投影与最小二乘
正交投影给出到子空间的最近点,最小二乘法把超定方程组转化为可解的正规方程,是回归分析的数学核心。
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01定义
正交投影把向量送到子空间中的最近点;当方程组 无解(方程多于未知量)时,最小二乘法退而求其次:求使 最小的 ,其解满足正规方程 。这是回归分析的数学核心。
02核心要点
01
投影算子
到子空间的正交投影 满足 ;最近点性质: 垂直于子空间——「误差与模型正交」是极值的几何条件。
02
正规方程
无解时,最优解满足 (残差 列空间); 正定时唯一解 。
03
统计含义
高斯-马尔可夫定理:误差独立同方差时,最小二乘估计是线性无偏估计中方差最小者——回归分析的合法性由此确立。
03关键公式
04历史沿革
勒让德 1805 年发表最小二乘法,高斯声称更早使用并用它成功预测谷神星轨道(1801);优先权之争是数学史的著名公案。
05应用与延伸
线性回归、曲线拟合、GPS 定位解算、天文观测数据处理——凡是「数据多于未知量」之处,最小二乘都是默认答案。
06交互演示
最小二乘:垂直投影与残差调整斜率:残差平方和 RSS 最小 ⇔ 残差向量垂直于拟合空间