求 n維空間中點到超平面的距離公式推導

       問題: 假設我們知道R^n空間中的一個超平面S:w\cdot x+b=0,和R^n中的一個點x_0,(w,x,x_0是n維列向量),如何求得x_0到超平面S的距離?

       首先給出距離公式:

       d_0 =\frac{ \left | w\cdot x+b \right |}{\left \| w \right \|}

       推導(1):

       首先,對於向量a,b,我們知道a\cdot b = ||a|| ||b||cos\theta。而ab上的投影長度爲||a||cos\theta

       對於超平面S,w是超平面的法向量,我們在超平面上取一點x,向量(x_0-x)w上的投影長度||x_0-x||cos\theta就是x_0到超平面的距離d_0,根據上面的點積公式,有下面的等式成立:

        (x_0-x)\cdot w=||x_0-x||cos\theta ||w||

        -> (x_0-x)\cdot w = d_0||w||

        ->d_0 = |\frac{(x_0-x)\cdot w}{||w||}|

        ->d_0=\frac{|x_0\cdot w - x\cdot w|}{||w||}

        ->d_0=\frac{|w\cdot x_0+b|}{||w||}

       推導結束。

       推導(2):

       我們在超平面上取一點x,向量p是向量(x_0-x)在超平面法向量w上的投影向量,通過投影矩陣,p的表達式如下:

         p=\frac{ww^T}{w^Tw}(x_0-x) , 將上式做如下改寫:

         p = \frac{w}{||w||^2}(w^Tx_0-w^Tx)

         p = \frac{w}{||w||^2}(w\cdot x_0-w\cdot x)

         p = \frac{(w\cdot x_0+b)}{||w||^2}w

       則超x_0到超平面的距離d_0 = ||p||\therefore

         d_0=\frac{|w\cdot x_0+b|}{||w||^2}||w||

         d_0 = \frac{|w\cdot x_0+b|}{||w||}

        推導結束。

       

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