尽管《机器学习数学基础》这本书,耗费了比较长的时间和精力,怎奈学识有限,错误难免。因此,除了在专门的网页( 勘误和修订 )中发布勘误和修订内容之外,对于重大错误,我还会以专题的形式发布,并做出更多的相关解释。
更欢迎有识之士、广大读者朋友,指出其中的错误。非常感谢大家的帮助。
在《机器学习数学基础》第29页到第30页,推导过渡矩阵和坐标变换的时候,原文有一些错误。下面将推导过程重新编写如下,并且增加一些更详细的说明。此说明没有写入原文,是为了协助理解这段推导而作。
针对性的修改,请参阅:勘误与修订
设 { α 1 , ⋯ , α n } \{\pmb{\alpha}_1, \cdots, \pmb{\alpha}_n\} {α1,⋯,αn}( α i \pmb{\alpha}_i αi 表示列向量) 是某个向量空间的一个基,则该空间中一个向量 O A → \overrightarrow{OA} OA 可以描述为:
O
A
→
=
x
1
α
1
+
⋯
+
x
n
α
n
(1.3.4)
\overrightarrow{OA} = x_1\pmb{\alpha}_1 + \cdots + x_n\pmb{\alpha}_n\tag{1.3.4}
OA=x1α1+⋯+xnαn(1.3.4)
其中的
(
x
1
,
⋯
,
x
n
)
(x_1, \cdots, x_n)
(x1,⋯,xn) 即为向量
O
A
→
\overrightarrow{OA}
OA 在基
{
α
1
,
⋯
,
α
n
}
\{\pmb{\alpha}_1, \cdots, \pmb{\alpha}_n\}
{α1,⋯,αn} 的坐标。
如果有另外一个基 { β 1 , ⋯ , β n } \{\pmb{\beta}_1, \cdots, \pmb{\beta}_n\} {β1,⋯,βn}( β i \pmb{\beta}_i βi 表示列向量),向量 O A → \overrightarrow{OA} OA 又描述为:
O
A
→
=
x
1
′
β
1
+
⋯
+
x
n
′
β
n
(1.3.5)
\overrightarrow{OA} = x_1'\pmb{\beta}_1 + \cdots + x_n'\pmb{\beta}_n\tag{1.3.5}
OA=x1′β1+⋯+xn′βn(1.3.5)
那么,同一个向量空间的这两个基有没有关系呢?有。不要忘记,基是一个向量组,例如基
{
β
1
,
⋯
,
β
n
}
\{\pmb{\beta}_1, \cdots, \pmb{\beta}_n\}
{β1,⋯,βn} 中的每个向量也在此向量空间,所以可以用基
{
α
1
,
⋯
,
α
n
}
\{\pmb{\alpha}_1, \cdots, \pmb{\alpha}_n\}
{α1,⋯,αn} 线性表出,即:
{
β
1
=
b
11
α
1
+
⋯
+
b
n
1
α
n
⋮
β
n
=
b
1
n
α
1
+
⋯
+
b
n
n
α
n
\begin{cases}\begin{split}\pmb{\beta}_1 &= b_{11}\pmb{\alpha}_1 + \cdots + b_{n1}\pmb{\alpha}_n \\ \vdots \\\pmb{\beta}_n &= b_{1n}\pmb{\alpha}_1 + \cdots + b_{nn}\pmb{\alpha}_n \end{split}\end{cases}
⎩
⎨
⎧β1⋮βn=b11α1+⋯+bn1αn=b1nα1+⋯+bnnαn
以矩阵(这里提前使用了矩阵的概念,是因为本书已经在前言中声明,不假定读者完全没有学过高等数学。关于矩阵的更详细内容,请参阅第2章)的方式,可以表示为:
[
β
1
⋯
β
n
]
=
[
α
1
⋯
α
n
]
[
b
11
⋯
b
1
n
⋮
b
n
1
⋯
b
n
n
]
(1.3.6)
\begin{equation} \begin{split} \begin{bmatrix}\pmb{\beta}_1&\cdots&\pmb{\beta}_n\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\pmb{\alpha}_1&\cdots&\pmb{\alpha}_n\end{bmatrix}\begin{bmatrix}b_{11} & \cdots & b_{1n}\\\vdots\\b_{n1} & \cdots &b_{nn}\end{bmatrix} \end{split} \end{equation}\tag{1.3.6}
[β1⋯βn]=[α1⋯αn]
b11⋮bn1⋯⋯b1nbnn
(1.3.6)
其中:
P
=
[
b
11
⋯
b
1
n
⋮
b
n
1
⋯
b
n
n
]
\pmb P = \begin{bmatrix}b_{11} & \cdots & b_{1n}\\\vdots\\b_{n1} & \cdots &b_{nn}\end{bmatrix}
P=
b11⋮bn1⋯⋯b1nbnn
称为基
{
α
1
,
⋯
,
α
n
}
\{\pmb{\alpha}_1, \cdots, \pmb{\alpha}_n\}
{α1,⋯,αn} 向基
{
β
1
,
⋯
,
β
n
}
\{\pmb{\beta}_1, \cdots, \pmb{\beta}_n\}
{β1,⋯,βn} 的过渡矩阵。显然,过渡矩阵实现了一个基向另一个基的变换。
定义 在同一个向量空间,由基 { α 1 ⋯ α n } \{\pmb{\alpha}_1\quad\cdots\quad\pmb{\alpha}_n\} {α1⋯αn} 向基 { β 1 ⋯ β n } \{\pmb{\beta}_1\quad\cdots\quad\pmb{\beta}_n\} {β1⋯βn} 的过渡矩阵是 P \pmb{P} P ,则:
[ β 1 ⋯ β n ] = [ α 1 ⋯ α n ] P [\pmb{\beta}_1\quad\cdots\quad\pmb{\beta}_n] = [\pmb{\alpha}_1\quad\cdots\quad\pmb{\alpha}_n]\pmb P [β1⋯βn]=[α1⋯αn]P
根据(1.3.5)式,可得:
x
1
′
β
1
+
⋯
+
x
n
′
β
n
=
x
1
′
b
11
α
1
+
⋯
+
x
1
′
b
n
1
α
n
+
⋯
+
x
n
′
b
1
n
α
1
+
⋯
+
x
n
′
b
n
n
α
n
=
(
x
1
′
b
11
+
⋯
+
x
n
′
b
1
n
)
α
1
+
⋯
+
(
x
1
′
b
n
1
+
⋯
+
x
n
′
b
n
n
)
α
n
\begin{split}x_1'\pmb{\beta}_1 + \cdots + x_n'\pmb{\beta}_n &= x_1'b_{11}\pmb{\alpha}_1 + \cdots + x_1'b_{n1}\pmb{\alpha}_n \\ & \quad + \cdots \\ & \quad + x_n'b_{1n}\pmb{\alpha}_1 + \cdots + x_n'b_{nn}\pmb{\alpha}_n \\ &=(x_1'b_{11}+ \cdots + x_n'b_{1n})\pmb{\alpha}_1 \\ & \quad + \cdots \\ &\quad+(x_1'b_{n1} + \cdots + x_n'b_{nn})\pmb{\alpha}_n\end{split}
x1′β1+⋯+xn′βn=x1′b11α1+⋯+x1′bn1αn+⋯+xn′b1nα1+⋯+xn′bnnαn=(x1′b11+⋯+xn′b1n)α1+⋯+(x1′bn1+⋯+xn′bnn)αn
(1.3.4)式 和(1.3.5)式描述的是同一个向量,所以:
{
x
1
=
x
1
′
b
11
+
⋯
+
x
n
′
b
1
n
⋮
x
n
=
x
1
′
b
n
1
+
⋯
+
x
n
′
b
n
n
\begin{cases}\begin{split}x_1 &= x_1'b_{11} + \cdots + x_n'b_{1n}\\&\vdots\\x_n &= x_1'b_{n1} + \cdots + x_n'b_{nn}\end{split}\end{cases}
⎩
⎨
⎧x1xn=x1′b11+⋯+xn′b1n⋮=x1′bn1+⋯+xn′bnn
如果写成矩阵形式,即:
[
x
1
⋮
x
n
]
=
[
b
11
⋯
b
1
n
⋮
b
n
1
⋯
b
n
n
]
[
x
1
′
⋮
x
n
′
]
(1.3.7)
\begin{bmatrix}x_1\\\vdots\\x_n\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}b_{11} & \cdots & b_{1n}\\\vdots\\b_{n1} & \cdots &b_{nn}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1'\\\vdots\\x_n'\end{bmatrix}\tag{1.3.7}
x1⋮xn
=
b11⋮bn1⋯⋯b1nbnn
x1′⋮xn′
(1.3.7)
表示了在同一个向量空间中,向量在不同基下的坐标之间的变换关系,我们称为坐标变换公式。
定义 在某个向量空间中,由基 { α 1 ⋯ α n } \{\pmb{\alpha}_1\quad\cdots\quad\pmb{\alpha}_n\} {α1⋯αn} 向基 { β 1 ⋯ β n } \{\pmb{\beta}_1\quad\cdots\quad\pmb{\beta}_n\} {β1⋯βn} 的过渡矩阵是 P \pmb{P} P 。某向量在基 { α 1 ⋯ α n } \{\pmb{\alpha}_1\quad\cdots\quad\pmb{\alpha}_n\} {α1⋯αn} 的坐标是 x = [ x 1 ⋮ x n ] \pmb{x}=\begin{bmatrix}x_1\\\vdots\\x_n\end{bmatrix} x= x1⋮xn ,在基 { β 1 ⋯ β n } \{\pmb{\beta}_1\quad\cdots\quad\pmb{\beta}_n\} {β1⋯βn} 的坐标是 x ′ = [ x 1 ′ ⋮ x n ′ ] \pmb x'=\begin{bmatrix}x_1'\\\vdots \\x_n'\end{bmatrix} x′= x1′⋮xn′ ,这两组坐标之间的关系是:
x = P x ′ \pmb x = \pmb P \pmb x' x=Px′
《机器学习数学基础》第29页到第30页的错误,是我讲授《机器学习数学基础》的课程时发现的。现在深刻体会到:教,然后知不足。教学相长,认真地研究教学,也是自我提升。