투영행렬

투영

  • 하나의 벡터를 다른 벡터로 옮겨서 표현

투영을 공부 하는 이유

  • overdetermined case에서 근접한 해를 구하는 것이 목표
  • 근접한 해를 구하기 위해 b를 A의 column space에서 가장 근접(=거리짧은)한 벡터로 치환(=투영)하여 문제 해결

1. 2D-Vector Projection(2차원 벡터 투영)

두 벡터 a와 b를 나타내고 있다

A 투영(Projection, P)

  • 초록색 백터, $$p=xa$$
    • 스케일 상수 x를 찾는 것이 목표
  • 벡터 b를 a에 투영시켰을 때 그 점이 벡터 a의 어느 지점에 위치할 것인가
    • 즉, 벡터 a라는 1차원 공간의 어느 점이 벡터 b가 가리키는, 즉 벡터 b의 화살표 끝점과 가장 가까운지를 찾는 것이다.
  • 벡터 b의 끝점에서 벡터 a의 수직(perpendicular) 방향으로 선을 그렸을 때 만나는 점

p는 다시 $$ ||b||\cos\theta$$로 표기 가능

p는 $$ A^TB 로도 표현?? $$

B 오차(Error, E)

  • 보라색 백터, ($$e = b-p$$)
  • 투영의 대상이 되는 벡터인 a와 직교(orthogonal)

C 투영시 스케일 상수 x 구하기

알고있는 점 1 : 벡터 a와 e가 수직(perpendicular)

  • $$ a^T(b-xa) = 0 $$, $$ xa = p \rightarrow b-p = e(error)$$
  • 백터 a와 백터 e의 내적 표현
  • 수직이기 때문에 값은 0

1.1 Projection matrix(투영행렬) of n-dimensional vectors

A 사전 정보

$$ p = ax, x = \frac{a^Tb}{a^Ta} $$

$$ p = a\frac{a^Tb}{a^Ta} $$

위 식에서 알수 있는 점

  • b가 두배로 늘어 나면, p도 두배로 늘어남
  • a가 두배로 늘어 나면, p는 영향을 안 받음

B 표기법

b를 a로 투영시키는 투영행렬(projection matrix, P)

$$ (2.1 사전 정보 식에서) p= a\frac{a^Tb}{a^Ta} \rightarrow \frac{aa^T}{a^Ta}b

$$

분수식 앞의 a를 분자로 끌어올리고 b를 따로 떼어서 표기

소문자 p는 투영된 벡터이고 대문자 P는 투영 행렬

1.2 투영행렬 속성

  • 투영 행렬의 rank는 1
  • 대칭 행렬(symmetric matrix)
  • P의 제곱은 P와 같다

2. N-Dimensional Vector Projection (N차원 벡터 투영)

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