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  <title>Projection Theorem</title>
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  <md:title>Projection Theorem</md:title>
  <md:version>2.12</md:version>
  <md:created>2002/01/07</md:created>
  <md:revised>2009/05/31 18:10:57.254 GMT-5</md:revised>
  <md:authorlist>
    <md:author id="schniter">
        <md:firstname>Phil</md:firstname>
        <md:surname>Schniter</md:surname>
        <md:fullname>Phil Schniter</md:fullname>
        <md:email>schniter@ee.eng.ohio-state.edu</md:email>
    </md:author>
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    <md:maintainer id="schniter">
        <md:firstname>Phil</md:firstname>
        <md:surname>Schniter</md:surname>
        <md:fullname>Phil Schniter</md:fullname>
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        <md:firstname>Charlet</md:firstname>
        <md:surname>Reedstrom</md:surname>
        <md:fullname>Charlet Reedstrom</md:fullname>
        <md:email>charlet@rice.edu</md:email>
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    <md:licensor id="schniter">
        <md:firstname>Phil</md:firstname>
        <md:surname>Schniter</md:surname>
        <md:fullname>Phil Schniter</md:fullname>
        <md:email>schniter@ee.eng.ohio-state.edu</md:email>
    </md:licensor>
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  <md:keywordlist>
    <md:keyword>Hilbert space</md:keyword>
    <md:keyword>orthogonality principle</md:keyword>
    <md:keyword>orthogonal projection</md:keyword>
  </md:keywordlist>
  <md:subjectlist>
    <md:subject>Science and Technology</md:subject>
  </md:subjectlist>
  <md:abstract>This module introduces projection theorem.</md:abstract>
  <md:language>en</md:language>
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<content>

    <list id="list1">
      <item>
	The <term>orthogonal projection of y onto S</term>, where
	<m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math> is a closed subspace
	of <m:math><m:ci type="set">V</m:ci></m:math>, is 
	
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="vector">
	      <m:mover accent="true">
		<m:mi>y</m:mi>
		<m:mo>̂</m:mo>
	      </m:mover>
	    </m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:sum/>
	      <m:bvar>
		<m:ci>i</m:ci>
	      </m:bvar>
	      <m:domainofapplication>
		<m:ci>i</m:ci>
	      </m:domainofapplication>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:scalarproduct/>
		  <m:ci type="vector"><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mi>i</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector">y</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>x</m:mi>
		    <m:mi>i</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>

	s.t. 
	<m:math>
	  <m:set>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:set>
	</m:math> is an ON basis for <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math>. Orthogonal projection yields the
	best approximation of <m:math><m:ci type="vector">y</m:ci></m:math> in <m:math><m:ci type="set">S</m:ci></m:math>:

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="vector">
	      <m:mover accent="true">
		<m:mi>y</m:mi>
		<m:mo>̂</m:mo>
	      </m:mover>
	    </m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#argmin">argmin</m:csymbol>
	      <m:condition>
		<m:apply>
		  <m:in/>
		  <m:ci type="vector">x</m:ci>
		  <m:ci>S</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:condition>
	      <m:apply>
		<m:csymbol definitionURL="http://cnx.rice.edu/cd/cnxmath.ocd#norm"/>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:ci type="vector">y</m:ci>
		  <m:ci type="vector">x</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>

	The approximation error 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="vector">e</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:minus/>
	      <m:ci type="vector">y</m:ci>
	      <m:ci type="vector">
		<m:mover accent="true">
		  <m:mi>y</m:mi>
		  <m:mo>̂</m:mo>
		</m:mover>
	      </m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math> obeys to <term>orthogonality principle</term>:
	
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:ci><m:mo>⊥</m:mo></m:ci>
	    <m:ci type="vector">e</m:ci>
	    <m:ci type="set">S</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:math>

	We illustrate this concept using 
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci type="set">V</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:reals/>
	      <m:cn>3</m:cn>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math> below but stress that the same geometrical
	interpretation applies to any Hilbert space.
      </item>
    </list>


    <figure id="orthogonalfig">
      <media id="id1171238884485" alt="">
<image src="projection.png" mime-type="image/png"/>
<image src="projection.eps" mime-type="application/postscript"/></media>
    </figure>


    <para id="para0">
      A proof of the orthogonality principle is:

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:ci><m:mo>⇔</m:mo></m:ci>
	  <m:apply>
	    <m:ci><m:mo>⊥</m:mo></m:ci>
	    <m:ci type="vector">e</m:ci>
	    <m:ci>S</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:forall/>
	    <m:bvar>
	      <m:ci>i</m:ci>
	    </m:bvar>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:scalarproduct/>
		<m:ci type="vector">e</m:ci>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>x</m:mi>
		    <m:mi>i</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:cn>0</m:cn>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>
      
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:scalarproduct/>
	    <m:apply>
	      <m:minus/>
	      <m:ci type="vector">y</m:ci>
	      <m:ci type="vector">
		<m:mover accent="true">
		  <m:mi>y</m:mi>
		  <m:mo>̂</m:mo>
		</m:mover>
	      </m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:cn>0</m:cn>
	</m:apply>
      </m:math>

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:scalarproduct/>
	    <m:ci type="vector">y</m:ci>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:scalarproduct/>
	    <m:ci type="vector">
	      <m:mover accent="true">
		<m:mi>y</m:mi>
		<m:mo>̂</m:mo>
	      </m:mover>
	    </m:ci>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:scalarproduct/>
	    <m:ci type="vector">y</m:ci>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:scalarproduct/>
	    <m:apply>
	      <m:sum/>
	      <m:bvar>
		<m:ci>j</m:ci>
	      </m:bvar>
	      <m:domainofapplication>
		<m:ci>j</m:ci>
	      </m:domainofapplication>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:scalarproduct/>
		  <m:ci type="vector"><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mi>j</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector">y</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>x</m:mi>
		    <m:mi>j</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:scalarproduct/>
	    <m:ci type="vector">y</m:ci>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:times/>
	    <m:apply>
	      <m:conjugate/>
	      <m:apply>
		<m:sum/>
		<m:bvar>
		  <m:ci>j</m:ci>
		</m:bvar>
		<m:domainofapplication>
		  <m:ci>j</m:ci>
		</m:domainofapplication>
		<m:apply>
		  <m:scalarproduct/>
		  <m:ci type="vector"><m:msub>
		      <m:mi>x</m:mi>
		      <m:mi>j</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:ci type="vector">y</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:scalarproduct/>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>x</m:mi>
		  <m:mi>j</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	      <m:ci type="vector"><m:msub>
		  <m:mi>x</m:mi>
		  <m:mi>i</m:mi>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:scalarproduct/>
	    <m:ci type="vector">y</m:ci>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:sum/>
	    <m:bvar>
	      <m:ci>j</m:ci>
	    </m:bvar>
	    <m:domainofapplication>
	      <m:ci>j</m:ci>
	    </m:domainofapplication>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:scalarproduct/>
		<m:ci type="vector">y</m:ci>
		<m:ci type="vector"><m:msub>
		    <m:mi>x</m:mi>
		    <m:mi>j</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>d</m:mi>
		  <m:mrow>
		    <m:mi>i</m:mi>
		    <m:mo>−</m:mo>
		    <m:mi>j</m:mi>
		  </m:mrow>
		</m:msub></m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:scalarproduct/>
	    <m:ci type="vector">y</m:ci>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:scalarproduct/>
	    <m:ci type="vector">y</m:ci>
	    <m:ci type="vector"><m:msub>
		<m:mi>x</m:mi>
		<m:mi>i</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

    </para>
  </content>
  
</document>
