欧氏空间的定义
欧几里得空间是实数域 R 上的线性空间 V,其上定义了一个内积 (α,β),满足:
- 对称性:(α,β)=(β,α)
- 线性性:(kα+lβ,γ)=k(α,γ)+l(β,γ)
- 正定性:(α,α)≥0,等号成立当且仅当 α=0
基本概念
| 概念 | 定义 |
|---|
| 长度(范数) | ∥α∥=(α,α) |
| 夹角 | cosθ=∥α∥∥β∥(α,β) |
| 正交 | (α,β)=0⟺α⊥β |
| 单位向量 | ∥α∥=1 |
Cauchy-Schwarz 不等式
∣(α,β)∣≤∥α∥⋅∥β∥
等号成立当且仅当 α,β 线性相关。
三角不等式
∥α+β∥≤∥α∥+∥β∥
标准正交基
基 ε1,…,εn 称为标准正交基,若
(εi,εj)=δij={10i=ji=j
在标准正交基下,向量的坐标就是内积:若 α=∑xiεi,则 xi=(α,εi)。
施密特正交化
对任意一组基 α1,…,αn,可构造标准正交基:
- 正交化:
β1=α1
βk=αk−∑i=1k−1(βi,βi)(αk,βi)βi,k=2,…,n
- 单位化:ηk=∥βk∥βk
正交变换
线性变换 σ 称为正交变换,若对任意 α,β∈V:
(σ(α),σ(β))=(α,β)
即保持内积不变。
等价条件
- ∥σ(α)∥=∥α∥(保长)
- σ 将标准正交基映为标准正交基
- σ 在标准正交基下的矩阵 Q 是正交矩阵:Q⊤Q=I
正交矩阵
Q 是正交矩阵 ⟺ Q⊤Q=I ⟺ 列(行)向量是两两正交的单位向量 ⟺ Q−1=Q⊤。
正交矩阵的行列式为 ±1。第一类(det=1)对应旋转,第二类(det=−1)对应反射。
对称变换与实对称矩阵
对称变换
若 σ 满足 (σ(α),β)=(α,σ(β)),则称 σ 为对称变换。在标准正交基下,对称变换的矩阵是实对称矩阵。
实对称矩阵的谱定理
定理:实对称矩阵的特征值全是实数,且不同特征值对应的特征向量正交。
对角化定理:任何实对称矩阵 A 可正交对角化:存在正交矩阵 Q,使
Q⊤AQ=diag(λ1,…,λn)
化二次型为平方和(正交变换法)
这正是二次型标准形理论中正交变换法的理论基础。