1. 投影矩阵

投影矩阵
P=A(A⊤A)−1A⊤ P=A(A^{\top}A)^{-1}A^{\top} P=A(AA)1A

p=Pbp=Pbp=Pb

  • b⊥C(A)b\perp C(A)bC(A),p=A(A⊤A)−1A⊤b=0;p=0p=A(A^{\top}A)^{-1}A^{\top}b=0;p=0p=A(AA)1Ab=0;p=0
  • b∈C(A),AX=b,p=A(A⊤A)−1A⊤AX=A{(A⊤A)−1A⊤A}X=AX=bb\in C(A),AX=b,p=A(A^{\top}A)^{-1}A^{\top}AX=A\{(A^{\top}A)^{-1}A^{\top}A\}X=AX=bbC(A),AX=b,p=A(AA)1AAX=A{(AA)1AA}X=AX=b

在这里插入图片描述

  • 其他情况
    b=p+eb=p+eb=p+e
    p=Pbp=Pbp=Pb
    e=(I−P)be=(I-P)be=(IP)b

证明:当AAA的各列线性无关时,A⊤AA^{\top}AAA可逆。

假设A⊤AX=0,我们只需要证明X=0。A⊤AX=0  ⟺  X⊤A⊤AX=X⊤0=0(AX)⊤AX=0  ⟺  y⊤y=0y⊤y=0⇒y=0  ⟺  AX=0因为A各列线性无关,所以X=0 \begin{align} &假设A^{\top}AX=0,我们只需要证明X=0。 \nonumber\\ &A^{\top}AX=0 \iff X^{\top}A^{\top}AX=X^{\top}0 =0 \nonumber \\ &(AX)^{\top}AX=0 \nonumber \iff y^{\top}y=0\\ \nonumber &y^{\top}y=0 \Rightarrow y=0 \iff AX=0 \nonumber \\ &因为A各列线性无关,所以X=0 \nonumber \end{align} 假设AAX=0,我们只需要证明X=0AAX=0XAAX=X0=0(AX)AX=0yy=0yy=0y=0AX=0因为A各列线性无关,所以X=0

2. 最小二乘法

给出三个点(1,1),(2,2),(3,2)(1,1),(2,2),(3,2)(1,1),(2,2),(3,2),让拟合成直线y=C+Dty=C+Dty=C+Dt的形式。

在这里插入图片描述

拟合直线实际上就是
min⁡∣∣AX−b∣∣2=∣∣e∣∣2=e12+e22+e32 \min \vert|AX-b|\vert^{2}=||e||^{2}=e_1^{2}+e_2^{2}+e_3^{2} min∣∣AXb2=∣∣e2=e12+e22+e32

先根据点和直线方程写出对应的矩阵
C+D=1C+2D=2C+3D=2 C+D=1\\C+2D=2\\C+3D=2 C+D=1C+2D=2C+3D=2
AX=bA=[111213]X=[CD]b=[122] AX=b\\ A= \begin{bmatrix} 1 & 1\\1 & 2\\ 1 & 3 \end{bmatrix}\\ X= \begin{bmatrix} C\\D \end{bmatrix}\\ b= \begin{bmatrix} 1 \\ 2\\ 2 \end{bmatrix} AX=bA= 111123 X=[CD]b= 122

根据投影公式,我们先来求投影在列空间上的
X^=[C^D^] \hat{X}= \begin{bmatrix} \hat{C}\\\hat{D} \end{bmatrix} X^=[C^D^]
AX^=pe=b−p=b−AX^e⊥AA⊤(b−AX^)=0A⊤AX^=A⊤b A\hat{X}=p\\ e=b-p=b-A\hat{X}\\ e \perp A\\ A^{\top}(b-A\hat{X})=0\\ A^{\top}A\hat{X}=A^{\top}b AX^=pe=bp=bAX^eAA(bAX^)=0AAX^=Ab

A⊤A=[111123][111213]=[36614] A^{\top}A= \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 3\\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 2 \\ 1 & 3\\ \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 3 & 6\\ 6 & 14\\ \end{bmatrix} AA=[111213] 111123 =[36614]
A⊤A可逆A^{\top}A可逆AA可逆

A⊤b=[111123][122]=[511] A^{\top}b= \begin{bmatrix} 1 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 3\\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\2 \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 5\\11 \end{bmatrix} Ab=[111213] 122 =[511]

近似方程
[36614][C^D^]=[511]  ⟺  {3C^+6D^=52C^+14D^=11C^=23D^=12y=1/2t+2/3 \begin{bmatrix} 3 & 6\\ 6 & 14\\ \end{bmatrix}\begin{bmatrix} \hat{C}\\\hat{D} \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 5\\11 \end{bmatrix} \iff \begin{cases} &3\hat{C}+6\hat{D}=5\\ & 2\hat{C}+14\hat{D}=11 \end{cases}\\ \hat{C}=\frac{2}{3}\\ \hat{D}=\frac{1}{2}\\ y=1/2t+2/3 [36614][C^D^]=[511]{3C^+6D^=52C^+14D^=11C^=32D^=21y=1/2t+2/3

  • 微积分求法

E(C,D)=e12+e22+e32=(C+D−1)2+(C+2D−2)2+(C+3D−2)2∂E(C,D)∂C=6C+12D−10∂E(C,D)∂D=12C+28D−22 6C+12D−10=012C+28D−22=0 \begin{align} & E(C,D)=e_1^2+e_2^2+e_3^2=(C+D-1)^{2}+(C+2D-2)^2+(C+3D-2)^2 \nonumber\\ &\frac{\partial{E(C,D)}}{\partial C} =6C+12D- 10\nonumber\\ &\frac{\partial E(C,D)}{\partial D}=12C + 28D -22\nonumber \end{align} \\ \begin{align} \ 6C+12D-10=0 \nonumber \\ 12C+28D-22=0 \nonumber \\ \end{align} E(C,D)=e12+e22+e32=(C+D1)2+(C+2D2)2+(C+3D2)2CE(C,D)=6C+12D10DE(C,D)=12C+28D22 6C+12D10=012C+28D22=0
偏导为0时,取得最小值;也可以计算出其最小值。
C^=23D^=12y=1/2t+2/3 \hat{C}=\frac{2}{3}\\ \hat{D}=\frac{1}{2}\\ y=1/2t+2/3 C^=32D^=21y=1/2t+2/3

可以求出替代点p1=(1,76),p2=(2,53),p3=(3,136)p_1=(1, \frac{7}{6}),p_2=(2,\frac{5}{3}),p_3=(3,\frac{13}{6})p1=(1,67),p2=(2,35),p3=(3,613)

这样可以得到误差
e=[e1e2e3]=[−1613−16]p=[p1p2p3]=[7653−136]e= \begin{bmatrix} e_1\\e_2\\e_3 \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} -\frac{1}{6}\\\frac{1}{3}\\-\frac{1}{6} \end{bmatrix}\\ p=\begin{bmatrix} p_1\\p_2\\p_3 \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} \frac{7}{6}\\\frac{5}{3}\\-\frac{13}{6} \end{bmatrix} e= e1e2e3 = 613161 p= p1p2p3 = 6735613
e+p=be⊥p e+p=b\\ e \perp p e+p=bep

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