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内积空间 ​

内积空间在线性空间的基础上引入了几何结构:长度、角度、正交性。这些概念在 AI 中无处不在——注意力机制的相似度计算、LoRA 的低秩压缩、PCA 的主成分提取,都离不开内积与正交的思想。

1. 欧氏空间与内积 ​

1.1 什么是欧氏空间 ​

欧氏空间(Euclidean Space)通常指的是带有内积的实向量空间,最典型的例子是 Rn。

在欧氏空间中,我们可以定义:

  • 内积(inner product):衡量两个向量之间的"相关程度";
  • 范数(norm):衡量向量的"长度";
  • 夹角(angle):衡量两向量的方向关系;
  • 正交性(orthogonality):两向量互相垂直;
  • 正交基(orthogonal basis)与标准正交基(orthonormal basis)。

1.2 内积的定义 ​

内积是定义在向量空间 V 上的一个二元运算 ⟨⋅,⋅⟩:V×V→R,满足:

性质公式
对称性⟨u,v⟩=⟨v,u⟩
线性性(第一分量)⟨cu+w,v⟩=c⟨u,v⟩+⟨w,v⟩
正定性⟨v,v⟩≥0,且 ⟨v,v⟩=0⟺v=0

内积是抽象的。Rn 中最常用的是点积(dot product)⟨u,v⟩=u⊤v=∑iuivi,但也可以定义加权内积 ⟨u,v⟩A=u⊤Av(其中 A 正定)等各种形式。

1.3 范数与夹角 ​

由内积导出的**(欧氏)范数**:

∥v∥=⟨v,v⟩

两向量之间的夹角 θ:

cos⁡θ=⟨u,v⟩∥u∥⋅∥v∥

两向量正交(orthogonal):⟨u,v⟩=0(即 θ=90°)。

Cauchy-Schwarz 不等式:

|⟨u,v⟩|≤∥u∥⋅∥v∥

2. 正交基与标准正交基 ​

2.1 正交基 ​

向量组 {u1,u2,…,un} 是正交基(orthogonal basis),若:

  • 任意两个不同向量正交:⟨ui,uj⟩=0 对 i≠j;
  • 每个向量非零:ui≠0。

2.2 标准正交基 ​

在正交基的基础上,要求每个向量都是单位向量(长度为 1),即得到标准正交基(orthonormal basis):

⟨qi,qj⟩=δij={1i=j0i≠j

用矩阵表示:若 Q=[q1∣q2∣⋯∣qn],则 Q⊤Q=I。

2.3 正交基的优势 ​

  • 投影简单:向量 v 在 qi 方向的投影系数 ci=⟨v,qi⟩;
  • 坐标计算直接:v=∑i⟨v,qi⟩qi;
  • 数值稳定性好:避免了普通基的条件数问题。

3. Gram-Schmidt 正交化 ​

3.1 目的 ​

Gram-Schmidt 正交化(Gram-Schmidt Orthogonalization)的目的是:给定一组任意基 {v1,v2,…,vn},构造出一组等价的标准正交基 {q1,q2,…,qn}(张成同一个空间)。

3.2 算法过程 ​

第一步:取 v1,单位化:

u1=v1,q1=u1∥u1∥

第二步:从 v2 中减去在 q1 方向的分量(投影),再单位化:

u2=v2−⟨v2,q1⟩q1,q2=u2∥u2∥

第 k 步:从 vk 中减去在所有已有基向量方向上的投影:

uk=vk−∑j=1k−1⟨vk,qj⟩qj,qk=uk∥uk∥

直觉:每一步都是"去掉已有方向的成分,保留垂直方向的新信息"。

4. QR 分解 ​

4.1 定义 ​

设 A∈Rm×n(m≥n,列线性无关),则 A 可以分解为:

A=QR

其中:

  • Q∈Rm×n 的列是标准正交的(Q⊤Q=In);
  • R∈Rn×n 是上三角矩阵(且对角线元素为正)。

4.2 从 Gram-Schmidt 推导 QR ​

对 A=[a1∣a2∣⋯∣an] 施行 Gram-Schmidt,得到标准正交基 Q=[q1∣⋯∣qn]。

由于每个 aj 是 q1,…,qj 的线性组合,可以写出:

aj=∑i=1jrijqi=r1jq1+r2jq2+⋯+rjjqj

其中 rij=⟨aj,qi⟩(i<j),rjj=∥uj∥。用矩阵形式即得 A=QR,R 的 (i,j) 元素 rij=qi⊤aj(i≤j),i>j 时为 0。

4.3 为什么要用"标准正交"? ​

因为我们需要 Q⊤Q=I,从而:

A=QR⟹Q⊤A=Q⊤QR=IR=R

可以直接用 R=Q⊤A 快速求出 R。

若 Q 只是正交(列之间正交但长度 ≠1),则 Q⊤Q=D≠I(对角矩阵),需要额外处理对角缩放,计算更复杂,且数值稳定性更差。

4.4 QR 分解的应用 ​

应用说明
最小二乘A⊤Ax=A⊤b 化为 Rx=Q⊤b,后向代入即可
数值稳定比直接用 (A⊤A)−1 条件数更小
正交基提取Q 的列就是 A 的列空间的标准正交基

5. 正交矩阵 ​

5.1 定义 ​

方阵 Q∈Rn×n 是正交矩阵(orthogonal matrix),若:

Q⊤Q=QQ⊤=I

即 Q−1=Q⊤。正交矩阵的列(同时也是行)构成 Rn 的标准正交基。

5.2 正交矩阵的性质 ​

性质说明
det(Q)=±1保持(或翻转)有向体积
|Qx|=|x|保持向量长度(等距变换)
⟨Qu,Qv⟩=⟨u,v⟩保持内积(即保持夹角)
特征值模为 1实正交矩阵的特征值为 ±1 或共轭复数对 e±iθ

正交矩阵代表的变换是旋转(det=1)或旋转+反射(det=−1)。

6. 正交对角化 ​

6.1 从对角化到正交对角化 ​

在线性变换中,我们讨论了矩阵对角化 A=PDP−1,其中 P 是特征向量矩阵(不要求正交)。

正交对角化(Orthogonal Diagonalization)要求更强:P 不仅可逆,而且是正交矩阵(即 P−1=P⊤),从而:

A=QDQ⊤

其中 Q 是正交矩阵,D 是对角矩阵。

6.2 可正交对角化的条件 ​

谱定理(Spectral Theorem):实矩阵 A 可正交对角化,当且仅当 A 是对称矩阵(A⊤=A)。

对称矩阵的美好性质:

  • 特征值全为实数;
  • 不同特征值对应的特征向量两两正交;
  • 一定有 n 个线性无关的特征向量(可对角化)。

6.3 正交对角化算法 ​

  1. 验证 A=A⊤;
  2. 求特征多项式 det(λI−A)=0,解出特征值 λ1,…,λk(实数);
  3. 对每个特征值求特征子空间,在子空间内用 Gram-Schmidt 正交化得到正交特征向量;
  4. 将所有特征向量单位化,排成 Q;D=diag(λ1,…,λn);
  5. 验证 A=QDQ⊤。

7. 奇异值分解(SVD) ​

7.1 动机 ​

特征值分解要求方阵且(理想情况下)可对角化,但实际中的矩阵往往是长方形的(如数据矩阵 X∈Rm×n,m≠n)。奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)推广了特征值分解,适用于任意矩阵。

7.2 SVD 的定义 ​

任意矩阵 A∈Rm×n(m≥n)可以分解为:

A=UΣV⊤

其中:

  • U∈Rm×m:正交矩阵,列向量称为左奇异向量;
  • Σ∈Rm×n:对角形矩阵,对角线上是奇异值 σ1≥σ2≥⋯≥σr>0(r=rank(A)),其余位置为 0;
  • V∈Rn×n:正交矩阵,列向量称为右奇异向量。

7.3 SVD 与特征值的关系 ​

A⊤A=VΣ⊤U⊤UΣV⊤=V(Σ⊤Σ)V⊤AA⊤=UΣV⊤VΣ⊤U⊤=U(ΣΣ⊤)U⊤

即:V 的列是 A⊤A 的特征向量,U 的列是 AA⊤ 的特征向量,奇异值 σi=λi(A⊤A)。

7.4 低秩近似(Truncated SVD) ​

取前 k 个奇异值和对应的奇异向量:

A≈Ak=UkΣkVk⊤=∑i=1kσiuivi⊤

Ak 是所有秩不超过 k 的矩阵中,与 A 的 Frobenius 范数意义下最接近的矩阵(Eckart-Young 定理)。

7.5 SVD 的应用 ​

应用说明
PCA数据矩阵的右奇异向量即主成分方向;奇异值反映主成分的重要性
LoRA用低秩矩阵 BA 近似权重更新 ΔW,减少参数量
图像压缩保留前 k 个奇异值,压缩存储
推荐系统矩阵分解找出用户-物品的潜在因子
数值求解求矩阵的伪逆 A+=VΣ+U⊤

8. 二次型 ​

8.1 定义 ​

设 x∈Rn,A∈Rn×n 是对称矩阵(A⊤=A),形式:

Q(x)=x⊤Ax=∑i,jAijxixj

称为由 A 定义的二次型(quadratic form)。

8.2 二次型的规范化 ​

利用对称矩阵的正交对角化 A=QDQ⊤,令 y=Q⊤x(坐标变换),则:

Q(x)=x⊤QDQ⊤x=y⊤Dy=∑i=1nλiyi2

二次型在特征向量基下化为只含平方项的标准形。

8.3 二次型的符号 ​

二次型的符号由矩阵 A 的特征值决定:

A 的类型特征值条件Q(x) 的符号
正定(PD)所有 λi>0>0(x≠0)
正半定(PSD)所有 λi≥0≥0
负定(ND)所有 λi<0<0(x≠0)
不定(Indefinite)有正有负无确定符号

二次型的正定性在优化和统计中至关重要,详见正定与半正定矩阵。

在 AI 中的应用 ​

概念AI/ML 中的体现
内积注意力分数 score(Q,K)=QK⊤dk;余弦相似度
范数L2 正则化 |θ|2;梯度裁剪 |∇|
正交基数值稳定的权重初始化(正交初始化)
Gram-Schmidt正交化多头注意力的 Q,K 空间
QR 分解最小二乘回归的数值求解;线性层的正交正则化
SVD / 低秩近似LoRA:ΔW=BA;PCA 降维;模型压缩
二次型Loss 的 Hessian 分析;正则化项 x⊤Ax

以知识图谱方式组织 AI 学习路径。