플랫 사이의 각도

Angles between flats

평면 내의 과 두 개의 선, 두 개의 평면 또는 선과 공간의 평면 사이의 각도개념은 임의의 차원으로 일반화될 수 있다.이 일반화는 요르단이 먼저 논의한 것이다.[1]임의 치수의 유클리드 공간에 있는 어떤 한 쌍의 평면에 대해서는 유클리드 공간의 등축적 변환 하에서 불변하는 일련의 상호 각도를 정의할 수 있다.만약 평지가 교차하지 않는다면, 그들의 최단 거리는 한 번 더 불변한다.[1]이러한 각도를 표준[2] 또는 주각이라고 한다.[3]각도의 개념은 복잡한 숫자에 걸쳐 유한 차원 내부 제품 공간에 있는 플랫 쌍으로 일반화될 수 있다.

요르단의 정의

G 을(를) n -차원 유클리드 공간 E k 의 평면으로 한다 정의에 F F 또는 G의 번역은 안 된다.상호 각도를 바꾸다 이(가) 교차하지 않으면 의 어느 을 F 의 어느 지점에 매핑하는 G G을(를) 변환할 때 의 일반성을 잃지 않고 가정할 수 있다 교차.

Jordan shows that Cartesian coordinates in can then be defined such that and are described, respectively, by the sets of equations

그리고

< < / , i= 1,… , 조던은 이러한 좌표를 표준 좌표라고 부른다.정의상 각도는 G 사이의 각도

음이 아닌 정수 , , , 은(는) 에 의해 제약을 받는다.

이러한 방정식이 5개의 음이 아닌 정수를 완전히 결정하려면 치수 k, , ℓ {\ 각도 {\을 제외하고음이 아닌 정수 을 제공해야 한다.이는 좌표수 이며 해당 축은 으로 F G 에 놓여 있는 좌표수 입니다 따라서 의 치수인 것이다 각도의 집합 i .은(는) \ 0{\으로 보완하여 F may cap G) 해당 치수를 가지고 있음을 나타낼 수 있다.

복잡한 숫자에 걸쳐 (를 n {\ -차원 공간 C n{\\n}}}}로 교체할 때 조던의 증거는 본질적으로 변경되지 않고 적용된다. (하위 영역 는 C \}{{{{{n \data.아래의 변이성 특성화 측면에서 갈라타이(Galántai)와 헤게드(Heeddes)에 의해 논의된다.)[4][1]

서브 스페이스 사이의 각도

이제 을(를) 실제 또는 복잡한 숫자에 걸쳐 차원 내부 제품 공간의 하위 스페이스로 두십시오.기하학적으로 이(가) 평판이기 때문에 조던의 상호 각도에 대한 정의가 적용된다.When for any canonical coordinate the symbol denotes the unit vector of the axis, the vectors form an orthonormal basis for and the vectors form an orthonormal basis for , where

표준 좌표와 관련이 있으므로 이러한 기본 벡터를 표준 좌표라고 할 수 있다.

When denote the canonical basic vectors for and the canonical basic vectors for then the inner product 은(는) 다음 항목을 제외한 j 쌍에 대해 사라진다.

위의 기본 벡터 순서에 따라 제품 , b 행렬은 따라서 대각선이다.In other words, if and are arbitrary orthonormal bases in and then the real, orthogonal or unitary transformations from the basis to the basis and from the basis to the basis realize a singular value decomposition of the matrix of inner products 대각 행렬 요소 는 후자 행렬의 단수 값이다.단수 값 분해의 고유성에 의해 y i 는 그들 사이의 실제 직교 또는 단일 변환까지 고유하며, w i }} )는 {\의 공통 값과 연관된 벡터 집합에 동시에 적용되는 최대 실제, 직교 또는 단일 변환과 상응하는 벡터 집합에 대해 고유함 따라서 해당 의 집합에 해당함.

단수 1 은(는) 에서 하고 F G 과(와) 관련된 각도 에 해당하는 0 {\displaystyle \으로 해석할 수 , 단수 0 \\cos\cosescosale \cosylease \cosed \cosed \cosed \cosaleption \coset \cope직교 공간 (와) F G{\G} 사이의 직교 공간 사이의 직각에 해당하는 여기서 위첨자{{\은 직교 보어를 의미한다.

가변 특성화

단수 값과 벡터의 변동 특성화는 서브 스페이스와 연관된 표준 벡터 사이의 각도의 변동 특성화를 특별한 경우로 암시한다.이 특성화는 위에서 소개한 각도 0/ 2}을를) 포함하고 값을 증가시켜 각도를 정렬한다.그것은 아래의 대안적 정의의 형태를 부여할 수 있다.이런 맥락에서 주각과 벡터를 말하는 것이 관례다.[3]

정의

을(를) 내부 제품 공간으로 두십시오. U , W {\ (가 조광dim = ({\mathcal {W})=, there exists then a sequence of angles called the principal angles, the first one defined as

여기서 \,\ }은 내부 제품이며 product inducedinduced 유도 규범이다.벡터 1 }가 해당벡터다.

그런 다음 다른 주요 각도와 벡터는 다음 절차를 통해 재귀적으로 정의된다.

즉, 주각, …, k) 이 두 서브스페이스 사이에 최소화된 각도의 집합을 형성하며, 각 서브스페이스의 주 벡터는 서로 직교한다.

기하학적 예

기하학적으로 서브스페이스는 원점을 포함하는 플랫(점, 선, 평면 등)이므로 적어도 원점에서 두 개의 서브스페이스가 교차한다.2차원 서브 스페이스 {W은(는) 두 각도의 세트를 생성한다.3차원 유클리드 공간에서 서브 스페이스 (와) 이(가) 동일하거나 교차점이 선을 형성한다.전자의 경우 1= 2= .후자의 경우 1= 0 만 벡터 1 }:{ 및 w 1}{1 w_의 선에 있고 방향이 같다그 각도는 subspaces 사이에 U{\displaystyle{{U\mathcal}}}와 W{\displaystyle{{W\mathcal}}}U∩ W{\displaystyle{{U\mathcal}}\cap{{W\mathcal}}에 직교 보체에}. 두 평면 사이의 3D,의 각도를 상상해 2>0{\displaystyle \theta_{2}>. 0}일 경우가 될 것이다 각도 θ.한직관적으로 가장 큰 각도인 , > 을 생각한다

대수적 예

4-dimensional 실제 좌표 공간 R에서}}u1컵(1,0,0,0){\displaystyle u_{1}(1,0,0,0)에 의해 이어 갈}그리고 넌 2)(0,1,0,0){\displaystyle u_{2}(0,1,0,0)}, 2차원 부분 공간 W{\displaystyle{\mathcal게 2차원 부분 공간 U{\displaystyle{{U\mathcal}자.은(는) =( 1, a)/ + 로 확장한다. =( , 0)/ + }}}}}어떤 진짜가{\displaystyle}과 b{\displaystyle b}과 함께를<>b{\displaystyle<>b}. 그리고 u 1{\displaystyle u_{1}}과 w 1{\displaystyle w_{1}}은 사실, 그 한쌍의 주요 요인에 해당하는 각도 θ 1{\displaystyle \theta_{1}}.재치h ()= / 1+ {1} }} 및 2 }} 2)= / + .

To construct a pair of subspaces with any given set of angles in a (or larger) dimensional Euclidean space, take a subspace with an orthonormal basis and complete it to an orthonormal basis of the Euclidean space, where . Then, an orthonormal basis of the other subspace is, e.g.,

기본 속성

  • 가장 큰 각도가 0이면 하나의 하위공간은 다른 하위공간이다.
  • 가장 큰 각도가 / 인 경우 다른 하위 공간에 수직인 한 하위 공간에 적어도 하나의 벡터가 있다.
  • 가장 작은 각도가 0일 경우, 하위공간은 최소한 선에서 교차한다.
  • 가장 작은 / 2 인 경우 서브스페이스는 직교한다.
  • 0과 같은 각도의 수는 두 개의 서브스페이스가 교차하는 공간의 치수다.

고급 속성

  • 두 서브스페이스 사이의 비 티비얼(비티비얼(non-trivial) ( 0 / 2 [5] 각도는 직교 보완물 사이의 비 티비얼 각도와 동일하다.[6][7]
  • Non-trivial angles between the subspaces and and the corresponding non-trivial angles between the subspaces and sum up to .[6][7]
  • 서브 스페이스 사이의 각도는 주요화 측면에서 삼각형의 불평등을 만족시키므로, 세트를 미터법으로 바꾸는 모든 서브 스페이스 집합의 거리를 정의하는 데 사용할 수 있다.[8]
  • 서브 스페이스 사이의 각도의 사인(signal)은 주요화 측면에서 삼각 불평등을 만족시키므로 세트를 미터법으로 변환하는 모든 서브 스페이스 집합의 거리를 정의하는 데 사용할 수 있다.[6]예를 들어, 가장 큰 각도의 사인(Sine)을 서브 스페이스 사이의 간격이라고 한다.[9]

확장

각도와 일부 변동 속성의 개념은 자연스럽게 임의의 내부 제품[10] 무한한 차원을 가진 서브스페이스로 확장될 수 있다.[7]

연산

역사적으로 주각과 벡터는 먼저 표준 상관관계의 맥락에서 나타나며, 원래 해당 공분산 행렬의 SVD를 사용하여 계산되었다.그러나,[3] 처음에서 알 수 있듯이 정관상 상관관계는 원각의 코사인(cosine)과 관계가 있어, 작은 각도에 대해서는 조건이 좋지 않아 유한정밀 컴퓨터 산술에서 고도로 상관된 주 벡터의 계산이 매우 부정확하게 된다.사인 기반 알고리즘은[3] 이 문제를 해결하지만, 사인 함수는 π/2에 가까운 각도에 대해 조건이 맞지 않기 때문에 매우 부정확한 주요 벡터 계산의 새로운 문제를 야기한다.컴퓨터 산술의 중요한 각도의 전체 범위에 대한 정확한 주요한 벡터를 얻기 위해서는, 결합 technique[10]첫번째 컴퓨팅 모두 주요한 각도와 벡터가 고전cosine-based 접근법을 사용한 다음 주요한 각도 π/4보다 작고 상응하는 주요한 벡터가sine-based 접근 사용하는지 확인합니다.[3]이 결합 기법은[10] 오픈소스 도서관 옥타브[11] SciPy에서[12] 구현되며, MATLAB에 기여한다[14].

참고 항목

참조

  1. ^ a b c Jordan, C. (1875). "Essai sur la géométrie à dimensions". Bull. Soc. Math. France. 3: 103.
  2. ^ Afriat, S. N. (1957). "Orthogonal and oblique projectors and the characterization of pairs of vector spaces". Math. Proc. Cambridge Philos. Soc. 53 (4): 800. doi:10.1017/S0305004100032916.
  3. ^ a b c d e Björck, Å.; Golub, G. H. (1973). "Numerical Methods for Computing Angles Between Linear Subspaces". Math. Comp. 27 (123): 579. doi:10.2307/2005662. JSTOR 2005662.
  4. ^ Galántai, A.; Hegedũs, Cs. J. (2006). "Jordan's principal angles in complex vector spaces". Numer. Linear Algebra Appl. 13 (7): 589–598. CiteSeerX 10.1.1.329.7525. doi:10.1002/nla.491.
  5. ^ Halmos, P.R. (1969), "Two subspaces", Trans. Amer. Math. Soc., 144: 381–389, doi:10.1090/S0002-9947-1969-0251519-5
  6. ^ a b c Knyazev, A.V.; Argentati, M.E. (2006), "Majorization for Changes in Angles Between Subspaces, Ritz Values, and Graph Laplacian Spectra", SIAM J. Matrix Anal. Appl., 29 (1): 15–32, CiteSeerX 10.1.1.331.9770, doi:10.1137/060649070, S2CID 16987402
  7. ^ a b c Knyazev, A.V.; Jujunashvili, A.; Argentati, M.E. (2010), "Angles between infinite dimensional subspaces with applications to the Rayleigh–Ritz and alternating projectors methods", Journal of Functional Analysis, 259 (6): 1323–1345, arXiv:0705.1023, doi:10.1016/j.jfa.2010.05.018, S2CID 5570062
  8. ^ Qiu, L.; Zhang, Y.; Li, C.-K. (2005), "Unitarily invariant metrics on the Grassmann space" (PDF), SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications, 27 (2): 507–531, doi:10.1137/040607605
  9. ^ Kato, D.T. (1996), Perturbation Theory for Linear Operators, Springer, New York
  10. ^ a b c Knyazev, A.V.; Argentati, M.E. (2002), "Principal Angles between Subspaces in an A-Based Scalar Product: Algorithms and Perturbation Estimates", SIAM Journal on Scientific Computing, 23 (6): 2009–2041, CiteSeerX 10.1.1.73.2914, doi:10.1137/S1064827500377332
  11. ^ 옥타브 함수 하위 공간
  12. ^ SciPy 선형-알지브라 함수 하위공간_angles
  13. ^ MATLAB FileExchange 함수 하위 공간
  14. ^ MATLAB FileExchange 함수 하위공간