[線代] T為W的垂直投影則I-T在W^perp也是

看板Math作者 (QQ)時間2年前 (2021/06/18 19:05), 2年前編輯推噓6(6020)
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想請問一下Friedberg書中的習題: -------------------------------------------------------------------- Let W be a finite-dimensional subspace of an inner product space V. Show that if T is the orthogonal projection on W, then I-T is the orthogonal projection on W^perp -------------------------------------------------------------------- 我這邊完全採用Friedberg的定義下去做, 結果證明的過程不需要dim(W)<infinity 但是以我看這本書的經驗, 他幾乎沒有過給多餘條件的情況...所以才懷疑我證錯 下面我會給他的定義以及我的證明, 再請各位板友幫忙, 謝謝! P.S. 我猜測他給dim(W)<infinity是為了垂直投影的存在性 但是就他題目敘述的邏輯, 他存在性已經用假設的了, 那就根本不需要對W做假設 ========================================================================= 【定義】(R(T)是Range of T, N(T)是Null space of T) Let V be an inner product space over F = R or C Then (1) we say a linear transformation T: V→V is a projection if there exists subspaces W_1, W_2 s.t. V=W_1⊕W_2 and for any x = x_1 + x_2 with x_1€W_1 and x_2€W_2, we have T(x) = x_1 Moreover, we say T is a projection on W_1 (2) we say a projection T: V→V is an orthogonal projection if R(T)^perp = N(T) and N(T)^perp = R(T) 【性質】(用不到這個, 只是wiki跟書上都說是等價的也好證所以列一下) Let V be an inner product space over F = R or C and T: V→V be a linear transformation Then T is a projection <=> T^2 = T !!注意到以上這些完全不用對V跟W做任何維度假設!! 【想證】 Let V be an inner product space over F = R or C and W be a subspace of V (不需要finite-dimensional) if T is the orthogonal projection on W then I-T is the orthogonal projection on W^perp pf: Since T is the orthogonal projection on W, we have (1) V = W⊕W_2 and for any x with x = x_1 + x_2, x_1€W, x_2€W_2 we have T(x) = x_1 (2) R(T)^perp = N(T) and N(T)^perp = R(T) (3) From (1), (2) we have R(T) = W, N(T) = W_2 and W^perp = W_2 and W_2^perp = W (其實這裡就能證出一個性質:(W^perp)^perp = W, 不過這裡用不到) Now consider U := I-T Then (a) U(x) = (I-T)(x) = x - x_1 = x_2€W_2 (b) R(U) = {(I-T)(x)} = {x-x_1} = {x_2} = W_2 (c) N(U) = {x│U(x)=0} = {x│x_2 = 0} = W (d) R(U)^perp = W_2^perp = W = N(U) (e) N(U)^perp = W^perp = W_2 = R(U) Hence from (a)~(e), we know U is an orthogonal projection on W^perp, 證畢 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 123.110.132.77 (臺灣) ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Math/M.1624014345.A.B81.html ※ 編輯: znmkhxrw (123.110.132.77 臺灣), 06/18/2021 19:06:18

06/18 20:03, 2年前 , 1F
你的 (d) 用到取兩次垂直補集變自己 所以需要 W
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06/18 20:03, 2年前 , 2F
是 closed 的
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06/18 20:03, 2年前 , 3F
如果 W 是有限維 這自動會成立
06/18 20:03, 3F

06/18 20:04, 2年前 , 4F
所以至少可以把條件放鬆成 W 是 closed 的
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06/18 20:13, 2年前 , 5F
但我也不確定 closed 是不是最 sharp 的條件
06/18 20:13, 5F

06/18 20:13, 2年前 , 6F
不知道存不存在不是 closed 但存在 orthogonal
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06/18 20:13, 2年前 , 7F
projection 投影至其上的子空間
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就是(d)不需要耶, 因為T是orthpgonal projection, 所以我們已經有W^perp = W_2 and W_2^perp = W, 不用用到雙補集就是自己 反而還可以推出雙補集就是自己 ※ 編輯: znmkhxrw (114.137.248.158 臺灣), 06/18/2021 20:47:57

06/18 20:57, 2年前 , 8F
你Range是close subspace 但你的W不是阿,他不會一
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06/18 20:57, 2年前 , 9F
06/18 20:57, 9F

06/18 20:59, 2年前 , 10F
阿基本上你要討論perp的時候就要考慮V是Hilbert
06/18 20:59, 10F
你意思是若T是orthogonal projection on W, 不一定會有W=R(T) ?? ※ 編輯: znmkhxrw (114.137.248.158 臺灣), 06/18/2021 21:04:23

06/18 21:07, 2年前 , 11F
因為你推出雙補集是自己 所以W一定是closed的
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06/18 21:08, 2年前 , 12F
任何子集的垂直補集都是 closed 的
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06/18 21:09, 2年前 , 13F
所以當你從題目的條件推得 W 的雙補集是自己
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06/18 21:09, 2年前 , 14F
就告訴你說 只有閉集可以滿足題目的條件
06/18 21:09, 14F
你這四句話我都認同, 可是跟原題好像不太一樣, 我是要問 "在只有假設W只是子空間的情況下, 若T是W上的垂直投影, 是否能推得I-T是在W^perp上 的垂直投影" 我的論證是可以的, 並且還可以推導出(W^perp)^perp=W 但是有鑑於閱讀這本書的經驗, 他都不會多給多餘的條件, 所以才問問看是否真的不用對 W做假設, either finite dimension or closed ※ 編輯: znmkhxrw (114.137.248.158 臺灣), 06/18/2021 21:15:24

06/18 21:12, 2年前 , 15F
V=l^2, W考慮有限位子非0 大概都是這個反例(顯示為
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06/18 21:12, 2年前 , 16F
沒算
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06/18 21:12, 2年前 , 17F
所以題目就算把W放的多鬆也沒差 因為滿足正交投影
06/18 21:12, 17F
對對對, 我就是證明這個結論才會覺得W的假設根本不需要, 也才猜說書只是為了正交投 影的存在性 但是今天他的敘事邏輯是把存在性做假設了, 那自然不需要對W做假設

06/18 21:12, 2年前 , 18F
條件的集合一定是 closed 的
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06/18 21:12, 2年前 , 19F
但我猜R(P_W)應該是0
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06/18 21:13, 2年前 , 20F
樓上 你的V不會有正交投影
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※ 編輯: znmkhxrw (114.137.248.158 臺灣), 06/18/2021 21:17:58

06/18 21:22, 2年前 , 21F
哦哦那T存在就強迫W是closed這件事情沒錯
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06/18 21:23, 2年前 , 22F
我原本以為你可以允許W包含於R(P)
06/18 21:23, 22F
我就是想到有廣義定義的可能性才把我討論的字彙的定義都打出來 所以確實在這樣的定 義下根本不需要對W做限制就有 "若T是W上的垂直投影 則I-T是在W^perp上的垂直投影" 了吧!? ※ 編輯: znmkhxrw (114.137.248.158 臺灣), 06/18/2021 21:28:03

06/18 21:30, 2年前 , 23F
對 因為你這裡的垂直投影這個條件很強 基本上一
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06/18 21:30, 2年前 , 24F
寫出來就直接說明了
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了解~所以在friedberg的敘述邏輯下他對於dim(W)的假設是多餘的沒錯 謝啦! ※ 編輯: znmkhxrw (114.137.248.158 臺灣), 06/18/2021 21:43:13

看要不要寄信給作者啊?嘿嘿
真懷念 "欸乾 我怎麼沒用到條件" 已經是學生時代了QQ 06/19 10:18

06/19 16:19, 2年前 , 26F
我認為作者是希望讀者練習操作W的基底來計算W^perp
06/19 16:19, 26F
可是完全不需要知道W^perp長相 XDDD ※ 編輯: znmkhxrw (42.73.206.52 臺灣), 06/20/2021 03:52:00
文章代碼(AID): #1Wp7u9k1 (Math)