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类型标准正交基.doc

  • 上传人:天****
  • 文档编号:9518918
  • 上传时间:2025-03-29
  • 格式:DOC
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    关 键  词:
    标准 正交
    资源描述:
    标准正交基 一、 标准正交基定义及相关概念 1、 欧几里得空间: 设V实数域R上一线性空间, 在V上定义了一个二元实函数, 称为内积, 记作(), 它含有以下性质: (1) ()=(); (2) (k)=k(); (3) ()=()+(); (4) ()>=0, 当且仅当=0时, ()=0; 这里, 是V中任意向量, k是任意实数, 这么线性空间V称为欧几里得空间, 简称欧氏空间。 2、 正交向量组: 欧式空间V中一组非零向量, 假如它们两两正交, 就称为一正交向量组。 3、 标准正交基: 在n维欧氏空间中, 由n个向量组成正交向量组称为正交基, 由单位向量组成正交基称为标准正交基。 二、 标准正交基相关性质 1、 正交向量组性质: (1) 正交向量组是线性无关。 证实: 设是一正交向量组, 是m个实数, 且有: 用与等式两边作内积, 得: 由, 有, 从而: 命题得证。 (2) 单个非零向量组成向量组是正交向量组。 (3) 在n维欧氏空间中, 两两正交非零向量不超出n个。(如: 在平面上找不到三个两两垂直非零向量, 在空间中找不到四个两两垂直非零向量。) 2、 标准正交基性质: (1) 若是一组标准正交基, 则: 证实: 时, 由单位向量定义: , 时, 由正交向量定义: 命题得证。 (2) 对一组正交基单位化就得到一组标准正交基。 比如: 因为 所以是一组标准正交基。 (3) n维欧氏空间中, 一组基为标准正交基充要条件是这组基度量矩阵为单位矩阵。 因为度量矩阵是正定, 依据第五章相关正定二次型结果, 正定矩阵等同于单位矩阵, 这说明在n维欧氏空间中存在一组基, 它度量矩阵是单位矩阵, 由此能够断言, 在n维欧氏空间中, 标准正交基是存在。 (4) 若是一组标准正交基, 向量在该基下坐标为, 即: 则: 证实: (5) 若是一组标准正交基, 且: 则: 这个表示式是几何中向量内积在直角坐标系中坐标表示式推广。 三、 标准正交基求法 定理1: n维欧氏空间中任一个正交向量组都能扩充成一组正交基。 证实: 设是欧氏空间中一正交向量组, 对作数学归纳法, 当初, 就是一组正交基了。 假设时定理成立, 也就是说, 能够找到向量, 使得成为一组正交基。 现在来看情形。因为, 所以一定有向量不能被线性表出, 作向量 这里是待定系数, 用与作内积, 得: 取 有 由选择可知, 所以是一正交向量组, 依据归纳法假定, 能够扩充成一正交基, 得证。 定理2: 对于n维欧氏空间中任意一组基, 都能够找到一组标准正交基, 使 证实: 设是一组基, 逐一求出向量 首先, 取通常, 假定已经求出, 它们单位正交, 含有性质 下一步求 因为, 所以不能被线性表出按定理1证实中方法, 作向量 显然, , 且 令, 就是一单位正交向量组, 同时, 由归纳法原理, 得证。 定理中要求, 就相当于由基到基过渡矩阵是上三角形。 定理 2中把一组线性无关向量变成一单位正交向量方法称为施密特(Schimidt)正交化过程。 例: 把, , , 变成单位正交向量组。 解: 先把它们正交化, 得: , , 再单位化, 得: , , , 四、 正交矩阵 1、 定义: n级实数矩阵A称为正交矩阵, 假如; 所以, 以上分析表明, 由标准正交基到标准正交基过渡矩阵是正交矩阵; 反过来, 假如第一组基是标准正交基, 同时过渡矩阵是正交矩阵, 那么第二组基一定也是标准正交基。 最终, 依据逆矩阵性质, 由, 得, 写出来就是: 上式是矩阵行与行之间关系, 而是矩阵列与列之间关系, 二者是等价。 2、 正交矩阵性质: (1) 若A为正交矩阵, 则; (2) 若A为正交矩阵, 则; (3) 若A为正交矩阵, 则也是正交矩阵; (4) 若A为正交矩阵, 则; (5) 两个正交矩阵乘机还是正交矩阵; (6) 若A为正交矩阵, 则也是正交矩阵; 3、 为正交矩阵充要条件是它行(列)向量组是标准正交向量组。 参考文件: [1]线性代数(第四版), 同济大学应用数学系。高等教育出版社, 。[2]高等代数(第三版)。北京大学数学系几何与代数教研室前代数小组.高等代数(第三版)。高等教育出版社, 。
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