施密特正交化

对于一组向量,有时候我们需要对其进行正交化处理,也就是说,该组向量中任意两个向量都是互相垂直的。那么,要怎么做呢?

假设只有两个向量,\vec v_0\vec v_1,正交化的几何示意图如下所示。

正交化1.png

假设正交化之后的向量为\vec w_0\vec w_1,那么由图可知,可得\vec w_0 = \vec v_0,且有:

\vec w_1 = \vec v_1 - \dfrac{\vec v_1 \cdot \vec w_0}{|\vec w_0|}

这里减去的部分是向量\vec v_1在向量\vec w_0上的投影。然后将\vec w_0\vec w_1进行归一化,就得到了最终的结果。

那么,如果有三个向量,\vec v_0\vec v_1\vec v_2,这种情况要如何处理呢?同样地,正交化的几何示意图如下所示。

正交化2.png

假设正交化之后的向量为\vec w_0\vec w_1\vec w_2,由图可知,可得\vec w_0 = \vec v_0,且有:

\vec w_1 = \vec v_1 - \dfrac{\vec v_1 \cdot \vec w_0}{|\vec w_0|}

\vec w_2 = \vec v_2 - \dfrac{\vec v_2 \cdot \vec w_0}{|\vec w_0|} - \dfrac{\vec v_2 \cdot \vec w_1}{|\vec w_1|}

从图中可以看出向量\vec w_2即为向量\vec v_2减去在\vec w_0\vec w_1上的投影。将这三个向量进行归一化即可得到最终的结果。

那么,假如我们有一组向量\{ \vec v_0, \vec v_1, \vec v_2, ..., \vec v_n \},要想求得它们正交化后的向量组\{ \vec w_0, \vec w_1, \vec w_2, ..., \vec w_n \},步骤如下:

  1. \vec w_0 = \vec v_0
  2. 1 \leq i \leq n,计算\vec w_i = \vec v_i - \sum_{j = 0}^{i - 1} \dfrac{\vec v_i \cdot \vec w_j}{|\vec w_j |}
  3. 将得到的\{ \vec w_0, \vec w_1, \vec w_2, ..., \vec w_n \}进行正交化。
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