近似解

前面学习了如何判断方程是否有解,我们先来看一道例题:

已知,判断解的情况

解:由于,因此,而,则有:

方程无解

然而在实际应用中,对于方程,当不在值域中时,我们可以用值域中的任意一点来替换有解

点在值域外

在值域内找一点代替

若点满足,即是到点距离最短的点,则称为值域中的元素对的最佳逼近,对应的方程解得的为最佳近似解。

当值域是一条直线时,最短的距离就是它到直线的投影距离:

当值域是一个平面时,最短的距离也是它到平面的投影距离:

因此要找到最佳逼近的点,我们只需要过,向值域作投影,就能找到点,下面我们来学习一下如何作直线和平面的投影

1 投影
1.1 一个向量到另一个向量的投影

假设的两个向量分别为,则的向量可以通过从作垂线得出:

其中就是所需要的投影,大小为:

1.2 一个向量到平面的投影

这就是例题中所要解决的问题,要得到到向量所张成的平面的投影,我们可以作如下操作。

平面取一组正交基;分别求得的投影,的投影,两者之和即为所求投影。

因此:

现在离成功只差了一步,就是如何得到值域正交的基:

2 施密特方法

如何将基变为正交的基,施密特给出了这样的思路:

(1)固定一个向量如,可以记作

(2)第二个向量作投影

(3)用减去投影得到

(4)用第三个向量张成的平面作投影

(5)用减去投影得到

总结下来就是作投影,然后用原向量减去投影得到垂向量这样的过程一直重复,我们现在用三维来带着大家走一遍:

假设

选择不变,将正交化得到

再将的垂线就得到

要求出只需要知道的投影:

然后根据可知:

从几何上可以看出,该投影向量是由上的投影向量和上的投影向量线性组合而成:

即:

所以:

上述过程可以总结如下:

这样得到的就是中三个两两的向量:

现在无解的方程,我们都可以求它的最佳近似解了。

3 解题

已知,求的最佳近似解

(1)先将施密特正交化:

得到:

(2)将投影到值域所在的空间内:

(3)解方程:

解得,即是方程的最佳近似解

我们还可以验证:若值域不进行施密特正交化,那么我们得不到正确的投影,现在我们可以来验证一下

通过正交知识,分别与做点积,会发现只有

可得:

因此才是所求的投影点

关注马同学
马同学高等数学
微信公众号:matongxue314