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点から平面へ垂線を下ろす〜直交射影の計算演習

から へ垂線を下ろした足が、直交射影です。 が 1 本のベクトル で張られているなら、式は 1 行で書けます[1]

が広がっても形は変わりません。直交する基底で同じ式を足すだけ。ただし基底が直交していないと、この足し算は通りません。

以下 11 問。直線への射影、平面への射影、射影行列、距離、最小二乗まで扱います。

2 つの向きから求める

そのものへ射影する道と、 の直交補空間へ射影して引く道があります。

平面のように が大きいときは、法線が 1 本で済む後者が速い。

どちらで求めても、 に入り、 に直交する、という 2 つを満たします[2]

問題 1

の、 方向への射影を求めてください。

なので係数は

軸への射影なので、 成分が落ちただけ。残りの と直交します。

問題 2

の、 方向への射影を求めてください。

。係数は です。

残りは 。内積が で、確かに直交します。

問題 3

の、平面 への射影を求めてください。

の法線は 。平面へ直接向かうより、法線方向を引くほうが速い。

問題 2 で が出ています。

なので、答えが平面の上に乗っていると確かめられます。

問題 4

への の射影を求めてください。

本の基底が直交していません。 なので、そのまま足す式は使えません。

法線を使います。 本の外積は です。

です。

確かめます。 で、 の元になっています。

問題 5

への射影行列を求めてください。

本のときは です[1]

に当てると 倍で、確かに の元です。

問題 6

問題 5 の を満たすことを確かめてください。

を計算します。

は対称なので も明らかです。

一度射影したものをもう一度射影しても動かない。これが の意味です。

問題 7

問題 5 の について、 が何への射影かを答えてください。

を計算します。

に当てると との内積が なので、 の直交補空間の元です。

で、和がもとに戻ります。 は直交補空間への射影です。

問題 8

から平面 までの距離を求めてください。

距離は 、つまり法線方向の成分の長さです。

問題 3 で が出ているので、距離は

点と平面の公式でも確かめられます。 で一致します。

問題 9

正規直交基底 が張る へ、 を射影してください。

基底が正規直交なので、内積を係数にして足すだけです[3]

残りは とも とも内積が になります。

問題 10

に対して、 を各基底へ射影して足すと何が起こるかを確かめてください。

への射影は への射影は 。足すと です。

ところが 全体なので、正しい射影は 自身の 。合いません。

基底が直交していないと、この足し算は成り立たない。先に直交化するか、法線を使う必要があります[1]

問題 11

に、最小二乗で直線 を当ててください。

係数行列と右辺を並べます。

正規方程式 を作ります。 の成分は 、右辺は

を解いて

残差は で、足すと から の列空間への射影になっているので、残差がその空間と直交します。

基底が直交している

内積を係数にして足すだけ。本数が増えても手順は同じ

直交していない

そのままでは足せない。直交化するか、法線から引く形にする

の基底が直交しているか見る

していれば内積で係数を出す

していなければ法線を使うか直交化する

まちがえやすい点

直交していない基底で、各方向の射影を足す。問題 10 のようにずれます。
で割るのを忘れる。 の長さが のときだけ省けます。
射影の残りを の元だと思う。残りは直交補空間の元です。
と読む。 が全体でない限り です。
距離を射影そのものの長さととり違える。距離は残りの長さです。
最小二乗で をそのまま解こうとする。解がないので、正規方程式に直します。

方向へ射影した結果はどれですか。

__RESULT__

なので係数は です。 になります。 で割らないと 、内積をとり違えると が出ます。

射影の性質も確かめます。

射影行列 について、 はどこに入りますか。

  • の中
  • の直交補空間
  • 原点だけ
__RESULT__

がすべての で成り立つ、というのが射影の定義そのものです。この残りの長さが、 から までの距離になります。

垂線を下ろす。それだけの操作ですが、基底が直交しているかどうかで手順が分かれます。直交していれば内積を並べるだけで、していなければ先に直交化するか法線に回ります。

参考文献

David Austin. *Orthogonal bases and projections*. Understanding Linear Algebra.
Sergei Treil. *Linear Algebra Done Wrong*, Chapter 5. Brown University.
Orthonormal basis. StatLect.
$\operatorname{proj}_w v = \frac{\langle v, w \rangle}{\|w\|^2}w$ が出発点です。$W$ が広がっても、基底が直交していれば同じ式を足すだけ。していなければ足し算が崩れるので、法線から引くか先に直交化します。11 問で、直線への射影、平面への射影、射影行列 $P = uu^{\mathsf{T}}/u^{\mathsf{T}}u$、$P^2 = P$ の確認、$I - P$ が直交補空間への射影になること、点と平面の距離、最小二乗で直線を当てる正規方程式までを追いました。直交していない基底で足すと答えがずれる例も入れています。