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c# 线性代数克·施密特（Gram Schmidt）

news 来源：原创 2024/5/20 14:05:04

Gram-Schmidt 方法是一种用于将线性无关的向量集合转化为一组正交（垂直）的向量集合的数学技术。这个方法是在线性代数中常用的一种技术，用于处理向量空间中的正交化和标准化操作。Gram-Schmidt 方法的主要思想是，通过一系列的投影和减法操作，将原始向量集合转化为一个正交化的向量集合。

在 C# 中，Gram-Schmidt 方法可以通过以下步骤实现：

对于给定的向量集合，首先将每个向量进行标准化，即将每个向量除以其模长，使其成为单位向量。
从第一个向量开始，依次处理每个向量。对于每个后续的向量，都进行投影操作，将其投影到前面已经处理过的向量上并将投影部分减去，以确保正交性。
重复以上步骤直到处理完所有向量，最终得到一组正交化的向量集合。

通过 Gram-Schmidt 方法的正交化过程，我们可以获得一组正交向量，这些向量在线性空间中相互垂直，可以更好地描述和分析向量集合的性质。

在实际编程中，可以创建一个 Vector 类来表示向量，实现标准化、点积、投影等基本操作，并编写一个 GramSchmidt 方法来实现 Gram-Schmidt 正交化过程。这样就可以对给定的向量集合进行正交化处理，以便后续的线性代数运算和分析。

Gram-Schmidt 正交化方法的示例一：

using System;

class Program
{
static void Main()
{
double[][] vectors = {
new double[] {1, 1, 0},
new double[] {1, -1, 0},
new double[] {0, 0, 2}
};

double[][] orthogonalizedVectors = GramSchmidt(vectors);

Console.WriteLine("Orthogonalized Vectors:");
foreach (var vector in orthogonalizedVectors)
{
Console.WriteLine(string.Join(", ", vector));
}
}

static double DotProduct(double[] v1, double[] v2)
{
double result = 0;
for (int i = 0; i < v1.Length; i++)
{
result += v1[i] * v2[i];
}
return result;
}

static double[] Subtract(double[] v1, double[] v2)
{
double[] result = new double[v1.Length];
for (int i = 0; i < v1.Length; i++)
{
result[i] = v1[i] - v2[i];
}
return result;
}

static double[] Normalize(double[] vector)
{
double magnitude = Math.Sqrt(DotProduct(vector, vector));
double[] normalized = new double[vector.Length];
for (int i = 0; i < vector.Length; i++)
{
normalized[i] = vector[i] / magnitude;
}
return normalized;
}

static double[][] GramSchmidt(double[][] vectors)
{
int n = vectors.Length;
int m = vectors[0].Length;
double[][] u = new double[n][];
double[][] e = new double[n][];

for (int i = 0; i < n; i++)
{
u[i] = new double[m];
e[i] = new double[m];
Array.Copy(vectors[i], u[i], m);
for (int j = 0; j < i; j++)
{
double projection = DotProduct(vectors[i], e[j]);
for (int k = 0; k < m; k++)
{
u[i][k] -= projection * e[j][k];
}
}
e[i] = Normalize(u[i]);
}

return e;
}
}

Gram-Schmidt 正交化方法示例二：

using System;
using System.Collections.Generic;

class Vector
{
public double[] Components { get; set; }

public Vector(params double[] components)
{
Components = components;
}

public double Magnitude()
{
double sum = 0;
foreach (var component in Components)
{
sum += Math.Pow(component, 2);
}
return Math.Sqrt(sum);
}

public Vector Normalize()
{
double magnitude = Magnitude();
double[] normalizedComponents = new double[Components.Length];
for (int i = 0; i < Components.Length; i++)
{
normalizedComponents[i] = Components[i] / magnitude;
}
return new Vector(normalizedComponents);
}

public static double DotProduct(Vector v1, Vector v2)
{
double result = 0;
for (int i = 0; i < v1.Components.Length; i++)
{
result += v1.Components[i] * v2.Components[i];
}
return result;
}

public static Vector Subtract(Vector v1, Vector v2)
{
double[] resultComponents = new double[v1.Components.Length];
for (int i = 0; i < v1.Components.Length; i++)
{
resultComponents[i] = v1.Components[i] - v2.Components[i];
}
return new Vector(resultComponents);
}
}

class Program
{
static void Main()
{
Vector[] vectors = {
new Vector(1, 1, 0),
new Vector(1, -1, 0),
new Vector(0, 0, 2)
};

List<Vector> orthogonalizedVectors = new List<Vector>();

foreach (var vector in vectors)
{
Vector orthogonalizedVector = vector;
foreach (var existingVector in orthogonalizedVectors)
{
Vector projection = Vector.Normalize(existingVector) * Vector.DotProduct(vector, existingVector);
orthogonalizedVector = Vector.Subtract(orthogonalizedVector, projection);
}
orthogonalizedVectors.Add(Vector.Normalize(orthogonalizedVector));
}

Console.WriteLine("Orthogonalized Vectors:");
foreach (var vector in orthogonalizedVectors)
{
Console.WriteLine(string.Join(", ", vector.Components));
}
}
}