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正交补

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年10月8日 (四) 18:41的版本 (补充100篇数学词条、教学配图与学习路径)
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在带内积的空间中,两个向量内积为零称正交。子空间 W 的正交补记为 W⊥,由所有与 W 每个向量都正交的向量组成: W⊥={v:⟨v,w⟩=0 对所有 w∈W}. 只检验 W 的一组基就够了,因为内积对线性组合保持线性。

一条线的垂直方向

令 W=span⁡{(1,1)}⊂ℝ2。向量 (x,y) 与生成向量正交当且仅当 x+y=0,故 W⊥={(t,−t):t∈ℝ}=span⁡{(1,−1)}. (3,2) 可唯一写成 (5/2,5/2)+(1/2,−1/2),前一项在 W 中,后一项在 W⊥ 中。正交投影取的正是第一项。

在有限维欧氏空间里,每个向量都能唯一分解为 w+z,其中 w∈W,z∈W⊥,于是 dim⁡W+dim⁡W⊥=n。不要把正交补理解成普通集合补集:零向量同时属于 W 和 W⊥,而 W⊥ 本身也是子空间。若内积换了权重,哪些方向正交也可能改变,必须先说明所用内积。

这一分解可实际构造。取 W 的正交规范基 q1,…,qr,对给定 v 令 w=∑i=1r(v⋅qi)qi、z=v−w。每个 z⋅qj=v⋅qj−(v⋅qj)=0,故 z∈W⊥。若还有另一种分解,两个 W 部分之差既属于 W 又属于 W⊥,它与自身内积为零,只能是零向量,因而分解唯一。把上述 qi 扩充为整个空间的正交规范基,就得到维数公式。

参考资料