子空间与正交投影

最近需要用子空间、正交投影的概念，找了些资料，理解了相关概念，整理如下。

子空间和子空间的基

    定义所有 n 维复向量的集合为 n 维复向量空间，即 Cn 。如果令 m<n ，则 m 个 n 维复向量的子集合便构成 Cn 内的一个向量子空间。

    若 S={u1,u2,⋯,um} 是向量空间 Cn 的向量子集合，则 u1,u2,⋯,um 的所有线性组合的集合 W 称为由 u1,u2,⋯,um 张成的子空间，定义为

W=Span{u1,u2,⋯,um}={u:u=a1u1+a2u2+⋯+amum}

    张成子空间 W 的每个向量称为 W 的生成元，而所有生成元组成的集合 {u1,u2,⋯,um} 称为子空间的张成集。从向量集合 S={u1,u2,⋯,um} 中删去与其他向量线性相关的所有多余向量，余下的 P 个线性无关的向量 {u1,u2,⋯,up} 仍然可以张成子空间 W 。

    如果向量子空间 W 由向量 u1,u2,⋯,up 张成，即 W=Span{u1,u2,⋯,up} ，且向

量集合 B=Span{u1,u2,⋯,up} 是线性无关的集合，则向量集合 {u1,u2,⋯,up} 可称为 W 的一组基。

    张成子空间 W 的基向量的个数称为子空间 W 的维数，子空间 W 的基不唯一，虽然子空间 W 的基可以由多种不同的向量合成，但子空间 W 的维数是固定的。

    对于子空间，可以这样理解：二维空间中的线是其子空间，三维空间中的面、线是三维空间的子空间。

子空间的直和

    两个子空间的代数关系由两个子空间的向量之间的关系刻画。子空间 S1,S2,⋯,Sn 共同拥有的向量组成的集合 S1∩S2∩⋯∩Sn 称为子空间 S1,S2,⋯,Sn 的交集。若这些子空间共同的唯一向量为零向量， S1∩S2∩⋯∩Sn={0} ，则称子空间无交连。无交连的子空间的并 S1∪S2∪⋯∪Sn 称为子空间的直和，即

S=S1⊕S2⊕⋯⊕Sn

矩阵的列空间

    对于矩阵 A∈Cn×m ，其 m 个列向量记为

a1=⎡⎣⎢⎢⎢⎢a11a21⋮an1⎤⎦⎥⎥⎥⎥,a2=⎡⎣⎢⎢⎢⎢a12a22⋮an2⎤⎦⎥⎥⎥⎥,⋯,am=⎡⎣⎢⎢⎢⎢a1ma2m⋮anm⎤⎦⎥⎥⎥⎥

    如果 A=[a1,a2,⋯,am]∈Cn×m 是复矩阵。可以定义矩阵 A 的列空间为其列向量的所有线性组合的集合，用符号Col(A) 表示，如下

Col(A)=Span{a1,a2,⋯,am}={y∈Cn:y=∑j=1mαjaj,αj∈C}

    列空间是针对矩阵 A 本身定义的向量子空间，矩阵 A 的列空间就是矩阵 A 的值域。矩阵 A 的值域(Range)定义为

Range(A)={y∈Cn:y=∑j=1mαjaj,αj∈C}=Span{a1,a2,⋯,am}

    因此

Range(A)=Col(A)=Span{a1,a2,⋯,am}

    所以看到一个矩阵，就可以想象它背后代表着一个子空间，这个子空间由其列向量张成。

投影算子

    定义向量空间 Cn 内的直和分解 Cn=S⊕H ，其中任意向量 x∈Cn 。若 x=x1+x2 满足 x1∈S 和 x2∈H ，并且 x1 和 x2 是唯一确定的，则称映射 Px=x1 是向量 x 沿着子空间 H 的方向，到子空间 S 的投影，并称 P 是沿着子空间 H 的方向，到子空间 S 的投影算子，常简记为 PSH 。

    由定义易知，投影算子 P 是线性齐次算子，并且在 Px=x1 的情况下，满足 x=x1+x2 的 x2 由 x2=x−Px=(I−P)x 唯一的确定。因此，利用投影算子，向量空间 Cn 中任意向量 x 都可以唯一分解为：

x=Px+(I−P)x

    这表明，若 P 是沿着子空间 H 到子空间 S 的投影算子，则 (I−P) 就是沿着子空间 S 到子空间 H 的投影算子。

    线性齐次算子 P 是投影算子，当且仅当 P 是幂等矩阵，即

P2=P

    注意上面的定义，并没有保证 x1 和 x2 相互正交。

正交投影算子

    在许多实际的应用中，常要求向量空间 Cn 的任何向量 x 在两个子空间的投影正交，这就要求子空间 H 是子空间 S 的正交补。沿着正交补 S⊥ 的方向，到子空间 S 的投影算子 PS/S⊥ 称为正交投影算子。

    线性齐次算子 P 是正交投影算子，当且仅当满足以下两个条件：线性算子是幂等算子，即 P2=P ，且具有复共轭对称性，即 PH=P 。

    令 A 是 n×m 维矩阵，其中 A 是列满秩， rank(A)=m 。针对由矩阵 A 的列向量为基张成的空间 A 的正交投影定义为

P=A(AHA)−1AH

其中， ()H 为矩阵的共轭转置。

    若 A 非列满秩，则上面的逆用伪逆代替。

    从方程的角度来看，正交投影矩阵可以如下理解：方程 Ax=b 的最小二乘解 x^ 满足

Ax^=Pb⃗ =p⃗ 

b⃗ =p⃗ +e⃗ 

解释如下：

     An×m 代表一个行数 n 大于列数 m （所以才涉及最小二乘解）的矩阵，正如上面所说，这个矩阵其实就是 Cn 空间的一个子空间，犹如二维空间平面里的一条直线；而 b 则代表 Cn 空间的任意一点； x 表示怎样对 A 的列向量进行组合来实现逼近 b ， x 就是逼近系数或组合系数。

    由于 b 不一定恰好在 A 的子空间里，即直线上，所以理论上 x 可能没有精确解，故退而求其次，我们寻求在 A 的子空间里找离 b 最近的点，直线上离线外一点最近的点就是点垂直投影的位置，即正交投影点 p ，而此投影点的求取方法就是

p⃗ =Pb⃗ 

P=A(AHA)−1AH

而此投影点所对应的矩阵 A 的列向量组合系数就是 x^ ，即 x 的估计值：

Pb⃗ =p⃗ =Ax^

即

x^=(AHA)−1AHb⃗ 

    相应的误差向量为

e⃗ =b⃗ −p⃗ 

它代表了拟合的误差。可认为是这个正交于 A 子空间的子空间是误差空间或噪声空间，正是由于噪声的存在，使测量点不能完美落在 A 的子空间上。

    这就是从矩阵投影角度来解释最小二乘法，贴一张MIT线性代数公开课讲投影的截图吧（推荐看看，讲的很清楚）。讲师说明白了子空间的概念就等于掌握了线性代数一半的理论，确实，有了子空间的概念，线性方程、最小二乘瞬间成为很自然的东西。