格拉姆-施密特正交化

在线性代数中，如果内积空间上的一组向量能够组成一个子空间，那么这一组向量就称为这个子空间的一个基。Gram－Schmidt正交化提供了一种方法，能够通过这一子空间上的一个基得出子空间的一个正交基，并可进一步求出对应的标准正交基。

线性代数
${\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{bmatrix}1&2\\3&4\end{bmatrix}}}$
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查 论 编

这种正交化方法以约尔根·佩德森·格拉姆（英语：Jørgen Pedersen Gram）和艾哈德·施密特（英语：Erhard Schmidt）命名，然而比他们更早的拉普拉斯（Laplace）和柯西（Cauchy）已经发现了这一方法。在李群分解中，这种方法被推广为岩泽分解（Iwasawa decomposition）。

在数值计算中，Gram－Schmidt正交化是数值不稳定的，计算中累积的舍入误差会使最终结果的正交性变得很差。因此在实际应用中通常使用豪斯霍尔德变换或Givens旋转进行正交化。可以用于矩阵计算。

记法

• ${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{n}}$ ：维数为n 的内积空间
• ${\displaystyle {\boldsymbol {v}}\in {\boldsymbol {V}}^{n}}$ ：${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{n}}$ 中的元素，可以是向量、函数，等等
• ${\displaystyle \langle {\boldsymbol {v}}_{1},{\boldsymbol {v}}_{2}\rangle }$ ：${\displaystyle {\boldsymbol {v}}_{1}}$ 与${\displaystyle {\boldsymbol {v}}_{2}}$ 的内积
• ${\displaystyle \mathrm {span} \{{\boldsymbol {v}}_{1},{\boldsymbol {v}}_{2},\ldots ,{\boldsymbol {v}}_{n}\}}$ ：${\displaystyle {\boldsymbol {v}}_{1}}$ 、${\displaystyle {\boldsymbol {v}}_{2}}$ ……${\displaystyle {\boldsymbol {v}}_{n}}$ 张成的子空间
• ${\displaystyle \mathrm {proj} _{\boldsymbol {v}}\,{\boldsymbol {u}}={\langle {\boldsymbol {u}},{\boldsymbol {v}}\rangle \over \langle {\boldsymbol {v}},{\boldsymbol {v}}\rangle }{\boldsymbol {v}}}$ ：${\displaystyle {\boldsymbol {u}}}$ 在${\displaystyle {\boldsymbol {v}}}$ 上的投影

基本思想

 

图1 ${\displaystyle {\boldsymbol {v}}}$ 在${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{2}}$ 上投影，构造${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{3}}$ 上的正交基${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}}$ 

Gram-Schmidt正交化的基本想法，是利用投影原理在已有正交基的基础上构造一个新的正交基。

设${\displaystyle {\boldsymbol {v}}\in {\boldsymbol {V^{n}}}}$ 。${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{k}}$ 是${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{n}}$ 上的${\displaystyle k}$ 维子空间，其标准正交基为${\displaystyle \{{\boldsymbol {\eta }}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {\eta }}_{k}\}}$ ，且${\displaystyle {\boldsymbol {v}}}$ 不在${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{k}}$ 上。由投影原理知，${\displaystyle {\boldsymbol {v}}}$ 与其在${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{k}}$ 上的投影${\displaystyle \mathrm {proj} _{\boldsymbol {V^{k}}}{\boldsymbol {v}}}$ 之差

${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}={\boldsymbol {v}}-\sum _{i=1}^{k}\mathrm {proj} _{{\boldsymbol {\eta }}_{i}}\,{\boldsymbol {v}}={\boldsymbol {v}}-\sum _{i=1}^{k}\langle {\boldsymbol {v}},{\boldsymbol {\eta }}_{i}\rangle {\boldsymbol {\eta }}_{i}}$ 

是正交于子空间${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{k}}$ 的，亦即${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}}$ 正交于${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{k}}$ 的正交基${\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}_{i}}$ 。因此只要将${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}}$ 单位化，即

${\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}_{k+1}={\frac {\boldsymbol {\beta }}{\|{\boldsymbol {\beta }}\|}}={\frac {\boldsymbol {\beta }}{\sqrt {\langle {\boldsymbol {\beta }},{\boldsymbol {\beta }}\rangle }}}}$ 

那么${\displaystyle \{{\boldsymbol {\eta }}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {\eta }}_{k},{\boldsymbol {\eta }}_{k+1}\}}$ 就是${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{k}}$ 在${\displaystyle {\boldsymbol {v}}}$ 上扩展的子空间${\displaystyle \mathrm {span} \{{\boldsymbol {v}},{\boldsymbol {\eta }}_{1},...,{\boldsymbol {\eta }}_{k}\}}$ 的标准正交基。

根据上述分析，对于向量组${\displaystyle \{{\boldsymbol {v}}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {v}}_{m}\}}$ 张成的空间${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{m}}$  (${\displaystyle m<n}$ )，只要从其中一个向量（不妨设为${\displaystyle {\boldsymbol {v}}_{1}}$ ）所张成的一维子空间${\displaystyle \mathrm {span} \{{\boldsymbol {v}}_{1}\}}$ 开始（注意到${\displaystyle {\boldsymbol {v}}_{1}}$ 就是${\displaystyle \mathrm {span} \{{\boldsymbol {v}}_{1}\}}$ 的正交基），重复上述扩展构造正交基的过程，就能够得到${\displaystyle {\boldsymbol {V}}^{n}}$  的一组正交基。这就是Gram-Schmidt正交化。

算法

首先需要确定已有基底向量的顺序，不妨设为${\displaystyle \{{\boldsymbol {v}}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {v}}_{n}\}}$ 。Gram-Schmidt正交化的过程如下：

	${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}_{1}={\boldsymbol {v}}_{1},}$		${\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}_{1}={{\boldsymbol {\beta }}_{1} \over \|{\boldsymbol {\beta }}_{1}\|}}$
	${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}_{2}={\boldsymbol {v}}_{2}-\langle {\boldsymbol {v}}_{2},{\boldsymbol {\eta }}_{1}\rangle {\boldsymbol {\eta }}_{1},}$		${\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}_{2}={{\boldsymbol {\beta }}_{2} \over \|{\boldsymbol {\beta }}_{2}\|}}$
	${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}_{3}={\boldsymbol {v}}_{3}-\langle {\boldsymbol {v}}_{3},{\boldsymbol {\eta }}_{1}\rangle {\boldsymbol {\eta }}_{1}-\langle {\boldsymbol {v}}_{3},{\boldsymbol {\eta }}_{2}\rangle {\boldsymbol {\eta }}_{2},}$		${\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}_{3}={{\boldsymbol {\beta }}_{3} \over \|{\boldsymbol {\beta }}_{3}\|}}$
	${\displaystyle \vdots }$		${\displaystyle \vdots }$
	${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}_{n}={\boldsymbol {v}}_{n}-\sum _{i=1}^{n-1}\langle {\boldsymbol {v}}_{n},{\boldsymbol {\eta }}_{i}\rangle {\boldsymbol {\eta }}_{i},}$		${\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}_{n}={{\boldsymbol {\beta }}_{n} \over \|{\boldsymbol {\beta }}_{n}\|}}$

这样就得到${\displaystyle \mathrm {span} \{{\boldsymbol {v}}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {v}}_{n}\}}$ 上的一组正交基${\displaystyle \{{\boldsymbol {\beta }}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {\beta }}_{n}\}}$ ，以及相应的标准正交基${\displaystyle \{{\boldsymbol {\eta }}_{1},\ldots ,{\boldsymbol {\eta }}_{n}\}}$ 。

例

考察如下欧几里得空间Rⁿ中向量的集合，欧氏空间上内积的定义为<a, b> = b^Ta：

${\displaystyle S=\lbrace {\boldsymbol {v}}_{1}={\begin{pmatrix}3\\1\end{pmatrix}},{\boldsymbol {v}}_{2}={\begin{pmatrix}2\\2\end{pmatrix}}\rbrace .}$ 

下面作Gram－Schmidt正交化，以得到一组正交向量：

${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}_{1}={\boldsymbol {v}}_{1}={\begin{pmatrix}3\\1\end{pmatrix}}}$ 

${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}_{2}={\boldsymbol {v}}_{2}-\mathrm {proj} _{{\boldsymbol {\beta }}_{1}}\,{\boldsymbol {v}}_{2}={\begin{pmatrix}2\\2\end{pmatrix}}-\mathrm {proj} _{\begin{pmatrix}3\\1\end{pmatrix}}\,{\begin{pmatrix}2\\2\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}-2/5\\6/5\end{pmatrix}}}$ 

下面验证向量${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}_{1}}$ 与${\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}_{2}}$ 的正交性：

${\displaystyle \langle {\boldsymbol {\beta }}_{1},{\boldsymbol {\beta }}_{2}\rangle =\left\langle {\begin{pmatrix}3\\1\end{pmatrix}},{\begin{pmatrix}-2/5\\6/5\end{pmatrix}}\right\rangle =-{\frac {6}{5}}+{\frac {6}{5}}=0.}$ 

将这些向量单位化：

${\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}_{1}={1 \over {\sqrt {10}}}{\begin{pmatrix}3\\1\end{pmatrix}}}$ 

${\displaystyle {\boldsymbol {\eta }}_{2}={1 \over {\sqrt {8 \over 5}}}{\begin{pmatrix}-2/5\\6/5\end{pmatrix}}}$ 

于是${\displaystyle \{{\boldsymbol {\eta }}_{1},{\boldsymbol {\eta }}_{2}\}}$ 就是 ${\displaystyle \mathrm {span} \{{\boldsymbol {v}}_{1},{\boldsymbol {v}}_{2}\}}$  的一组标准正交基底。

不同的形式

随着内积空间上内积的定义以及构成内积空间的元素的不同，Gram-Schmidt正交化也表现出不同的形式。

例如，在实向量空间上，内积定义为：

${\displaystyle \langle {\boldsymbol {a}},{\boldsymbol {b}}\rangle ={\boldsymbol {b}}^{T}{\boldsymbol {a}}}$ 

在复向量空间上，内积定义为：

${\displaystyle \langle {\boldsymbol {a}},{\boldsymbol {b}}\rangle ={\boldsymbol {b}}^{H}{\boldsymbol {a}}}$ 

函数之间的内积则定义为：

${\displaystyle \langle f(x),g(x)\rangle =\int _{-\infty }^{\infty }f(x)g(x)dx}$ 

与之对应，相应的Gram－Schmidt正交化就具有不同的形式。

参见

•  数学主题

• 内积空间
• 内积
• 正交
• QR分解

外部链接

• Hazewinkel, Michiel (编), Orthogonalization, 数学百科全书, Springer, 2001, ISBN 978-1-55608-010-4 
• Earliest known uses of some of the words of mathematics: G （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Demos: and
• Gram-Schmidt orthogonalization applet （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• NAG Gram–Schmidt orthogonalization of n vectors of order m routine （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Proof: Raymond Puzio, Keenan Kidwell. "proof of Gram-Schmidt orthogonalization algorithm" (version 8). PlanetMath.org. （页面存档备份，存于互联网档案馆）