正交是内积空间的「垂直」:。正交基让向量分解各分量互不干扰,是傅里叶分析、QR 分解与量子测量共同的骨架。

定义

内积空间中两向量正交(orthogonal)当且仅当:

  • 正交基:两两正交的基;若每个基向量都是单位长度,称标准正交基(orthonormal basis)
  • 的标准基 是最简单的标准正交基;任意基均可经 Gram–Schmidt 正交化改造为标准正交基

为什么正交基重要

性质收益
坐标解耦,各系数独立计算,改动一个分量不影响其余
范数分解(Parseval 恒等式)
投影最简向子空间的最近点 = 各正交基分量之和
变换保形正交矩阵(标准正交基作列)保长度保角度,见 欧氏空间

正交补与正交分解

子空间 的正交补 。任意向量唯一分解:

这是最小二乘法(残差与列空间正交)和PCA(主成分与残差正交)的共同根源。

函数也正交

在积分内积 下, 与 互正交——傅里叶级数就是函数空间的标准正交基分解。正交多项式(Legendre、Chebyshev)同理,见内积。

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