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線性代數之五:正交性

5.1 標量積

5.1.1 向量餘弦

標量積定義:有兩個Rn中的列向量x,y,則乘積xTy稱為x,y的標量積(scalar product),標量積為一個標量xiyi

向量的歐氏距離:xRn,則向量x的歐氏距離可通過標量積定義||x||=(xTx)12=x2i

向量距離:若x,y為Rn中的向量,則x,y間的距離定義為||yx||

向量餘弦的計算:若x,y為Rn中的向量,兩個向量的夾角為θ,則

xTy=||x||×||y||×cosθ
記u為x方向上的單位向量,v為y方向上的單位向量,則有||u||=||v||=1,則cosθ=xT||x||y||y||=
uTv,θ[0,π]

柯西-施瓦茨不等式: 若x,y為Rn中的向量,則xTy||x||||y||當且僅當其中一個向量為0,或二者方向相同或相反時,等號成立

5.1.2 向量正交與投影

正交:xTy=0,則x和y稱為正交的(orthogonal),其幾何意義是兩個向量夾角為直角。

當兩個向量x和y正交時,由勾股定理:

||xy||2=||x+y||2=||x||2+||y||2

在非正交情況下則有:

  • 兩個向量x,y與向量和(x+y)組成的三角形
    ||x+y||2=(x+y)T(x+y)=||x||2+||y||2+2xTy
  • 兩個向量x,y與向量差(x-y)組成的三角形
    |
    |xy||2=(xy)T(xy)=||x||2+||y||22xTy

向量投影:若x,y為非零向量,則有:
x到y的標量投影為a=||x||cosθ=xTy||y||
x到y的向量投影為p=ay||y||=xTy||y||y||y||=xTyyTyy

5.1.3 向量餘弦的應用

在1.3.6節中,展示了矩陣運算在檢索中的應用。在其基礎上,對矩陣的列向量及搜尋向量單位化,則計算結果的每一行都對應一個文件的詞向量與搜尋向量的餘弦值,其值越接近1,說明兩個向量方向越相同,匹配度越好。

5.1.4 相關矩陣與協方差矩陣

矩陣A是n*m的矩陣,其各列

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