![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Дроздов Н.Д. Линейная алгебра в теории уравнивания измерений
.pdfЕп_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 = |
{Ьг, |
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 = {аг + 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 |
= |
||||||||||||
= |
{Ъ±, |
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 — |
{а 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 = |
{а3 , |
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 = |
{а 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 = {Ъг, 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|23г
^ |
|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 [В ]. 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. |
|
|