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数学 / hyperplane

超平面

超平面是余维数为一的平直子空间,是平面中的直线和三维空间中的平面的推广。

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超平面是一个平直子空间,其维数(向量空间)比所在空间的维数小一。在二维空间中,它是一条直线;在三维空间中,它是一个平面;在一维空间中,它是一个点。其精确定义取决于所在空间是向量空间、仿射空间还是射影空间。超平面为线性方程、几何分离和分类问题提供了统一的表述方式。(ee263.stanford.edu)

定义与坐标表示

在实坐标空间 Rn\mathbb{R}^n 中,仿射超平面的形式为

H={x∈Rn:aTx=b},a≠0,H=\{x\in\mathbb{R}^n:a^\mathsf{T}x=b\}, \qquad a\ne0,

其中,a=(a1,…,an)a=(a_1,\ldots,a_n) 是系数向量,bb 是标量。等价地,定义它的方程为

a1x1+⋯+anxn=b.a_1x_1+\cdots+a_nx_n=b.

系数向量非零这一条件至关重要:若 a=0a=0,该方程定义的集合要么是整个空间,要么是空集,而不是超平面。将 aa 和 bb 同时乘以同一个非零标量,所定义的集合保持不变。因此,超平面的定义方程并不唯一。(ee263.stanford.edu)

当 b=0b=0 时,超平面包含原点,是一个线性子空间,通常称为线性超平面或向量超平面。对于任意 bb,选取任意一点 x0∈Hx_0\in H,便有

H=x0+{v:aTv=0}.H=x_0+\{v:a^\mathsf{T}v=0\}.

因此,仿射超平面是线性超平面经平移得到的集合。它不一定对向量加法或标量乘法封闭。这两类超平面都是仿射集,也都是凸集。(stanford.edu)

代数刻画

不依赖坐标的定义使用非零线性映射 f:V→Kf:V\to K,其中 KK 是底域(数学)。这种取值为标量的映射称为线性泛函。线性超平面恰好是形如

H=ker⁡f={v∈V:f(v)=0}H=\ker f=\{v\in V:f(v)=0\}

的集合。

反过来,每个余维数为一的线性子空间都是某个非零线性泛函的核。定义同一超平面的泛函之间只相差一个非零标量因子。(people.clas.ufl.edu)

当 VV 为有限维空间时,秩—零化度定理说明了超平面的维数:非零泛函的像是一维的,因此其核的维数为 dim⁡V−1\dim V-1。更一般地,余维数为一意味着商向量空间 V/HV/H 的维数为一。这种表述也适用于无限维向量空间。相关泛函属于对偶空间 V∗V^*。(people.clas.ufl.edu)

超平面还可以描述线性方程组中的单个约束。对于有解的方程组 Ax=cAx=c,若未知数有 nn 个,且矩阵的秩为 rr,则解集是维数为 n−rn-r 的仿射子空间。因此,多个超平面约束共同确定的集合不一定仍是超平面:相互独立的约束会进一步降低维数。(ee263.stanford.edu)

法向量、距离与投影

在实欧几里得空间中,aa 垂直于 HH 内的每个方向,称为法向量。事实上,HH 上任意两点之差满足 aT(x−y)=0a^\mathsf{T}(x-y)=0。这种解释用到了欧几里得内积;代数定义本身并不需要垂直这一概念。(ee263.stanford.edu)

点 pp 到 HH 的欧几里得距离为

d(p,H)=∣aTp−b∣∥a∥2.d(p,H)=\frac{|a^\mathsf{T}p-b|}{\|a\|_2}.

去掉绝对值便得到有向的带符号距离。选定定向后,其符号表示 pp 位于超平面的哪一侧。离 pp 最近的点,即 pp 在 HH 上的正交投影,为

proj⁡H(p)=p−aTp−b∥a∥22a.\operatorname{proj}_H(p) =p-\frac{a^\mathsf{T}p-b}{\|a\|_2^2}a.

例如,平面 x+2y+2z=3x+2y+2z=3 的法向量为 (1,2,2)(1,2,2);代入距离公式可知,该平面到原点的距离为 11。(cs.cmu.edu)

半空间与凸几何

实仿射超平面将 Rn\mathbb{R}^n 分成两个开半空间,分别由 aTx<ba^\mathsf{T}x<b 和 aTx>ba^\mathsf{T}x>b 确定。将严格不等式换成非严格不等式,便得到两个以 HH 为共同边界的闭半空间。这种描述依赖于实数的序关系,并非任意域上的超平面都自然具有的性质。(stanford.edu)

支撑超平面与一个凸集相交,并使整个凸集位于同一个闭半空间内。分离超平面将两个集合置于相对的两侧,有时允许集合与边界接触。超平面分离定理保证,有限维实空间中两个非空、不相交的凸集可以被弱分离;严格分离则需要额外的条件。(stanford.edu)

在线性规划中,仿射不等式定义半空间,这些半空间的交集构成可行集。非常值线性目标函数的等值集是一族平行超平面。当最优值能够取到时,相应的等值超平面就是可行集的支撑超平面,从而为优化提供了几何解释。(web.stanford.edu)

机器学习

在机器学习中,分类器可以根据 wTx+βw^\mathsf{T}x+\beta 的符号分配标签。当 w≠0w\ne0 时,其决策边界是超平面。如果这样的边界能将两个带标签的样本集合严格置于相对的两侧,则这两个集合具有线性可分性。(cs229.stanford.edu)

硬间隔支持向量机选择一个分离超平面,使其到训练数据的最小距离最大化。当标签为 yi∈{−1,1}y_i\in\{-1,1\} 时,其标准约束为 yi(wTxi+β)≥1y_i(w^\mathsf{T}x_i+\beta)\ge1,并以最小化 12∥w∥22\tfrac12\|w\|_2^2 为目标。软间隔变体允许违反这些约束。使用核方法时,分离超平面位于变换后的特征空间中,而它在原始输入空间中对应的边界可能是非线性的。(cs229.stanford.edu)

射影超平面

在射影几何中,Pn(K)\mathbb{P}^n(K) 内的超平面具有射影维数 n−1n-1。在齐次坐标中,它由方程

a0x0+⋯+anxn=0a_0x_0+\cdots+a_nx_n=0

定义,其中系数不全为零。由于齐次坐标在相差一个非零倍数时表示同一个点,将某个代表坐标整体乘以非零标量不会改变该方程的成立与否。射影超平面与对偶向量空间所对应的射影空间中的点一一对应,这是射影对偶的一个基本实例。(cis.upenn.edu)