Skip to main content

标准正交基与正交变换

欧氏空间的定义

欧几里得空间是实数域 R\mathbb{R} 上的线性空间 VV,其上定义了一个内积 (α,β)(\alpha, \beta),满足:

  1. 对称性(α,β)=(β,α)(\alpha, \beta) = (\beta, \alpha)
  2. 线性性(kα+lβ,γ)=k(α,γ)+l(β,γ)(k\alpha + l\beta, \gamma) = k(\alpha, \gamma) + l(\beta, \gamma)
  3. 正定性(α,α)0(\alpha, \alpha) \geq 0,等号成立当且仅当 α=0\alpha = 0

基本概念

概念定义
长度(范数)α=(α,α)\|\alpha\| = \sqrt{(\alpha, \alpha)}
夹角cosθ=(α,β)αβ\cos \theta = \dfrac{(\alpha, \beta)}{\|\alpha\| \|\beta\|}
正交(α,β)=0    αβ(\alpha, \beta) = 0 \iff \alpha \perp \beta
单位向量α=1\|\alpha\| = 1

Cauchy-Schwarz 不等式

(α,β)αβ|(\alpha, \beta)| \leq \|\alpha\| \cdot \|\beta\|

等号成立当且仅当 α,β\alpha, \beta 线性相关。

三角不等式

α+βα+β\|\alpha + \beta\| \leq \|\alpha\| + \|\beta\|

标准正交基

定义

ε1,,εn\varepsilon_1, \ldots, \varepsilon_n 称为标准正交基,若

(εi,εj)=δij={1i=j0ij(\varepsilon_i, \varepsilon_j) = \delta_{ij} = \begin{cases} 1 & i = j \\ 0 & i \neq j \end{cases}

在标准正交基下,向量的坐标就是内积:若 α=xiεi\alpha = \sum x_i \varepsilon_i,则 xi=(α,εi)x_i = (\alpha, \varepsilon_i)

施密特正交化

对任意一组基 α1,,αn\alpha_1, \ldots, \alpha_n,可构造标准正交基:

  1. 正交化

β1=α1\beta_1 = \alpha_1

βk=αki=1k1(αk,βi)(βi,βi)βi,k=2,,n\beta_k = \alpha_k - \sum_{i=1}^{k-1} \frac{(\alpha_k, \beta_i)}{(\beta_i, \beta_i)} \beta_i, \quad k = 2, \ldots, n

  1. 单位化ηk=βkβk\eta_k = \dfrac{\beta_k}{\|\beta_k\|}

正交变换

定义

线性变换 σ\sigma 称为正交变换,若对任意 α,βV\alpha, \beta \in V

(σ(α),σ(β))=(α,β)(\sigma(\alpha), \sigma(\beta)) = (\alpha, \beta)

即保持内积不变。

等价条件

  • σ(α)=α\|\sigma(\alpha)\| = \|\alpha\|(保长)
  • σ\sigma 将标准正交基映为标准正交基
  • σ\sigma 在标准正交基下的矩阵 QQ 是正交矩阵:QQ=IQ^\top Q = I

正交矩阵

QQ 是正交矩阵     \iff QQ=IQ^\top Q = I     \iff 列(行)向量是两两正交的单位向量     \iff Q1=QQ^{-1} = Q^\top

正交矩阵的行列式为 ±1\pm 1。第一类(det=1\det = 1)对应旋转,第二类(det=1\det = -1)对应反射。

对称变换与实对称矩阵

对称变换

σ\sigma 满足 (σ(α),β)=(α,σ(β))(\sigma(\alpha), \beta) = (\alpha, \sigma(\beta)),则称 σ\sigma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 AA正交对角化:存在正交矩阵 QQ,使 QAQ=diag(λ1,,λn)Q^\top A Q = \operatorname{diag}(\lambda_1, \ldots, \lambda_n)

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。