<ij

<

. . .

<lm4n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

det (2323) =

det B*B =

 

 

2

 

 

 

b( , l «

• • • ' т &м,

hit

 

где числа

a£'<» • • •

=

ailt,

... l m

и

Ь'Л • • • lm

=

btll, ...

im

опре­

деляются по правилу (62) как все возможные миноры т-то порядка

матриц А*, А, В* и В. Применяя

неравенство

 

(81') Коши к полу­

ченным суммам, сразу приходим к неравенству (99). Остается

убедиться,

что

 

оно

обращается

в

равенство

лишь

при L

[21]

=

=

L [23].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть L \%\ =

L [23]. Тогда по

теореме

18

найдется такая

невырожденная матрица М, что % =

23М или

23 =

21М- 1 .

Отсюда

Ш =

(3123) М

и

2323 = (2331) М " 1

= (ЗШ)* М~\ а

следова­

тельно,

*

 

 

 

 

 

 

det (2121) = det (2123) det М, det (2323) = det (2L23) det M " 1 .

Перемножая эти два равенства и учитывая, что det М det М - 1 =

=det (ММ - 1 ) = 1, получим требуемое равенство

 

 

 

 

 

 

det (2121) det (2323) = [det (2123)]2.

 

 

 

(99')

 

Значительно труднее доказать обратное утверждение: если

справедливо

равенство (99'), то

L

[21 ] =

L

[23]. Последнее,

как

мы помним, означает, что если произвольный вектор х

£ L [21J,

то

х

 

£L

[23], и

наоборот.

Убедимся

вначале,

что

при т

<.п

х

6 L

[2І ]

тогда

и

только

тогда,

когда 1

 

 

 

 

 

 

 

I а,

X \hlht

• • •

 

ftmftm+i=

ak.2

"

 

 

 

O-h.m

Xh,

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

актХ

 

 

 

 

 

O-hmin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ahm+il

 

аЬт+і1

 

 

akm+ini

 

(100)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

любых

кг,

к2,

. . .,

кт,

кт+1,

 

удовлетворяющих

условию

1

ss

кг

< к2 < . . . < кт

<

fcm+1

sc п

[29 ].

Здесь

aik.

эле­

менты матрицы А каркаса 21, a xk[

 

элементы

столбца

х коор­

динат вектора х в некотором базисе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

самом деле, условие

(100)

по

теореме о

ранге означает,

что

 

 

 

 

 

 

 

 

% 1

а 1 2

 

 

 

 

 

Si

 

 

 

 

 

 

 

rang [| A, x|| =

rang ^21 ^22

 

 

 

'2m

Х2

< m +

l .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а„

а„

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В то же время столбцы

аг, а2 ,.

. .,

ат линейно

независимы,

так как каркас 31 полного

ранга,

и потому по той же теореме

rang

 

|| А, х

|| =

rang А

=

т. Но тогда, как видно было из доказа­

тельства теоремы 14 Кронекера — Капелли, столбец х линейно

выражается

через

столбцы

а1,

а0,

. . ., ат.

Это и

означает, что

х

£ L [31].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если же дано, что х g L

[ЗІ], т. е. х линейно выражается

через

а1

а2, . . .,

ат,

то

rang А

=

rang

|| А, х ||, откуда

следует

(100).

Заметим еще,

что

разложение определителя

(100)

по элементам

1 \а, x\k,k'

kmkm+i — обозначение для определителя из условия (100),

последнего столбца приводит, с учетом обозначений (62) для мино­ ров этого определителя, к выражению

|а> x\h,k2 • • . hmhm+1=

( l)m+1xkiab*

• • -йтЬт+і-}- . . .

+

- f

а ^ т + і а М . • • •

й/я.

(101)

Теперь все подготовлено для доказательства того, что из ра"

венства (99') вытекает условие L [2t ] =

L [231.

 

Пусть справедливо равенство (99'). Это означает на основании условия обращения неравенства Коши в равенство, что имеет

место пропорциональность

чисел

ас,и-

• • • i m

и

 

bii1*-

• • l m , т. е.

 

 

 

аиіг

. . . іт

_

уЦгі,

. . . im

 

 

 

 

02)

при

всех i l t i 2 , . . .,

iml

таких,

что 1 ^ г\

<

i

2

< • • • < г ' т

n -

По теореме о

ранге не все миноры Фіг

• • • і т матрицы А

равны

нулю, так как каркас 21

1 5

а.,,

. . .,

а т }

 

с

этой

матрицей А

имеет полный ранг. Поэтому у Ф 0. Из выражения (102) по усло­

вию (101) получается,

что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| Д ) х

jft.ft,

. . . hmhm+i =

y\b,

X\hikt

 

&т'<п

(ЮЗ)

 

Если теперь х

6 L

[21 ], то по условию (100) | а, хhik, . . . h m f e m + 1 _ _

=

0. Тогда по

(103)

| b, х \hlh'

• • • V w

=

 

0. Но это опять же

по

(100) означает, что

х

£ £ [ 3 3 ] . Точно

так

же

из х 6 L

[53]

следует х £ L Ш1.

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 23 позволяет определить понятие угла

между

под­

пространствами

одинаковых размерностей по

формуле

 

 

 

СОЭф :

Vdet

det (ШВ)

 

 

 

 

(104)

 

 

(9151) det (ЭЗЭЗ)'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При этом угол между совпадающими подпространствами равен нулю. Следствие 1 теоремы 21 вместе с (104) утверждает, что угол между ортогональными подпространствами равен 90°. Так что определение (104) соответствует представлениям геометрической модели V3. Более того, можно заметить, что в модели V3 в орто­ нормированием базисе миноры

 

а 1 , 2 =

« п

«12

«21.

«22

 

«31

«82

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

«21

«22

«31

«32

 

«11

«12

 

для

системы

51 =

3 ,

а2 ) являются координатами векторного

произведения

а х

X а 2 ,

так что формула (104) с учетом (63) опре­

деляет в

этом случае

угол между

векторными

произведениями

X

а 2

и Ъх

X

Ь2

и,

следовательно, между плоскостями L [51]

и L

[33], натянутыми

на каркасы 21 =

х , а2 }

и 33

= {Ьх ,

Ь 2 } .

Докажем

теперь

теорему, которая

еще раз

подтвердит,

что

определение угла между подпространствами по формуле (104) согласуется с геометрической интуицией.

Теорема 24. Угол между подпространствами L

и L [23]

равен углу между ортогональными дополнениями L \^Х] и L [S3] к ним.

Д Без ограничения общности будем считать, что каркасы 21 и 23 имеют полный ранг. Выберем в пространстве L n , содер­ жащем L [21] и L [23], ортонормировацный базис. Пусть в нем

А и В — матрицы каркасов 21 и 23, а 4

л 5

-

матрицы

каких-

либо фиксированных

базисных каркасов

21 и

23 подпространств

L

[21] и L

[23 ]. Так

как

L

[21 ]

L

[21] и

L

[S3] _L L

[53], то

с

учетом

(88")

 

 

 

 

 

 

 

 

(105)

 

 

Ж=А*А

= 0 и

2323 =

5

* 5

= 0.

 

Рассмотрим теперь матрицы (в блочном виде)

 

 

 

А = ||І4,

А\\, В =

||£,

В\\ и С = \\А, В

 

Так как совокупности векторов каркасов 21 и 21 или 23 и 23 линейно независимы в L n и содержат по п векторов, то А, В и CJ— квадратные матрицы и det А Ф 0, det В Ф 0.

По правилам умножения блочных матриц с учетом (105) имеем:

 

 

А*

 

 

її

А* А

0

 

А*А = | А*

м . А '=11

о

А*А

в*в =

 

В*

 

 

\\В*В

0

J

 

А*

 

 

Ч!

о

А*В1

1

 

1В*

\\в,

в

 

в*в

А*С =

~А*

м .

в\

- \

 

 

 

 

 

7

А*В\\

 

 

А*\

 

 

\\А*В

А*В

І

С*В =

В*\

II в, в\\~1

0

5*51

А отсюда по формуле (60) и теореме 11

det А*А = (det А ) 2 = det A*A det А* А,

det В*В = (det В) 2 = det В*В det В*В,

det А*С = det A det С = det A* A det А*~В,

det С* В = det С det В = det А*В det В*В.

Из этих соотношений следует, что

detC =

d e t A * C

 

det А

 

det C * B

 

d e t B

det A*A

det А*В

Vdet

А*А

detA*B

] / d e t A*A

det A*A

] / det A*A

det A*B det~B*B

det A*B

] / d e t

B*B

У det B*B det 5 * 5

К det Б*В

 

или

 

det 34*2?

det А*В

 

l/det A* A det B*B

>Adet A*A det B*B '

что

и требовалось доказать. V

 

 

 

§ 36. ТЕОРЕМА О ПЕРПЕНДИКУЛЯРЕ

 

Рассмотрим так называемую

задачу о

перпендикуляре [21,

33,

341. В пространстве Еп задано

r-мерное

многообразие уравне­

нием (94)

x= 23a:-f-d

сбазисным каркасом 58 = г, Ь2 , . . ., Ьг). Найти вектор х этого многообразия, ортогональный к подпространству L [23 1. Такой вектор х называют перпендикуля­

ром

к

L [23 ]

в данном

многообразии

Рис. 4

(рис.

4).

 

 

 

 

По

теореме

20 для решения этой задачи достаточно потребо­

вать,

чтобы

23x =

(2323)a: +

23d =

0

или

 

 

 

 

 

(2323) х =

-23d.

(106)

 

 

 

 

Так

как det 2323 ф 0, то

 

 

 

-(2323)"1(23d).

Подставляя это в (94), получаем окончательное решение задачи

х - -23[(2323)'1(23d)l + d.

Если многообразие задано неявным уравнением (95)

то

задачу

о

перпендикуляре можно

решить так.

Векторы

а1,

а 2 ,

. . ., a m ,

b j , b 2 , . . .,

Ьл каркасов

21 и 23 совместно

образуют

базис в Еп.

Поэтому искомый вектор х можно разложить по этому

базису: х

=

21А: + Ш'.

Так как 23х

=

(2321) k X (2323)

к'

=

0,

2321 = 0 и det (2323) Ф 0, то к' =

0 и,

следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

х^Пк.

 

 

 

 

(107)

 

Для нахождения столбца к достаточно

подставить

(107)

в (95).

Получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ПП)

к =Ъ.

 

 

 

(108)

Отсюда k = (ЖЩ-Ч и х = П [(ШуЧ

] .

 

 

 

 

 

Для фактических вычислений во всех полученных отношениях удобно перейти к матричным представлениям в каком-либо базисе пространства Еп. Пусть G — метрическая матрица, В — матрица каркаса 93, а А ' — матрица каркаса 21 в этом базисе. Обозначим через v и d столбцы координат векторов х и d в этом базисе. Тогда в соответствии с § 27 уравнение (94) цримет вид

 

 

 

 

 

 

 

v =

Bx + dt

 

 

 

 

 

 

(94')

а уравнение

(106), с учетом

(88) и

(88'),

 

 

 

 

 

 

 

 

Так

что

 

 

 

B * G B i = - B * G d .

 

 

 

 

 

(106")

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

x =

 

—(B*GB)-}B*Gd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y =

- B ( B * G B ) - i B * G d + d.

 

 

 

 

(109)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение (95) примет вид (A')*Gv

— Ь

или, если обозначить

А = (A')*G,

 

 

 

 

Av =

Ъ.

 

 

 

 

 

 

(95')

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Также

в соответствии

с

§ 27 равенство (107)

запишется

как

v =

=

А'к

или, принимая

 

во внимание,

что

(А')*

=

A G - 1

и потому

А '

= G ^ A * ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v = G~1A*k.

 

 

 

 

 

(107')

 

Уравнение (108) примет вид (A')*GA'/e

=

b,

или,

так

как

(A')*GA' =

A G - 1 G G _

1 A * =

A G ^ A * ,

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда

 

 

 

(AG-X A*)A: = 6.

 

 

 

 

 

(108')

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ft = (AG - 1 A*)" 1 b

и

z J = G " 1 A * ( A G - 1 A * ) - 1 b .

 

 

(110)

 

Отметим следующую связь между матрицами А и В каркасов

% и 23, которые по условию

являются

базисами ортогонально

дополняющих друг друга подпространства L

[21] и L [53] (см. § 34).

По

условию

(93) при

этом 2123 =

0

и потому

АВ

= 0,

так как

по

формуле

(88)

2123 =

(A')*GB

=

A G - 1

G B = АВ = 0.

По

 

след­

ствию

3 теоремы

21 (см. § 34), если

В -

n

X

r-матрица,

а А —

— т X

п-матрица, то

т +

г = п. Поэтому

в соответствии

с

§ 26

заключаем, что (94') является общим решением уравнений (95'). В модели V3 известно основное свойство перпендикуляра, опущенного из некоторой точки на прямую или плоскость: он является кратчайшим из всех отрезков, соединяющих данную точку с точками этой прямой или плоскости. Это свойство оказы­ вается справедливыми в произвольном евклидовом пространстве.

Докажем это.

Д Рассмотрим произвольный вектор х = 23л; + d линейного многообразия и перпендикуляр х = Ъх + d. Тогда х — х =

= 23 (х — х) = 23с, где с = х — х. Иначе, х = х + 23 с и при этом х _1_23с. Поэтому по теореме Пифагора |х |2 = |х|2 X |23с|2

^

|х|2. Отсюда и получаем, что

|х| ^

| х| для любого х из линей­

ного многообразия

(94).

v

 

 

 

 

Следовательно, справедливо

следующее.

 

 

Теорема 25

(о перпендикуляре). Если: а) вектор х линейного

многообразия

(94) имеет кратчайшую

длину, т. е. (х, х)

= m i n ,

б)

а вектор х

этого

многообразия ортогонален подпространству

L

[23], т. е.

23х =

0, то

х =

х.

 

 

 

З а м е ч а н и е .

Стоит

отметить,

что теорема 2 из

§ 6 * яв­

ляется всего лишь координатной формой теоремы 25. Но раньше мы были вынуждены минимизировать функцию

|x|s = (x,

x) = (23a;+d, 23a:-i-d)

=

= а*$Щх

+ 2а*($д) + (й, d)

(111)

по переменным элементам х1, х'2, . . ., хг столбца х средствами диф­ ференциального исчисления [в координатном представлении (111) как раз принимает вид (18) с точностью до обозначений]. Теперь аппарат линейной алгебры у нас развит настолько, что для реше­ ния задачи линейной алгебры обращения к математическому анализу не потребовалось.

§ 37*. О СВЯЗИ УСЛОВНЫХ УРАВНЕНИЙ И УРАВНЕНИЙ ПОПРАВОК; АЛГЕБРАИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ

Если в задаче о перпендикуляре в качестве пространства Еп рассмотреть пространство столбцов п-то порядка, то выражение (93') имеет структуру уравнений поправок, а уравнение (95') — структуру условных уравнений. Если к тому же в этом простран­ стве определить скалярное произведение правилом (а, Ъ) = a*Gb, то условие задачи о перпендикуляре (х, х) = m i n становится усло­

вием общего принципа наименьших квадратов v*Gv

= m i n ,

а уравнения (106') и (108'), приводящие к решению этой

задачи,

являются нормальными уравнениями метода наименьших

квадра­

тов соответственно для уравнений поправок и условных уравне­

ний. В этой трактовке теорема 2 из § 6* совпадает

с теоремой 25

о перпендикуляре.

 

 

Отсюда на основании результатов предыдущих параграфов

сразу

следует ряд

важных

выводов.

 

1.

Уравнения

поправок

v = Вх + d должны

быть общим

решением условных уравнений Av = —w и потому по (72) их матрицы должны удовлетворять условию

А В = 0 .

(112)

107

Из § 16 можно усмотреть, что

в действительности уравнения

поправок

и строятся как общее решение условных уравнений.

2. На

основании следствия 2

теоремы

21

матрицы

B*GB

и A G " 1 А*

нормальных уравнений

(106') и

(108')

тогда и

только

тогда не вырождены, когда столбцы матрицы В и строки матрицы А линейно независимы. В этом алгебраически выражается основная причина, приводящая к требованию выбора условных уравнений так, чтобы они не были линейно зависимыми. По той же причине неизвестными уравнений поправок должны быть лишь поправки к необходимым величинам, что обеспечивает линейную независи­

мость столбцов матрицы уравнений по­ правок.

3. Формулы (109) и (110) приводят к одному и тому же вектору У, т. е. с точки зрения окончательного результата методы уравнивания измерений с помощью урав­ нений поправок и условных уравнений равнозначны х .

Так, средства теории евклидовых про­ странств дают простую геометрическую трактовку метода наименьших квадратов с вытекающими отсюда следствиями. Более

того, средства теории евклидовых пространств уже достаточно сильны и для того, чтобы попытаться обосновать методнаименьших квадратов.

Вспомним кратко основные рассуждения, связанные с уравни­ ванием измерений. В сетях измерений возникают уравнения поправок

v = Вх -f- d.

Их можно рассматривать как уравнения линейного много­ образия с базисом* составленным из столбцов Ъг, Ь2, . . ., Ът ма­ трицы В, и сдвигом d. Одним из векторов этого многообразия является вектор-столбец (—А) истинных поправок в измерения.

Однако

у нас нет данных, позволяющих выделить этот столбец

из всего

многообразия. Поэтому' все векторы

v можно

допустить

к участию в соревновании стать оценкой для

вектора

(—А). Во ­

прос состоит лишь в том, чтобы выбрать тот из них, для которого риск сильно ошибиться наименьший; Только до сих пор мы не могли дать сколько-нибудь удовлетворительное математическое определение такого риска. Понятия теории евклидовых про­ странств предоставляют такую возможность.

Полезно сначала проиллюстрировать основную мысль на модели У3 , пользуясь ее наглядностью (рис. 5).

1 Впрочем, если коэффициенты матриц А и В подсчитаны грубо, так что условие А В = 0 не выполняется с необходимой точностью, результаты уравни­ вания двумя методами могут заметно разойтись.

Основное качество оценки v для вектора ( — А ) состоит в бли­ зости этих векторов, которую можно измерять длиной а = | v + А |. Но мы не знаем Д , а потому неизвестна и величина а- В связи с этим можно поступить так. Если бы была известна длина s

вектора

А , то мы знали бы,

что ( — А ) является одной

из обра­

зующих

круглого конуса с уравнением | А |

=

s и

основанием

на L ]. Мы не могли бы только сказать: какой именно

образу­

ющей он является. Поэтому если взять в качестве оценки

вектора

( — Д ) какой-нибудь

произвольный

вектор v,

самое худшее, что

можно

представить

— это

вектор

( — А ) занимает

положение

( — Д ) ,

диаметрально

противоположное

по

основанию

конуса

вектору

v. В таком случае о

=

| v

+ Д | является максимальным

из всех возможных величин а

=

| У +

А|. Существует риск того,

что этот худший или близкий к нему случай может

реализоваться

в действительности. Можно, правда, возразить, что а зависит от s, величину которой мы фактически не знаем. Но какова бы ни была величина s, геометрически из чертежа видно, что для перпендику­

ляра

v в данном многообразии а = | у + Д | = ^ а , т . е. независимо

от s

вектор v, если принять его в качестве оценки вектора ( А ) >

приведет к наименьшей максимальной ошибке. Так что указанный способ сравнения оценок v вектора ( — А ) , несмотря на отсутствие знания величины s, вполне удовлетворителен для целей теории уравнивания измерений.

Теперь изложенные геометрические соображения нужно офор­ мить аналитически с тем, чтобы убедиться в пригодности их для

произвольных евклидовых пространств.

 

 

 

О п р е д е л е н и е .

Максимальной

ошибкой

оценки

v вектора

( — Д ) назовем величину

 

 

 

 

 

 

 

0s (y) = max|u +

A|.

 

(113)

 

 

 

|A|=s

,

 

 

 

Из анализа известно 1 , что такой максимум существует в силу

непрерывности | у

+

А | как функции Д и

компактности мно­

жества тех

Д , для

которых | А | =

s.

 

 

 

Теорема

26. Условие (У, У) = m i n

для уравнений

поправок

v = Вх + d приводит к вектору v, для которого максимальная ошибка 0 S (v) является наименьшей при любом s.

ДЛегко найти максимальную ошибку (113) перпендикулярам

к L [ В ] в данном многообразии. Так как

v _ L L

[ В ]

и (v +

Д ) 6

£L

[ В ] ,

то'

( У + Д) и поэтому по теореме Пифагора | у +

Д | 2 =

=

| Д | 2

|;у|2

=

s2

— | у |2 . Следовательно, | v

+

А | не

зависит

от

Д и потому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

as

=

as (у) = max | У + Д | =

| У - ) - А | .

 

 

 

 

 

 

 

І Д І - s

 

 

 

 

1 В анализе это

утверждение

называется

теоремой

Вейерштрасса.

См., например, Г. Е .

Ш и л о в.

Математический

анализ,

функции одного

переменного, ч. 1—2.

М., изд-во

«Наука», 19S9.

 

 

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ