مصفوفة غرام
في الجبر الخطي ، مصفوفة غرام (أو مصفوفة غراميان ، غراميان ) للمتجهاتفي فضاء الضرب الداخلي، توجد مصفوفة هيرميتية للضربات الداخلية ، والتي تُعطى عناصرها بواسطة الضرب الداخلي.[ 1 ] إذا كانت المتجهاتهي أعمدة المصفوفةإذن، مصفوفة غرام هيفي الحالة العامة التي تكون فيها إحداثيات المتجه أعدادًا مركبة، والتي تتبسط إلىفي حالة كون إحداثيات المتجه أعدادًا حقيقية.
ومن التطبيقات المهمة حساب الاستقلال الخطي : مجموعة من المتجهات مستقلة خطيًا إذا وفقط إذا كان محدد غرام ( محدد مصفوفة غرام) غير صفري.
تم تسميته على اسم يورغن بيدرسن جرام .
أمثلة
بالنسبة للمتجهات الحقيقية ذات الأبعاد المحدودة فيباستخدام الضرب النقطي الإقليدي المعتاد ، تكون مصفوفة غرام هي، أينهي مصفوفة أعمدتها هي المتجهاتوهي منقولة المصفوفة التي تمثل صفوفها المتجهات.بالنسبة للمتجهات المعقدة في،، أينهو المنقول المترافق لـ.
بالنظر إلى الدوال القابلة للتكامل التربيعيفي الفترةمصفوفة غراميكون:
أينهو المرافق المعقد لـ.
لأي شكل ثنائي الخطيةفي فضاء متجهي محدود الأبعاد، وعلى أي حقل، يمكننا تعريف مصفوفة غراممرفق بمجموعة من المتجهاتبواسطةستكون المصفوفة متناظرة إذا كان الشكل الثنائي الخطيمتناظر.
التطبيقات
- في الهندسة الريمانية ، بالنظر إلى عنصر مضمنمشعب ريماني ذو أبعادومعاملةل، شكل الحجمعلىيمكن حساب الناتج عن التضمين باستخدام مصفوفة غرام لمتجهات المماس الإحداثية:هذا يعمم التكامل السطحي الكلاسيكي لسطح ذي معلماتل:
- إذا كانت المتجهات عبارة عن متغيرات عشوائية مركزية ، فإن مصفوفة غرام تتناسب تقريبًا مع مصفوفة التغاير ، ويتم تحديد المقياس من خلال عدد العناصر في المتجه.
- في الكيمياء الكمومية ، مصفوفة غرام لمجموعة من متجهات الأساس هي مصفوفة التداخل .
- في نظرية التحكم (أو بشكل أعم نظرية الأنظمة )، تحدد مصفوفة غرام للتحكم ومصفوفة غرام للملاحظة خصائص النظام الخطي.
- تنشأ مصفوفات غراميان في ملاءمة نموذج بنية التغاير (انظر على سبيل المثال، جامشيديان وبنتلر، 1993، القياس النفسي التطبيقي، المجلد 18، ص 79-94).
- في طريقة العناصر المحدودة ، تنشأ مصفوفة غرام من تقريب دالة من فضاء محدود الأبعاد؛ ثم تكون مدخلات مصفوفة غرام هي الضرب الداخلي لدوال الأساس للفضاء الفرعي محدود الأبعاد.
- في مجال تعلم الآلة ، غالباً ما تُمثَّل دوال النواة بمصفوفات غرام. [ 2 ] (انظر أيضاً تحليل المكونات الرئيسية باستخدام النواة )
- بما أن مصفوفة غرام على الأعداد الحقيقية مصفوفة متناظرة ، فهي قابلة للتقطير وقيمها الذاتية غير سالبة. التقطير لمصفوفة غرام هو تحليل القيم المفردة .
ملكيات
شبه التحديد الإيجابي
تكون مصفوفة غرام متناظرة في حالة كون الضرب الداخلي ذا قيمة حقيقية؛ وهي هيرميتية في الحالة العامة المعقدة بحسب تعريف الضرب الداخلي .
مصفوفة غرام موجبة شبه محددة ، وكل مصفوفة موجبة شبه محددة هي مصفوفة غرامية لمجموعة ما من المتجهات. ويمكن إثبات أن مصفوفة غرامية موجبة شبه محددة من خلال الاشتقاق البسيط التالي:
تنتج المساواة الأولى من تعريف ضرب المصفوفات، والثانية والثالثة من الخطية الثنائية للجداء الداخلي ، والأخيرة من إيجابية الجداء الداخلي. لاحظ أن هذا يُظهر أيضًا أن مصفوفة غراميان موجبة تمامًا إذا وفقط إذا كانت المتجهاتمستقلة خطيًا (أي،للجميع). [ 1 ]
إيجاد تمثيل متجهي
بفرض أي مصفوفة شبه موجبة محددةيمكن تحليلها على النحو التالي:
- ،
أينهو المنقول المترافق لـ(أو(في الحالة الحقيقية).
هناهوالمصفوفة، حيثهي رتبةتتضمن الطرق المختلفة للحصول على هذا التحليل حساب تحليل تشوليسكي أو أخذ الجذر التربيعي غير السالب لـ.
الأعمدةليمكن اعتبارها متجهات n في(أو الفضاء الإقليدي ذو الأبعاد k)(في الحالة الحقيقية). ثم
حيث الضرب النقطيالمنتج الداخلي المعتاد على.
وبالتالي فإن المصفوفة الهرميتيةتكون موجبة شبه محددة إذا وفقط إذا كانت مصفوفة غرام لبعض المتجهاتتُسمى هذه المتجهات بالتمثيل المتجهي لـ. النظير اللانهائي الأبعاد لهذا البيان هو نظرية ميرسر .
تفرد تمثيلات المتجهات
لوهي مصفوفة غرام للمتجهاتفيثم تطبيق أي دوران أو انعكاس لـأي تحويل متعامد ( أي أي تماثل إقليدي يحافظ على الصفر) لتسلسل المتجهات ينتج عنه نفس مصفوفة غرام. أي، لأيالمصفوفة المتعامدة، مصفوفة غرام لـوهو أيضًا.
هذه هي الطريقة الوحيدة التي يمكن من خلالها الحصول على تمثيلين متجهين حقيقيين لـقد تختلف: المتجهاتتكون فريدة حتى التحويلات المتعامدة . بعبارة أخرى، حاصل الضرب النقطيوتكون متساوية إذا وفقط إذا كان هناك تحويل جامد لـتحويل المتجهاتلو 0 إلى 0.
وينطبق الأمر نفسه في الحالة المعقدة، مع استخدام التحويلات الوحدوية بدلاً من التحويلات المتعامدة. أي، إذا كانت مصفوفة غرام للمتجهاتيساوي مصفوفة غرام للمتجهاتفيثم هناك وحدةمصفوفة(معنى) بحيثل[ 3 ]
خصائص أخرى
- لأن، من الضروري أنوالتنقل. أي مصفوفة غرام حقيقية أو معقدةوهي أيضًا مصفوفة عادية .
- مصفوفة غرام لأي أساس متعامد هي مصفوفة الوحدة. وعلى وجه الخصوص، فإن مصفوفة غرام لصفوف أو أعمدة مصفوفة دوران حقيقية هي مصفوفة الوحدة. وبالمثل، فإن مصفوفة غرام لصفوف أو أعمدة مصفوفة وحدوية هي مصفوفة الوحدة.
- رتبة مصفوفة غرام للمتجهات فيأويساوي بُعد الفضاء الذي تمتد عليه هذه المتجهات. [ 1 ]
محدد غرام
محدد غرام أو غراميان هو محدد مصفوفة غرام:
لوهي متجهات فيإذن، هو مربع حجم متوازي السطوح ذي الأبعاد n المُشكَّل من المتجهات. على وجه الخصوص، تكون المتجهات مستقلة خطيًا إذا وفقط إذا كان حجم متوازي السطوح غير صفري في الأبعاد n ، وإذا وفقط إذا كان محدد مصفوفة غرام غير صفري، وإذا وفقط إذا كانت مصفوفة غرام غير منفردة . عندما n > m، يكون كل من المحدد والحجم صفرًا. عندما n = m ، يختزل هذا إلى النظرية القياسية التي تنص على أن القيمة المطلقة لمحدد n متجهًا في الأبعاد n هي حجم متوازي السطوح في الأبعاد n . حجم المجسم البسيط المُشكَّل من المتجهات هو حجم متوازي السطوح / n !
متىمستقلة خطيًا، المسافة بين نقطةوالامتداد الخطي لـيكون.
لننظر في مسألة العزوم: معطى، ابحث عن متجهبحيثللجميعيوجد حل وحيد ذو معيار أدنى: [ 4 ] : 38يمكن أيضًا التعبير عن محدد غرام بدلالة الضرب الخارجي للمتجهات بواسطة
وبالتالي ، فإن محدد غرام يوفر حاصل ضرب داخلي للفضاء . إذا كان الأساس متعامدًا e i , i = 1, 2, ..., n على إذا تم إعطاء المتجهات
ستشكل أساسًا متعامدًا للأحجام ذات الأبعاد n على الفضاءثم مُحدِّد غراميُعادل ذلك نظرية فيثاغورس ذات الأبعاد n لحجم متوازي السطوح المُشكَّل بواسطة المتجهاتمن حيث توقعاتها على الأحجام الأساسية.
عندما تكون المتجهاتيتم تحديدها من مواقع النقاطنسبةً إلى نقطة مرجعية معينة،
عندئذٍ يمكن كتابة محدد غرام على أنه الفرق بين محددين لغرام،
حيث كلهي النقطة المقابلةبالإضافة إلى قيمة الإحداثيات 1 لـالبعد الأول. لاحظ أنه في الحالة الشائعة التي يكون فيها n = m ، فإن الحد الثاني على الجانب الأيمن سيكون صفرًا.
بناء أساس متعامد معياري
بالنظر إلى مجموعة من المتجهات المستقلة خطيًاباستخدام مصفوفة غراممحدد بواسطةحيث يكون الضرب الداخلي خطيًا مترافقًا في الوسيط الأول، يمكن للمرء إنشاء أساس متعامد معياري
في تدوين المصفوفات،، أينيحتوي على متجهات أساسية متعامدةوالمصفوفةيتكون من متجهات الأعمدة المعطاة.
المصفوفةمن المؤكد وجودها. في الواقع،هيرميتية، وبالتالي يمكن تحليلها إلىمعمصفوفة وحدوية ومصفوفة قطرية حقيقية. بالإضافة إلى ذلك،تكون المتغيرات مستقلة خطيًا إذا وفقط إذاهي موجبة تمامًا، مما يعني أن عناصر القطر الرئيسي لـإيجابي.وبالتالي، يتم تعريفها بشكل فريد بواسطةيمكن التحقق من أن هذه المتجهات الجديدة متعامدة:
حيث استخدمنا.
انظر أيضاً
مراجع
- 1 2 3 هورن وجونسون 2013 ، ص 441 ، ص 441، النظرية 7.2.10
- ↑ لانكريت، جي آر جي؛ كريستيانيني، ن.؛ بارتليت، ب.؛ غاوي، إل إي؛ جوردان، إم آي (2004). تعلم مصفوفة النواة باستخدام البرمجة شبه المحددة . مجلة أبحاث تعلم الآلة (تقرير). المجلد 5. الصفحات 27-72 [الصفحة 29].
- ↑ هورن وجونسون (2013) ، ص 452، النظرية 7.3.11
- ↑ رامون، غارسيا، ستيفان؛ جواد، مشرقي؛ ت.، روس، ويليام (30 يناير 2023). "نظرية المؤثرات بالأمثلة" . منشورات جامعة أكسفورد الأكاديمية . doi : 10.1093/oso/9780192863867.001.0001 .
{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
- هورن، روجر أ.؛ جونسون، تشارلز ر. (2013). تحليل المصفوفات ( الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 978-0-521-54823-6.
روابط خارجية
- "مصفوفة غرام" ، موسوعة الرياضيات ، دار نشر EMS ، 2001 [1994]
- مجلدات متوازيات الأضلاع لفرانك جونز
- نظرية النظم
- المصفوفات (الرياضيات)
- المحددات
- الهندسة التحليلية
- أساليب النواة للتعلم الآلي
