的维度设置
对于 矩阵 ,方程 迫使 且 。这是在讨论可解性之前使用的起始框架。
Khan Academy · YouTube · 15:32
这段 180 秒的白板片段通过研究 何时无解来建立最小二乘法的动机。它首先确定 矩阵的维度,然后将方程重写为 的各列的线性组合。由此,它将不相容性识别为陈述 ,并用列空间的平面和其外的向量在几何上加以说明。最后几秒通过引入候选 转向近似,但在提供的片段内未完成确切的标准。 这段 180 秒的白板片段为不相容线性系统 Ax=b 的最小二乘近似提供了动机。它从 b 不在列空间 中的几何事实开始,因此不存在精确解。讲师随后通过最小化距离 ||b - Ax*|| 来定义 x*,观察到 Ax* = v 必须位于 中,将残差 b - v 展开为分量,并将长度的平方重写为误差平方和。这种代数形式直接解释了术语“最小二乘估计”、“最小二乘解”或“最小二乘近似”。 这段 180 秒的白板片段阐述了当 Ax=b 不相容时最小二乘解的几何意义。它首先用最小化 ||b - A x^*|| 的目标取代精确可解性,然后利用子空间中最接近的向量是正交投影这一事实,通过 A x^* = proj_{} b 来表征解。演讲者指出直接计算投影矩阵很繁琐,因此片段最后从两边减去 b,为更简单的推导做好准备。 这段 180 秒的白板片段从几何和代数角度解释了最小二乘法。从不可解的系统 Ax=b 开始,它定义 x* 使得 Ax* 是列空间 中离 b 最近的点,将 Ax* 识别为 proj_{} b,并使用垂直残差表明 位于 中。然后它调用 ,乘以 ,并推导出正规方程 * = 。 这段 180 秒的白板片段回顾了不相容线性系统 Ax=b 的最小二乘问题。它首先重述了最小二乘解 x^* 的定义,即使 ||b - A x^*|| 最小的向量,然后将该最小化与将 b 投影到列空间 的几何联系起来。在指出直接计算投影很繁琐之后,片段引入了标准的代数捷径:用 左乘原始方程以获得正规方程 。演讲者强调这个新方程总有解,且其解是所需的最小二乘解,而不是原始不相容系统的精确解。 这段 32 秒的片段是关于不一致线性系统 Ax=b 的最小二乘方法的白板风格总结。演讲者解释说,如果能求解显示的矩阵-向量方程,那么通过最小化 b 和 A x^* 之间的误差,就已经为求解 Ax=b 做了最好的尝试。黑板将三个核心观点联系在一起:最小化 ||b - A x^*||,将 A x^* 识别为 proj_{} b,以及从正交条件 (b - A x^*) = 0 推导法方程 ^* = 。在最后几秒,相机缩小以显示更大的概念图,包括 Ax=b 的列组合形式、将 b 投影到平面 的几何图像,以及子空间恒等式 。演讲者最后说,材料仍然有点抽象,但在下一个视频中会变得明显有用。
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依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。
课程通过在黑板上写下一个一般矩阵方程开始:,其中 指定为 矩阵。说话者立即使用维度兼容性正确放置未知数:因为 有 列, 必须位于 中,并且因为乘积有 行, 必须位于 中。这确立了整个讨论的背景。
接下来,说话者添加了一个重要的假设:假设该系统无解。该陈述被明确写为“ 无解”。目的不是求解系统,而是理解可解性失败在结构上意味着什么。
为了揭示该结构,矩阵 用其列 重写,并乘以分量向量 。黑板随后显示等价的线性组合形式 。这一步将抽象的矩阵方程转化为关于 的各列权重的具体陈述。
有了该重构,说话者解释了无解的假设:没有选择 的各列的权重能产生 。等价地, 的各列没有线性组合等于 。片段随后通过写出 不在列空间 中来在几何上命名这一点。
代数主张随后被可视化。画出一个紫色平面状区域并标记为 ,代表 的各列的所有线性组合的集合。标记了一个原点,并从原点开始画出一条标记为 的青色箭头,指向该平面外。这幅图使前一句话变得直观:如果 位于列空间之外,那么它不能被任何列的组合达到。
在确立精确可解性失败后,说话者将其与停在那里的旧习惯进行对比:构造增广矩阵,行化简,遇到诸如 的矛盾,并得出结论无事可做。课程转而询问是否可以通过找到接近解的东西来做得更好。
这个问题直接引出了一个新符号 ,它与部分短语“其中 ”一起写在左下角。在此提供的片段中, 的预期角色在动机层面是清楚的:它被引入作为与近似解相关的候选。然而,它应该满足的确切条件在片段结束前被截断。
黑板以一个不相容的线性系统开场。我们有 ,其中 且 ,讲师已经写下 无解。在左侧,同一方程以两种等价方式展开:作为矩阵乘以列向量,[ ... ][ ... ]^,以及作为列的线性组合, + ... + 。在右侧,标记为 的紫色平面代表列空间,而标记为 b 的青色箭头指向该平面之外。关键点是,精确可解性要求 b 可以表示为 A 的列的组合,但图片明确说明 b 不在 中。
从失败的精确解出发,讲座转向近似。演讲者说,当他谈到“接近”时,他指的是长度上的接近。因此,他通过要求 A x* 尽可能接近 b 来引入 x*,并将目标写为 minimize ||b - A x*||。从数学上讲,这将问题从“精确求解 ”改为“选择 x* 使得残差向量 b - A x* 具有最小的欧几里得范数”。
为了使几何更清晰,讲师重命名了候选输出向量。他说 A x 始终是列空间的成员,因为用 A 乘以 中的任意向量会形成 A 的列的线性组合。他写下 * 并将 v 放置在平面 内。因此,优化不再抽象:在所有位于 中的向量 v 中,我们想要最接近外部点 b 的那个。不变约束是 ;被减少的量是从 b 到 v 的距离。
接下来,残差以坐标形式写出。由于 *,向量 b - A x* 变为 b - v。讲师将其展开为列向量 [, , ..., ]^T。这一步表明,单一的几何距离 ||b - v|| 是由目标向量 b 与所选列空间向量 v 之间的所有坐标不匹配构成的。
讲座随后对残差范数进行平方。他陈述 [, ..., ]^T 的长度平方是 ()^ + ... + ()^2。这是关键的代数重构:最小化欧几里得距离由最小化显式的误差平方和来表示。这里平方的原因不是为了改变几何目标,而是为了暴露出将为该方法命名的加性二次结构。
最后,术语被附加到构造上。因为被最小化的量是残差的平方和,讲师称 x* 为 的最小二乘估计,也将其称为最小二乘解或最小二乘近似。片段结束时,概念链完全可见:b 在 之外阻止了精确解;选择 x* 使得 A x* = v 在 中最接近 b;并且最近距离条件在代数上表示为最小化分量误差的平方和。
板从不相容系统开始:Ax=b 无解。课程没有就此止步,而是引入了最小二乘目标:找到 x^* 使得 A x^* 尽可能接近 b。
这种接近程度通过最小化 ||b - A x^*|| 来表示。从几何上看,A x^* 必须位于列空间 中,因为 A 乘以任何向量都会产生 A 的列向量的线性组合。
演讲者随后回忆了一个一般的几何事实:在子空间的所有向量中,离外部向量最近的那个是该外部向量到子空间的正交投影。
将该事实应用于子空间 和外部向量 b,得到了最小二乘解的关键特征:A x^* = proj_{} b。这个方程被写在板上并框出。
然而,演讲者指出,使用显式投影公式 在计算上仍然很困难,因此课程寻找一条更简单的路径。
为了开始这个更简单的推导,从框出方程的两边减去 b,产生 A x^* - b = proj_{} b - b,这将问题重构为残差形式,并为下一个论证做好准备。
黑板以近似系统背景打开:显示了矩阵方程 [ ... ][ ... ]^,以及目标是求最小二乘法的注释。演讲者将 x* 框架化为使 Ax* 尽可能接近 b 的选择,目标被写为最小化 ||b-Ax*||,并展开为分量差的平方和。
在中心,一个几何图像支持代数。标记为 的紫色平面代表列空间。向量 b 画在该平面之外,而黄色向量 Ax* 位于其内。演讲者将 Ax* 识别为 b 到 的正交投影,明确指出最小二乘拟合是列空间中的最近点。
然后讲解聚焦于 b 与其投影之间的误差向量。利用黑板右侧,演讲者写下 ,并指出一旦使用投影恒等式,这与 proj_{} b - b 相同。关键主张是这个差垂直于平面 ,因此它属于 。
接下来,视频将几何正交条件转化为标准矩阵恒等式。黑板陈述 ,演讲者称 为 A 的左零空间。由此,残差条件被重写为 。
一旦已知残差位于左零空间中,演讲者应用该零空间的定义性质:将其乘以 得到零向量。这产生了 。
最后,表达式通过分配律展开为 ,这是本片段中推导出的正规方程形式。片段以这个代数条件结束,将原始的投影几何与用于计算最小二乘解的实际线性系统联系起来。
片段开始时是一个密集的最小二乘主题黑板总结。可见的关系包括 ||b - A x^*|| 的最小化陈述、投影恒等式 A x^* = proj_{} b、涉及 (Ax^*-b) 的正交关系以及正规方程 ^* = 。演讲者正在完成一个代数简化,使正规方程形式留在黑板上。
解释随后退回到问题的起源。系统 是不相容的,因此没有精确解。与其解决那个不可能的方程,目标是选择一个向量 x^*,使 A x^* 尽可能接近 b。这通过最小化残差范数 ||b - A x^*|| 来表达。“最小二乘”这一术语的理由是最小化残差的长度等价于最小化分量差的平方和。
接下来,视频给出了解释。在列空间 的所有向量中,离 b 最近的是 b 到 的正交投影。因此,最优像 A x^* 必须满足 A x^* = proj_{} b。如果 中的某个 x^* 产生该投影向量,那么该 x^* 就是最小二乘解。
演讲者随后指出,直接计算投影在概念上清晰但在代数上繁琐。一条更简单的路线是转换原始的不相容方程。从 开始,两边左乘 。这给出 ,即正规方程。
最后,片段强调了这一新方程的逻辑地位。它的解不是原始系统 的精确解。相反,正规方程保证有解,且该解正是开头所寻求的最小二乘解 x^*。
片段开始于一个密集的手写板,中心是关于线性系统 Ax=b 的最小二乘问题。演讲者首先指出正在讨论的方程中对象的结构差异:一边是矩阵,另一边是向量。这建立了实际主张,即如果我们能求解这个显示的方程,那么我们就为近似原始系统的解做了最好的工作。
黑板通过最小化陈述 minimize ||b - A x^*|| 使这种“最好的工作”精确化。用文字来说,选择 x^* 使得 A x^* 尽可能接近 b。然后演讲者直接陈述结果:我们最小化了误差,我们获得 A x^*,并且 A x^* 和 b 之间的差异尽可能小。这正是黑板标记为最小二乘解的内容。
除了最小化表述外,黑板还提出了一个等价的几何恒等式:A x^* = proj_{} b。也就是说,最小二乘解的像不是任意的;它是 b 在 A 的列空间上的正交投影。黑板还以几种兼容的形式记录了残差条件,包括 A x^* - 和 (b - A x^*) = 0。从这个正交条件出发,显示的代数将问题重写为框出的法方程 ^* = 。
在最后几秒,相机缩小以揭示更广泛的概念布局。在左侧,Ax=b 被重写为列组合问题,,澄清了解系统意味着询问 b 是否位于 A 的列的张成空间中。在中间,几何草图显示了 b,它在代表 的平面上的投影,以及垂直残差方向。在右侧,黑板陈述 ,将残差的正交补描述与 A 转置的零空间联系起来。在这个全板视图上,演讲者评论说这个话题在这个片段中仍然感觉很抽象,但承诺下一个视频将展示为什么这个想法非常有用。
对于 矩阵 ,方程 迫使 且 。这是在讨论可解性之前使用的起始框架。
按列写出 将 变为 。因此,求解系统意味着询问 是否能由 的各列形成。
片段陈述如果 无解,那么 的各列没有线性组合等于 。用列空间的语言来说,这正是断言 不在 中。
标记为 的平面状区域代表 的各列的所有可达线性组合。在该区域外画出 可视化了为什么方程不能精确求解。
课程没有止步于“无解”,而是转向寻找一个接近目标的向量 。引入了符号 ,但确切的定义条件在此片段内未完成。
片段始于方程 ,其中 A 是 ,,。黑板陈述由于 b 不在列空间 中,因此无解。同一方程被重写为 + ... + ,表明精确解需要 b 是 A 的列的线性组合。
由于精确相等是不可能的,讲师通过使 A x* 尽可能接近 b 来定义 x*。“接近”使用向量长度进行精确定义,因此问题变为最小化残差 b - A x* 的范数。
演讲者引入 * 并指出任何乘积 A x 都是 A 的列的线性组合,因此属于 。从几何上看,最小二乘问题是选择在平面 中最接近外部向量 b 的向量 v。
一旦代入 *,残差 b - A x* 就被重写为 b - v 并按分量展开。这将误差显示为 b 与所选列空间向量 v 之间的坐标差向量。
讲师随后对残差范数进行平方。残差向量的欧几里得长度平方等于分量误差的平方和。这种代数形式激发了该方法的名称。
因为目标函数是残差的平方和,x* 被称为 的最小二乘估计,也是最小二乘解或最小二乘近似。该术语指的是最小化 b 与 中最佳可达向量 A x* 之间的总平方误差。
当 Ax=b 没有精确解时,视频通过寻找 x^* 使得 A x^* 尽可能接近 b 来定义最小二乘方法。这被形式化为最小化残差范数 ||b - A x^*||。
对于子空间外的向量,子空间内最近的点是它的正交投影。在本课中,相关的子空间是列空间 。
结合最小化目标和投影原则,得出了片段的核心方程:最小二乘解满足 A x^* = proj_{} b。
演讲者指出,通过 计算投影在实践中很困难,这促使人们采用不同的推导路线。
为了寻找更简单的方法,通过从两边减去 b 来重写框出的方程,给出了一种残差形式,为课程的下一步做好准备。
片段通过要求 Ax* 尽可能接近 b 来定义最小二乘解 x*。在黑板上,这通过最小化 ||b-Ax*|| 表达,并在视觉上通过列空间平面 表达。重要的一点是,x* 不被呈现为 Ax=b 的精确解,而是作为产生 A 的值域内最佳近似的系数向量。
课程的核心几何内容是框出的恒等式 A x* = proj_{} b。这表明 x* 的最小二乘像正是 b 到列空间的正交投影。图表通过将 Ax* 放在平面 内而将 b 放在其外来强化这一点。
因为 Ax* 是 b 到 的投影,所以从 b 到 Ax* 的差向量垂直于整个列空间。黑板将其记录为 。这是从几何图像到后续代数推导的桥梁。
演讲者随后使用基本子空间恒等式 ,将 命名为 A 的左零空间。这将正交性陈述转化为残差的零空间隶属陈述。
从 ,乘以 得到零。展开乘积得到片段末尾所示形式的正规方程。这是几何论证的主要代数成果。
对于不相容系统 ,最小二乘解 x^* 被定义为使残差大小 ||b - A x^*|| 最小的向量。该名称来源于等价地最小化分量误差的平方和。
列空间 内对 b 的最佳逼近是 b 到 的正交投影。因此,最小二乘条件可以写为 A x^* = proj_{} b。
计算最小二乘解的一种实用方法是用 左乘原始方程 ,产生 。求解此系统得到最小二乘解 x^*。
按知识点查看条件、步骤和证据。补充解释与视频直接内容分别标明。
说话者说:“假设我有一个矩阵 A。”
左上角写有黄色手写的 。
A
一个 矩阵,其列用于构成线性组合。
说话者说:“我有方程 Ax 等于 b”,随后又说“x 必须是 Rk 的成员”。
黄色手写的 出现在 中,旁边写有 。
矩阵方程 中的未知向量。
说话者说:“Ax 等于 b”以及“b 是 Rn 的成员”。
黄色手写的 出现在 中,旁边写有 。
方程 中的右侧向量。
The speaker says, "it's an n by k matrix" 且 explains that has entries because there are columns.
黄色手写的 位于 下方。
n, k
的维度: 行和 列。
正整数
说话者说:“如果我这样写 A,A1,A2……一直到 Ak”,并将它们称为列向量。
初始方程下方写有粉色手写的括号表达式 。
,,,
的列向量,索引从 到 。
每个 是 的一列;因此
说话者说:“乘以 x1,x2 一直到 xk。”
粉色手写的列向量 写在 的列展开式旁边。
,,,
未知向量 的标量分量,用作 各列的权重。
for
说话者说:“b 不在 A 的列空间中。”
黄色手写文字陈述“ 不在 中”。
的列空间,即 的所有列的线性组合构成的集合。
的子空间
说话者说:“我现在想找到某个 x star,使得 A 乘以 x star 是……”
左下角出现黄色手写的 ,后面跟着“其中 ”。
之后的句子和显示的条件在完成之前被截断。
当 没有精确解时,为更好的近似解引入的候选向量。
Intended to lie in by analogy with , but the clip does not explicitly restate the domain
矩阵 A 出现在 中,并被描述为 。
演讲者提到将向量乘以矩阵 A 会得到其列空间中的一个成员。
A
一个 矩阵,其列张成 。
矩阵
写在 旁边。
演讲者说 中的任意向量乘以矩阵 A 都会得到列空间中的一个成员。
x
中的未知向量。
写在 旁边。
演讲者反复提到使 Ax* 尽可能接近 b。
b
中的目标向量,在此设定下通常位于 之外。
x* 在“x* 使得 Ax* 尽可能接近 b”这一行中被引入。
演讲者通过最小化 ||b - Ax*|| 来定义 x*。
x^*
选择的向量,使得 Ax* 是 中离 b 最近的点。
The speaker introduces a matrix that is by 且 the equation , then states the dimensions of 且 .
黄色手写的 、、、 和 出现在黑板顶部。
片段始于写成 的一般线性系统,其中 是一个 矩阵。维度兼容性迫使 有 个分量且 有 个分量,因此 且 。
有 行和 列
The product is defined only when has entries
结果向量有 个分量,与 匹配
说话者将 展开为其列向量并乘以 的分量,称这是同一方程的重写。
写有粉色手写的 ,随后是 。
方程 通过用其列表示 来重写。将列展开的矩阵乘以分量向量得到 的各列的加权和,表明求解 等价于寻找能将 表示为 的各列的线性组合的权重。
denotes the th column of
denotes the th component of
该等价性使用了矩阵-向量乘法的标准列解释
说话者说没有解,然后解释说这意味着没有任何一组 的列向量的权重能得到 ,等价地,没有线性组合等于 ,最后说 不在 的列空间中。
青色手写文字写着“ 无解”;黄色手写文字写着“ 不在 中”。
当 无解时,向量 不能获得为 的各列的任何线性组合。片段在几何上将其命名为 不在列空间 中。
是 的各列的所有线性组合的集合
该等价性是针对正在讨论的特定系统陈述的
黑板上写着“No solution to Ax = b”并展示了等价的列组合方程。
标记为 b 的青色箭头指向标记为 的紫色平面之外,并有文字“b is not in the ”。
本段从精确线性系统 Ax=b 无解的情况开始,因为 b 不属于 A 的列空间。视频将 Ax 既表示为矩阵乘积,又表示为 A 的列的线性组合,明确指出可解性要求 b 位于 中。
A 是
在动机图中 b ∉
演讲者写下“minimize ||b - Ax*||”。
他说,“当我说接近时,我指的是长度”,并且“我想最小化 b 减去 Ax* 的长度”。
向量 Ax* 在 内被标识为 v,而 b 仍在平面之外。
最小二乘思想是通过几何方式引入的:选择 x* 使得 Ax*(视为列空间中的一个点 v)尽可能接近 b。接近程度由向量长度衡量,因此问题变为最小化残差 b - Ax* 的范数。
Ax* 必须位于 中
距离由欧几里得长度衡量
演讲者说,“Ax 将是我的列空间的一个成员”,并重复任何 Ax 都在列空间中。
他在图上写下 v = Ax*。
向量 v 放置在标记为 的紫色平面内。
视频利用恒等式 v = Ax* 将优化转化为在 内的几何搜索。因为 Ax 始终是 A 的列的线性组合,候选输出向量必须保持在列空间中,任务是相对于 b 挑选最好的这样的向量。
A 是
黑板将范数展开为向量 [, , ..., ]^T。
演讲者说取每个元素之间的差。
一旦引入 v = Ax*,残差 b - Ax* 就被重写为 b - v,然后显示为分量差的向量。这明确表明所最小化的距离取决于 b 与所选列空间向量 v 之间的所有坐标不匹配。
b,
黑板显示 ||[, ..., ]^T||^ + ... + ()^2。
演讲者说,“这个长度的平方仅仅是...”,并列出平方项。
讲座将长度的几何最小化转化为平方和的代数最小化。通过对残差范数进行平方,目标函数变为关于分量误差的显式二次表达式,这激发了术语“最小二乘”。
在 上使用标准欧几里得范数
演讲者说,“我想在这里得到最小二乘估计”,并解释这就是为什么它被称为最小二乘估计。
黑板添加了标签“least squares”指向 x*。
在推导出残差平方和形式后,视频将对象 x* 命名为最小二乘估计,也称其为 Ax=b 的最小二乘解或最小二乘近似。该术语直接与最小化分量误差的平方和相关联。
最小化是在 Ax* ∈ 近似 b 上进行
板上陈述“No solution to Ax=b”并引入 x^*,使 A x^* 尽可能接近 b。
演讲者说这个方程无解,但也许我们可以找到某个 x^*,使得 A 乘以 x^* 尽可能接近 b。
当精确线性系统 Ax=b 不相容时,视频定义了一种最小二乘方法:选择 x^* 使得 A x^* 位于 A 的列空间中,并且尽可能接近 b。
Ax=b 没有精确解
A x^* 必须位于 中
板上写有“minimize ||b - A x^*||”。
演讲者说他们希望让这个向量尽可能接近 b。
最小二乘问题被表述为最小化 b 与 A x^* 之差的范数。
b 是固定的
x^* 是被选择的变量
演讲者说对于不在子空间中的向量,该子空间中最接近的向量是投影。
板后来写有 A x^* = proj_{} b。
对于子空间外的向量,该子空间内最近的点是它在该子空间上的正交投影。在本课中,子空间是 。
被视为子空间
b 不在 中
说话者陈述了描述同一种情况的三种等价方式:列上没有权重能达到 ,没有线性组合等于 ,以及 不在 的列空间中。
黑板显示了展开的线性组合方程和陈述“ 不在 中”。
对于系统 ,无解等价于说 不是 的各列的线性组合,等价于 。
是一个 矩阵
且
表示 的列空间
For the given matrix 且 vector , the absence of any satisfying is equivalent to .
黑板明确陈述“b is not in the ”。
青色向量 b 画在紫色平面 之外。
口头解释继续基于 Ax=b 无解的前提。
在所示设定中,因为 b 不在列空间 中,方程 Ax=b 无解。
A 是
b ∉
对于此示例设定中显示的 A, x 和 b。
演讲者说,“任何 Ax 将在你的列空间中”并重复该陈述。
他写下 v = Ax* 并将 v 放在 内。
对于任意 ,向量 Ax 是列空间 的成员。
A 是
对于 中的所有 x。
目标函数写为 minimize ||b - Ax*||。
演讲者说他希望 Ax* 尽可能接近 b,并将 Ax* 识别为 中的 v。
选择 x* 以最小化 ||b - Ax*|| 等价于在 中选择离 b 最近的向量 v = Ax*。
A 是
距离由欧几里得范数衡量
对于不相容系统设定中的给定 A 和 b。
黑板显示平方范数与分量差平方和之间的相等关系。
演讲者口头推导相同的表达式作为长度的平方。
对于 b,,||b-v||^ + ... + ()^2。
b,
标准欧几里得范数
对于所有分量索引 ,...,n。
演讲者陈述说,子空间中离 b 最近的向量是 b 到列空间的投影。
图表显示 b 在平面 之外,并将平面内的最近点确定为投影。
如果 b 不在子空间中,那么该子空间内离 b 最近的向量是 b 到该子空间的正交投影。
存在一个子空间,这里是
b 是不在该子空间中的向量
对于给定的向量 b 和给定的子空间 。
板上写有并框出 A x^* = proj_{} b。
演讲者说 Ax 需要等于 b 在我的列空间上的投影。
最小二乘解 x^* 的特征在于 A x^* = proj_{} b。
Ax=b 没有精确解
x^* 被选择以最小化 ||b - A x^*||
对于与不相容系统 Ax=b 相关的最小二乘解 x^*。
演讲者说 Ax* 尽可能接近 b,并将此与到子空间的投影联系起来。
左侧面板:其中 Ax* 尽可能接近 b。
对于最小二乘问题,Ax* 是 中离 b 最近的向量。
x* 是 Ax=b 的最小二乘解。
距离由欧几里得范数度量。
对于给定的矩阵 A 和向量 b
演讲者说如果我取 b 的投影……减去 b,我将得到这个向量……这里的这个向量是正交的。
和 。
如果 ,那么 与 正交。
投影是到 的正交投影。
对于 中的所有向量
。
演讲者直接陈述了这个恒等式。
。
A 是实矩阵。
对于讨论中的矩阵 A
然后是 。
演讲者说这个乘以 A 转置必须等于零,然后进行简化。
如果 ,那么 。
x* 是最小二乘解。
属于 A 的左零空间。
对于最小二乘解 x*
演讲者说:“这个方程总是有解,而这个就是我们要找的最小二乘解。”
屏幕上引用的方程是 ^* = 。
视频陈述了可解性,但在本片段中未证明。
方程 总有解,且该解是原始不相容系统的最小二乘解。
原始系统是 。
讨论的方程是正规方程 。
对于本课段中讨论的矩阵 A 和向量 b。
说话者说:“让我们展开 A”,写出列,乘以 的分量,并陈述结果是同一个方程。
黑板显示 ,然后是 。
从原始矩阵方程开始。
视频中给出的设置。
将 显式写为其列向量。
由其列定义的矩阵。
以分量形式写出未知向量。
中向量的标准坐标表示。
将 的列形式和 的分量形式代入方程。
代入原始方程。
将矩阵-向量乘积计算为对应的列的加权和。
矩阵-向量乘法的列解释。
系统 正是 的各列的某个线性组合等于 的陈述。
黑板从 minimize ||b - Ax*|| 进展到 v = Ax*,然后到残差向量,最后到平方项之和。
演讲者叙述每一步:接近意味着长度,Ax* 在 中,取分量差,然后平方并求和。
从使 Ax* 尽可能接近 b 的目标开始。
演讲者直接陈述,通过长度定义“接近”。
将候选输出向量重命名为 v,并注意它位于列空间中。
演讲者说 Ax 是列空间的成员,并写下 v = Ax*。
将残差重写为分量差的向量。
演讲者明确取 b 和 v 的每个元素之间的差。
对残差范数进行平方以获得误差平方和。
演讲者陈述长度的平方是分量差平方的和。
将最小化选择 x* 命名为最小二乘估计。
演讲者说这就是为什么该量被称为最小二乘估计、解或近似。
最小二乘问题被激发动机为最小化 b 与 中最佳可用向量 Ax* 之间的分量残差平方和。
黑板显示 [ ... ][ ... ]^ 和 + ... + 。
演讲者解释 Ax 是用 A 的列乘以 中的向量。
使用 A 的列和 x 的条目写出 Ax。
作为展开的矩阵方程显示在黑板上。
将乘积解释为 A 的列的线性组合。
演讲者解释乘以 A 会用系数 组合其列。
精确求解 Ax=b 需要将 b 表示为 A 的列的线性组合,即要求 。
板从“minimize ||b - A x^*||”移动到“A x^* = proj_{} b”。
演讲者解释说,子空间中最接近的向量是投影,因此 Ax 必须等于该投影。
从不相容的线性系统开始。
直接在板上和音频中陈述。
用使 A x^* 尽可能接近 b 的目标取代精确可解性。
明确写为最小二乘目标。
任何形式为 A x^* 的向量都位于 A 的列空间中。
音频解释 A 乘以向量是列向量的线性组合。
利用几何事实:子空间内最近的点是正交投影。
引用自早期视频的口头原则,并由图表说明。
因此,最小二乘解的特征在于与投影相等。
结合前面的步骤。
最小二乘问题等价于要求 A x^* 成为 b 到 的投影。
板上写有 A x^* - b = proj_{} b - b。
演讲者说他们将从两边减去 b,看看是否会出现有趣的东西。
从最小二乘解的框出特征开始。
之前已推导并写在板上。
从两边减去 b。
对等式两边应用的有效代数运算。
方程被重写为残差形式,为课程的下一步做好准备。
演讲者从正交性移动到属于 ,然后到 ,然后乘以 并展开。
可见链条:; ; ; ; ; 。
片段没有证明 ;它将其作为之前视频中已知的内容引用。
从最小二乘拟合作为 b 到列空间的正交投影的几何特征开始。
在黑板上和音频中明确陈述。
投影点与 b 之间的差与子空间 正交。
正交投影的定义/性质,如演讲者所解释。
用左零空间替换列空间的正交补集。
视频中引用的标准基本子空间恒等式。
因此残差向量位于 的零空间中。
使用前一恒等式进行代换。
将 中的向量乘以 得到零向量。
零空间的定义。
将 分配到差值上,得到齐次形式的正规方程。
矩阵乘法的线性/分配律。
将 移到另一边,隔离出标准的正规方程形式。
代数重排。
最小二乘解满足正规方程 * = 。
演讲者解释将 Ax=b 的两边乘以 。
黑板上显示 ,然后将解标记为 x^*。
从视频称没有精确解的原始线性系统开始。
在片段中直接陈述为起始问题。
两边左乘 。
在片段中明确执行并叙述。
利用矩阵乘法的结合律重写左边。
标准矩阵代数;黑板上写的是简化形式。
将新方程的解重命名为最小二乘解 x^*。
演讲者明确将此解确定为最小二乘解。
可以通过求解正规方程 ^* = 来找到最小二乘解,而不是直接计算投影。
黑板显示链条 (b - A x^*) = 0,然后是 ^* - ,然后是框出的 ^* = 。
演讲者在讨论最终方程时,确定一边是矩阵,另一边是向量。
从残差被 湮灭的条件开始。
这是直接在黑板上写出的正交/残差条件。
将 分配到差值上并将项移到一侧。
应用于显示方程的标准矩阵代数。
两边加上 以隔离未知项 x^*。
前一行的代数重排,匹配黑板上的框出方程。
最小二乘条件等价地由法方程 ^* = 编码。
缩小的黑板显示 A x^* = proj_{} b, A x^* - , , 和 A x^* - 。
几何草图显示了 b,它在代表 的平面上的投影,以及垂直的残差方向。
中最接近 b 的点是它在该子空间上的正交投影。
显示为最小二乘像向量的定义恒等式。
从 b 到其投影的残差垂直于子空间 。
这是正交投影的几何意义,也写在黑板上。
列空间的正交补是 A 转置的零空间。
缩小视图后黑板上显示的显式恒等式。
因此残差也位于 中。
使用前两行进行替换。
投影图像、正交补陈述和零空间陈述是对同一最小二乘几何的一致描述。
说话者说:“让我们看看能否可视化一下”,画出 的列空间,假设它是 中的一个平面,标记原点,并在平面外画出 。
画出一个紫色平行四边形状的平面并标记为 ;一条来自原点的青色箭头指向上方平面外并标记为 。
绘图是示意性的;环境维度 除了足够大以包含一个平面外并未固定。
代表 的紫色平面
原点
标记为 的青色向量箭头
标签 和
首先画出 的平面。
然后标记原点。
最后画出从原点开始并延伸到平面外的向量 。
平面旨在表示 的各列的所有线性组合。
在整个草图中,向量 保持在该平面之外。
视觉编码了代数主张:如果 不在列空间中,那么 的各列的任何线性组合都不能等于 。
说话者问如果我们能找到一个让我们接近目标的解会怎样,并说:“我现在想找到某个 x star,使得 A 乘以 x star 是……”
左下角出现黄色手写的 和部分短语“其中 ”。
的定义条件在提供的片段内未完成。
符号
部分表达式
在讨论不相容系统后添加了一个新符号 。
说话者开始定义 的一个属性,但片段在完成前结束。
先前的方程 作为不相容的目标问题保留在屏幕上。
引入 时,列空间草图仍然可见。
这一视觉过渡标志着从精确可解性转向近似问题,但在此片段中尚未显示 的确切标准。
右侧画有一个标记为 的紫色平行四边形,一条标记为 b 的青色向量从同一原点出发并终止于平面之外。
后来,一条标记为 v = Ax* 的白色向量画在紫色平面内。
标记为 的紫色平面
标记为 b 的青色向量
标记为 v = Ax* 的白色向量
所画向量的共同原点
起初只显示 b 和平面 。
在 52-80 秒左右,演讲者引入 v = Ax* 并将其画在 内。
随后的残差讨论通过分量减法关联 b 和 v。
平面 保持固定,作为可实现的 Ax 向量的集合。
在整个动机图中,b 始终保持在 之外。
该图编码了核心思想:在此处精确相等 Ax=b 是不可能的,但仍可以选择 中离 b 最近的向量 v。
短语“minimize ||b - Ax*||”逐步写在黑板上。
演讲者说他想最小化 b 减去 Ax* 的长度。
文本“minimize”
表达式 ||b - Ax*||
首先写下单词“minimize”。
然后添加范数符号和残差表达式 b - Ax*。
目标仍然是一个距离最小化陈述。
这一视觉步骤将“尽可能接近”的口头想法转化为精确的优化问题。
黑板将范数展开为差值的列向量,然后展开为平方项之和。
列向量 [, ..., ]^T
和 ()^2 + ... + ()^2
首先按分量写出残差向量。
然后将其平方范数重写为平方和。
被最小化的底层量仍然是 b 和 v = Ax* 之间的距离。
这种视觉展开正是激发术语“最小二乘”的原因。
左侧包含 Ax=b 的代数设定和最小化表达式;右侧包含 b 在平面 之外的几何草图。
矩阵方程 Ax=b
最小化表达式 ||b - A x^*||
标记为 的紫色平面
标记为 b 的青色向量
标记为 A x^* 的黄色向量
右侧图表增加了标签 proj_{} b。
图表下方写有一个新的框出方程 A x^* = proj_{} b。
框出的方程后来被重写为 A x^* - b = proj_{} b - b。
左侧设定在整个片段中保持可见。
平面 仍然是感兴趣的子空间。
在几何图中,b 保持在 之外。
视觉组织将代数最小二乘目标与将 b 投影到列空间的几何思想联系起来。
青色向量 b 指向标记为 的紫色平面之外;黄色向量 A x^* 位于平面内;投影标签添加在平面附近。
演讲者说子空间中最接近的向量是 b 到列空间的投影。
投影注释的确切箭头位置是从采样帧中近似得出的。
向量 b
平面
向量 A x^*
投影注释 proj_{} b
图表从仅显示 b 和 A x^* 转变为明确将 中的最近点识别为 proj_{} b。
b 保持在平面之外。
A x^* 保持在平面之内。
该图说明了最小化 ||b - A x^*|| 意味着选择 中离 b 最近的点,即正交投影。
屏幕分为左侧代数设置、中间几何草图和右侧推导栏。
随着讲解的进行,新的公式依次添加在右侧。
带有 Ax=b 和最小二乘目标的左侧面板
包含向量 b、proj_{}b 和 Ax* 的中央紫色平面
累积蕴含链至正规方程的右侧面板
右侧公式从投影恒等式逐步写出直到 。
在构建推导时,左侧最小二乘设置和中央投影图保持可见。
视觉布局将优化陈述、几何投影图像和代数正规方程推导联系起来。
标记为 的紫色平面包含黄色向量 ;b 画在平面外;一个橙色/黄色箭头连接 b 向下到平面。
演讲者指向垂直向下进入平面的向量,并称其与列空间正交。
在不同帧中,残差箭头的确切颜色命名在橙色和黄色之间略有变化。
平面
平面外的向量 b
平面内的向量
从 b 到 的残差箭头
残差被强调为连接 b 及其投影的垂直连线。
在草图中, 保持在 内,而 b 保持在其外。
该图编码了从 获得 b 的最佳近似是通过垂直下降到平面来实现的。
黑板包含多个颜色编码的公式:最小化陈述、投影恒等式、正交关系以及最终的正规方程。
minimize ||b - A x^*||
展开的平方和表达式
A x^* = proj_{} b
(Ax^*-b)=0
^* =
带有“无解”注释的 Ax=b
左下角区域在片段中被重写以重述问题设置。
最终的正规方程被强调为实用的解决方法。
总体主题仍然是不相容线性系统的最小二乘近似。
在引入代数方法的同时,基于投影的几何解释保持可见。
视觉布局连接了同一思想的三个层面:优化定义、几何投影表征和代数正规方程计算。
黑色数字板的特写,上面有关于最小二乘的多色手写公式,包括 minimize ||b - A x^*||, A x^* = proj_{} b, 和 ^* = 。
光标在公式间移动,同时演讲者在说话。
手写公式
光标
框出的法方程
投影恒等式
范数表达式
当演讲者讨论矩阵与向量的结构和最小化时,光标指向板的不同部分。
在特写期间,板的内容保持不变。
中心恒等式 A x^* = proj_{} b 和 ^* = 保持可见。
特写在视觉上围绕三个相互关联的思想组织了最小二乘论证:最小化残差范数,投影到 ,以及求解法方程。
相机缩小以揭示一个更大的板。
新可见的区域包括左上角的列组合方程和带有 b、proj_{} b 以及标记为 的平面的几何草图。
全白板
列组合方程
b 及其投影的几何草图
标记为 的平面
右侧的子空间恒等式
出现额外的公式:[ ... ][ ... ]^ 和 + ... + 。
出现一个几何图,显示 b,它在 上的投影,以及垂直残差。
右侧的子空间关系 和 A x^* - 变得可见。
以前看到的最小二乘公式仍然是同一整体论证的一部分。
投影恒等式 A x^* = proj_{} b 继续锚定几何。
缩小视图将代数法方程与将 b 投影到列空间的几何图像联系起来,并将残差解释为垂直于该空间。
说话者说,直到现在他们都会做一个增广矩阵,将其化为简化行阶梯形,得到一行零等于一,并得出结论没有解且无法再做更多。
将行化简矛盾(如 )视为分析的终点,认为没有进一步有用的目标可用。
视频明确将该旧终点与新目标进行对比:即使不存在精确解,仍可以寻求一个接近目标的解。
演讲者对比了“No solution to Ax=b”与使 Ax*“尽可能接近 b”。
b 显示在 之外,因此精确相等在视觉上是可能的。
人们可能认为,因为我们正在最小化 ||b - Ax*||,所得到的 x* 精确求解 Ax=b。
在此设定中,由于 b ∉ ,Ax=b 没有精确解;x* 仅给出 内的最佳近似。
演讲者反复说任何 Ax 都在列空间中。
他在 内写下 v = Ax*。
人们可能忘记候选向量 Ax* 被约束在 中。
因为 Ax* 是 A 的列的线性组合,优化仅在列空间中的向量之间进行搜索。
黑板首先显示 ||b - Ax*||,然后将平方版本重写为平方和。
演讲者说,“实际上让我取长度的平方。”
人们可能认为当从 ||b - Ax*|| 移动到残差平方和时,讲座突然改变了问题。
视频使用平方范数,因为它具有显式的平方和形式,从而激发了术语“最小二乘”。
演讲者将“这个方程无解”与找到 x^* 使得 A x^* 尽可能接近 b 进行对比。
板在引入最小二乘目标的同时保留了“No solution to Ax=b”。
如果 Ax=b 无解,人们可能认为关于 x 无法得出任何有用的结论。
视频明确用最小二乘近似问题取代了精确可解性:选择 x^* 使得 A x^* 尽可能接近 b。
演讲者说这仍然很难找到,因为取 A 乘以 A 转置 A 的逆再乘以 A 转置是很困难的。
这是演讲者提出的警告,而不是完全展开的反例。
人们可能假设一旦知道了投影公式,就可以直接轻松地计算最小二乘解。
视频指出,在这里使用显式投影矩阵路线很难,这促使人们寻找一种更简单的推导方法。
左上角文字写着 No solution to Ax=b(Ax=b 无解)。
整个片段将问题重构为寻找尽可能接近 b 的 Ax*。
人们可能认为 x* 的出现意味着 Ax=b 存在精确解。
视频明确从无解的情况开始,并用列空间中的最近近似取代了精确相等。
和 都出现了。
演讲者说你可以说 b 加上这个向量等于我的 b 到我的子空间的投影。
学生可能会混淆垂直误差向量的方向。
这里残差取为 Ax*-b,等价于 proj_{}b-b,关键性质是该向量与 正交;反转符号仍然正交,但改变了书面表达式。
演讲者说乘以方程后的解不会与原方程的解相同。
人们可能认为求解 会得到原始不相容系统 Ax=b 的精确解。
视频明确区分了两者:原始系统无解,而正规方程有一个解,即最小二乘解。
黑板明确写出 Ax=b 并在附近写着“无解”,然后分别写出最小二乘最小化和法方程。
演讲者说,在注意到系统可能无法精确求解后,这为我们寻找 Ax=b 的解尽了最大努力。
如果 Ax=b 没有精确解,人们可能会认为关于 x 没有什么有用的可以说。
黑板区分了不一致的系统 Ax=b 和最小二乘问题,后者通过最小化 ||b - A x^*|| 仍然产生有意义的 x^*。
演讲者:“注意,这是一个矩阵,然后这里是某个向量。”
人们可能会将 ^* = 视为另一个符号方程,而没有注意到所涉及对象的类型。
演讲者明确指出,一边是作用于向量的矩阵,另一边是向量,强调了方程的线性代数结构。
在陈述 和 后,说话者将 展开为列并将方程重写为线性组合。
黑板从 移动到 ,然后到 。
维度设置使列展开有意义:因为 有 列, 正好为这些列提供 个权重。
说话者使用线性组合形式来解释“无解”的含义,然后命名列空间。
在添加陈述“ 不在 中”时,线性组合方程保留在屏幕上。
对不相容性的解释依赖于首先将 重写为关于 的各列的线性组合的陈述。
在说 不在 的列空间中之后,说话者说“让我们看看能否可视化一下”并画出列空间和在其外的 。
符号陈述“ 不在 中”与标记为 的紫色平面和平面外的青色向量 配对。
几何草图是代数主张 的直接可视化。
说话者将旧的“无解”结论与寻找让我们接近的东西的问题进行对比,然后引入 。
The board retains the inconsistent-system statements 且 adds with the partial condition "where ".
的确切近似标准在此片段中未完成。
一旦精确可解性失败,课程就转向更广泛的目标:寻找近似解而不是止步于不相容性。
演讲者从“No solution to Ax=b”转向通过最小化 ||b - Ax*|| 定义 x*。
两个陈述出现在同一块黑板上。
正是因为图中所示情况下精确系统 Ax=b 是不相容的,才引入了最小二乘目标。
演讲者说 Ax 在列空间中,然后解释我们希望这个向量尽可能接近 b。
v = Ax* 写在 内。
最小化 ||b - Ax*|| 的几何意义依赖于认识到 Ax* 遍历 。
残差向量直接写在最小化目标下方。
分量残差公式是抽象范数最小化目标的坐标表达式。
演讲者说平方和形式是该方法被称为最小二乘的原因。
黑板显示残差平方和,然后将 x* 标记为最小二乘。
术语“最小二乘”由显式的残差平方和表达式证明其合理性。
平面 、向量 b 和向量 v = Ax* 以几何方式绘制。
同样的想法被代数地重写为分量误差的平方和。
距离的几何最小化和残差平方和的代数最小化描述了同一个最小二乘问题。
演讲者通过调用最近向量/投影原则来推导最小二乘条件。
板将 ||b - A x^*|| 与 A x^* = proj_{} b 联系起来。
通过应用子空间中最接近的向量是正交投影这一事实,从几何上解决了最小化目标。
在讨论投影后,板上写有 A x^* = proj_{} b。
演讲者说 Ax 需要等于 b 在列空间上的投影。
投影原则产生了最小二乘解的定义方程。
演讲者说直接投影公式很难,所以让我们看看能否找到一种更简单的方法。
板随后从 A x^* = proj_{} b 的两边减去 b。
片段将繁琐的直接投影矩阵方法与旨在导致更简单推导的代数重排进行了对比。
The speaker explains that must be in because there are columns, 且 is in .
和 写在黑板上。
说话者将 展开为列并说乘积等同于这些列的加权和。
黑板显示 和 。
说话者说没有一组列上的权重能达到 ,等价地,没有线性组合等于 ,然后说 不在 的列空间中。
黑板陈述“ 无解”和“ 不在 中”。
黑板文字写着“No solution to Ax=b”和“b is not in the ”。
演讲者说“当我说接近时,我指的是长度”。
目标函数写为 minimize ||b - Ax*||。
演讲者说任何 Ax 都在列空间中。
v = Ax* 写在 内。
黑板将 ||b-v|| 展开为分量差,然后对其平方。
演讲者说这就是为什么它被称为最小二乘估计。
标签“least squares”添加在 x* 旁边。
板显示“No solution to Ax=b”和“minimize ||b - A x^*||”。
演讲者解释了当不存在精确解时,如何找到尽可能接近的 x^*。
演讲者说子空间中最接近的向量是投影。
图表显示 b 在 之外以及平面内的最近点。
框出的方程 A x^* = proj_{} b。
演讲者说 Ax 需要等于 b 在列空间上的投影。
演讲者说直接投影公式很难,并提出了一种更简单的方法。
板重写为 A x^* - b = proj_{} b - b。
已覆盖 · 音频和公式引入了 矩阵方程和所需的向量维度。
已覆盖 · 说话者陈述系统无解并在黑板上写下此条件。
已覆盖 · 矩阵被展开为列,方程被重写为线性组合。
已覆盖 · 说话者将不相容性解释为不存在合适的权重以及 。
已覆盖 · 画出 的示意平面和外部向量 以可视化代数陈述。
已覆盖 · 说话者将以前的行化简终点与新问题(接近解)进行对比。
已覆盖 · 为近似解引入了一个新候选 ,但定义条件在完成前被截断。
已覆盖 · 开场黑板状态和口头设定:由于 b 在 之外,Ax=b 无解;矩阵方程被重写为列组合。
已覆盖 · 演讲者将接近定义为长度,并写下最小化目标 ||b - Ax*||。
已覆盖 · Ax* 被重命名为 v 并放置在 中;解释了优化的几何意义。
已覆盖 · 残差 b - v 被按分量展开为列向量。
已覆盖 · 平方范数被重写为分量差平方和。
已覆盖 · 演讲者将 x* 命名为最小二乘估计 / 解 / 近似,并将术语与平方和联系起来。
已覆盖 · 介绍了 Ax=b 的不相容性和最小二乘最小化目标。
已覆盖 · 陈述了几何原则:子空间中最接近的向量是正交投影。
已覆盖 · 推导并框出 A x^* = proj_{} b 作为最小二乘解的特征。
已覆盖 · 解释直接使用投影矩阵公式很难使用,并激发了寻找更简单路径的想法。
已覆盖 · 从两边减去 b 以获得 A x^* - b = proj_{} b - b。
已覆盖 · 连续的白板讲座片段:片段从最小二乘设置和投影图开始,发展了残差正交性和左零空间恒等式,并以正规方程 结束。
已覆盖 · 开场黑板已经显示了最小二乘最小化设置、投影恒等式、正交关系以及正规方程结果,同时演讲者完成了代数简化。
已覆盖 · 演讲者重述了原始的不相容系统 Ax=b,并将 x^* 定义为 ||b - A x^*|| 的最小化器,解释了“最小二乘”这一名称。
已覆盖 · 给出几何表征: 中离 b 最近的向量是 proj_{} b,因此 A x^* 等于该投影。
已覆盖 · 演讲者介绍了更简单的代数方法,用 左乘 Ax=b,写出 ,并将其解确定为最小二乘解。
已覆盖 · 关于最小化 ||b-Ax^*||、投影到 、残差正交性和法方程的黑板特写讨论。
已覆盖 · 缩小视图揭示了完整的黑板,包括列组合形式、几何投影草图、子空间恒等式,以及演讲者评论该概念目前很抽象但以后会有用。