[Linear Algebra] 직교적 투영(Orthogonal Projection)

직교적 투영(Orthogonal Projection)

그림 1의 벡터 b_proj는 벡터 a위로 수직으로 조사된 빛에 의해 투영된 벡터 b의 그림자에 대한 위치벡터로 정사영(Orthogonal projection)이라 합니다.

그림 1. 벡터 a에 대한 벡터 b의 정사영.

a=np.array([[3], [3]])
q, r=la.qr(a)
plt.figure(figsize=(3,2))
plt.arrow(0,0, a[0,0], a[1,0], head_width=0.09)
plt.arrow(0, 0,  -r[0,0], 0, alpha=0.6, head_width=0.09,  color="brown")
plt.arrow(0,0, 3, 0, lw=2, head_width=0.09, color="b")
plt.vlines(3, 0, 3.2, ls="--", color="g")
plt.text(2.5, 0.2, r"$90^o$", color="g")
plt.text(0.3, 0.1, r"$\theta$", color="g")
plt.text(1.7, 2, r"$\vec{b}$")
plt.text(1.5, 0.15, r"$\vec{b_{proj}}$", color="b")
plt.text(3.5, 0.15, r"$\vec{a}}$", color="brown", alpha=0.6)
plt.show()

식 1을 적용하여 그림 1의 두 벡터 a와 b 각각의 노름과 내적 (a·b)의 비로 cos(θ)를 계산할 수 있습니다. 또한 cos(θ)는 벡터 b와 정사영 b_proj의 노름의 비로 나타낼 수 있습니다.

\begin{align}u \cdot v &= \Vert{u}\Vert \Vert{v}\Vert \cos(\theta) \\ \cos(\theta) &= \frac{u \cdot v}{\Vert{u}\Vert \Vert{v}\Vert}\end{align}

(식 1)

‖b_proj‖는 식 2와 같이 결정할 수 있습니다.

\begin{align} \cos(θ) & = \frac{\Vert{b_{\text{proj}}} \Vert}{\Vert{b}\Vert}\\& = \frac{a \cdot b}{\Vert{a}\Vert \Vert{b}\Vert}\\ \therefore\; \Vert{b_{\text{proj}}} \Vert &=\frac{a \cdot b}{\Vert{a}\Vert} \end{align}

(식 2)

b_proj는 벡터 a위에 위치한 b의 정사영이므로 정사영의 크기는 a의 단위 벡터에 대한 배수로 나타낼 수 있습니다. 그러므로 식 3과 같이 정사영은 두 벡터의 내적과 노름에 의해 계산될 수 있습니다.

\begin{align}a_\text{unit}& = \frac{a}{\Vert{a}\Vert}\\ b_\text{proj}& = \frac{a \cdot b}{\Vert{a}\Vert} \frac{a}{\Vert{a}\Vert} \\ & = \frac{a \cdot b}{\Vert{a}\Vert} a_\text{unit} \end{align}

(식 3)

예 1)

벡터 a위로의 벡터 b의 정사영 b_proj를 계산합니다.

$$a=\begin{bmatrix}1\\0 \end{bmatrix}\quad b=\begin{bmatrix}2\\1 \end{bmatrix}$$

a=np.array([[1],[0]])
b=np.array([[2],[1]])
ab=np.dot(a.T, b)
aNorm=(la.norm(a))**2
bProj=ab/aNorm *a
print(bProj)

[[2.]
[0.]]

위 결과는 그림 2와 같이 나타낼 수 있습니다.

그림 2. 두 벡터의 정사영관계.

a=np.array([1, 0])
b=np.array([2,1])
plt.figure(figsize=(3,2))
plt.arrow(0,0, a[0], a[1], lw=2, head_width=0.09, color="r")
plt.arrow(0, 0,  b[0], b[1], head_width=0.09,  color="b")
plt.arrow(0,0, 2, 0, head_width=0.09, color="b", alpha=0.6)
plt.vlines(2, 0, 1.2, ls="--", color="g")
plt.text(1.7, 0.1, r"$90^o$", color="g")
plt.text(0.2, 0.03, r"$\theta$", color="g")
plt.text(1.3, 0.7, r"$\vec{b}$", color="b")
plt.text(1.3, 0.1, r"$\vec{b_{proj}}$", color="b")
plt.text(0.5, 0.05, r"$\vec{a}}$", color="r")
plt.show()

그림 3은 벡터 z을 구성하는 두 벡터를 나타낸 것입니다. 정사영을 이용하여 벡터 z을 구성하는 서로 직교되는 벡터들로 분해할 수 있습니다.

그림 3. 벡터의 직교분해

그림 3에서 α는 벡터 u를 조절하기 위해 사용되는 스칼라 입니다. 벡터 u위로의 벡터 z의 정사영 αu은 식 3을 적용하면 식 4와 같이 나타낼 수 있습니다.

\begin{align} αu &= \frac{z·u}{\Vert{u}\Vert}\frac{u}{\Vert{u}\Vert}\\ & = \frac{z·u}{u·u}u\\ \therefore\; \Vert{u}\Vert \Vert{u}\Vert &=u \cdot u \end{align}

(식 4)

그림 3에서 z = v + αu와 같이 표현할 수 있으며 식 4을 대입하여 벡터 u에 수직인 벡터 v를 발견할 수 있습니다(식 5).

$$v = z − \frac{z·u}{u \cdot u}u$$

(식 5)

종합하면 z을 u 위로 직교 투영시킨 부분이 αu입니다. 마찬가지로 벡터 v는 z을 y축 위로 직교 투영된 부분이며 벡터 u에 직교성분입니다.

예 2)

다음 벡터 z이 벡터 u에 직교적 투영일 경우 u에 수직인 벡터를 결정합니다.

$$u=\begin{bmatrix}7\\6 \end{bmatrix}\quad v=\begin{bmatrix}4\\2 \end{bmatrix}$$

z=np.array([[7],[6]])
u=np.array([[4],[2]])
zu=np.dot(z.T, u);zu

array([[40]])

uu=np.dot(u.T,u);uu

array([[20]])

v=z-zu/uu*u
print(v)

[[-1.]
[ 2.]]

그림 4는 이 문제의 결과를 나타낸 것입니다. 이 그림에서 나타낸 것과 같이 임의의 벡터는 직교 투영을 사용하여 상호 수직인 두 벡터로 분해할 수 있습니다.

그림 4. 벡터 z의 직교분해.

예 3)

벡터 u에 직교투영된 벡터 y의 y_proj와 그 투영된 벡터의 수직인 (y_proj)_orth을 결정합니다.

$$y=\begin{bmatrix}-5\\3 \end{bmatrix} \quad u=\begin{bmatrix}3\\3 \end{bmatrix}$$

벡터 u 위에 y가 직교 투영된 벡터를 계산하는 것입니다.

y=np.array([[-5],[3]])
u=np.array([[3],[3]])
y_proj=np.dot(y.T, u)/np.dot(u.T, u)*u
print(y_proj)

[[-1.]
[-1.]]

벡터 y는 정사영 y_proj와 그 벡터와 직교인 벡터 (y_proj)_orth와의 합이 됩니다. 그러므로 (y_proj)_orth는 식 6과 같이 계산할 수 있습니다.

\begin{align} & y = y_\text{proj} + ( y_\text{proj})_\text{orth} \\ & ( y_\text{proj})_\text{orth} = y - y_\text{proj} \end{align}

(식 6)

y_projOrth=y-y_proj
print(y_projOrth)

[[-4.]
[ 4.]]

위 결과는 그림 5와 같이 시각화 할 수 있습니다.

그림 5. 벡터 y의 직교분해.