内积空间

概念与定义

VV 为数域 F(R or C)F(R\ \mathrm{or}\ C) 上的线性空间,若有一法则使 VV 中任意两个向量 α,β\alpha,\beta 确定为 FF 中唯一的数,记为 α,β\langle\alpha,\beta\rangle ,且满足:

  1. α,β=β,α\langle\alpha,\beta\rangle=\overline{\langle\beta,\alpha\rangle} :共轭相等,实数域相等,复数域共轭;
  2. α+β,γ=α,γ+β,γ,α,β+γ=α,β+α,γ,α,β,γV\langle\alpha+\beta,\gamma\rangle=\langle\alpha,\gamma\rangle+\langle\beta,\gamma\rangle,\quad\langle\alpha,\beta+\gamma\rangle=\langle\alpha,\beta\rangle+\langle \alpha,\gamma\rangle,\forall\alpha,\beta,\gamma\in V
  3. kα,β=kα,β,kF,α,kβ=kα,β,kFα,βF\langle k\alpha,\beta\rangle=k\langle\alpha,\beta\rangle,\forall k\in F,\quad\langle \alpha,k\beta\rangle=\overline{k}\langle\alpha,\beta\rangle,\forall k\in F\forall\alpha,\beta\in F
  4. α,α0,α,θ=θ,α=0\langle\alpha,\alpha\rangle\geq0,\quad\langle\alpha,\theta\rangle=\langle\theta,\alpha\rangle=0 第一个式子当且仅当 α=0\alpha=\mathbf{0} 等号成立

α,β\langle\alpha,\beta\rangle内积VV内积空间 ;细分下 V(C),V(R)V(C),V(R)​ 分别称为 酉空间欧式空间

酉矩阵定义:AHA=I(AH=AT)A^HA=I\quad(A^H=\overline{A}^T) ,称 AA 为酉矩阵

运算

酉空间中: X,Y=YTX\lang X,Y\rang=\overline{Y}^TX ,记 YH=YTY^H=\overline{Y}^T

欧氏空间: X,Y=YTX\lang X,Y\rang=Y^TX

度量矩阵

α1,α2,,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n 为内积空间的一组基,记 αi,αj=gij(i,j=1,2,,n)\lang\alpha_i,\alpha_j\rang=g_{ij}\quad(i,j=1,2,\dots,n)G=(gij)G=(g_{ij}) 为该基的 度量矩阵 ,设内积空间两个向量为 α,β\alpha,\beta ,在该基下的坐标为 X,YX,Y ,有: α,β=XTG(Y)=YHGTX\lang\alpha,\beta\rang=X^TG\overline(Y)=Y^HG^TX

内积的定理

  1. 内积的长度: α=α,α\|\alpha\|=\sqrt{\lang\alpha,\alpha\rang}
  2. α,βα,αβ,β|\langle\alpha,\beta\rangle|\leq\langle\alpha,\alpha\rangle\langle\beta,\beta\rangle ,等号成立充要条件为两个向量线性相关
  3. α+βα+β\|\alpha+\beta\|\leq\|\alpha\|+\|\beta\|
  4. 向量的距离:d(α,β)=αβ\mathrm{d}(\alpha,\beta)=\|\alpha-\beta\| ,有 d(α,β)=d(β,α),d(α,β)d(α,γ)+d(γ,β)\mathrm{d}(\alpha,\beta)=\mathrm{d}(\beta,\alpha),\mathrm{d}(\alpha,\beta)\leq\mathrm{d}(\alpha,\gamma)+\mathrm{d}(\gamma,\beta)
  5. 向量的夹角: cosϕ=α,βαβ\cos\phi=\frac{\langle\alpha,\beta\rangle}{\|\alpha\|\cdot\|\beta\|}
  6. 向量正交: α,β=0\langle\alpha,\beta\rangle=0 记为 αβ\alpha\bot\beta ,内积空间中相互正交的一组基叫做 正交基 ,如果每个向量是单位向量则为 标准正交基

Schmidt正交法

记一组基为 α1,α2,,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n ,下面演示 Shemidt 正交法的步骤

β1=α1β2=α2α2,β1β1,β1β1βi=αij=1i1αi,βjβj,βjβj,(i=2,3,,n)\beta_1=\alpha_1\\ \beta_2=\alpha_2-\frac{\lang\alpha_2,\beta_1\rang}{\lang\beta_1,\beta_1\rang}\beta_1\\ \vdots\\ \beta_i=\alpha_i - \sum\limits_{j=1}^{i-1}\frac{\lang\alpha_i,\beta_j\rang}{\lang\beta_j,\beta_j\rang}\beta_j,\quad(i=2,3,\dots,n)

经过上面得到 β\beta 为正交基,下面进行标准化

ηi=βiβi,(i=1,2,,n)\eta_i=\frac{\beta_i}{\|\beta_i\|},\quad(i=1,2,\dots,n)

得到的 η\eta 为标准正交基。

回顾上面步骤,我们可以看出,每个 α\alpha 都可以由 β\beta 表示,进而由 η\eta 表示

{α1=η1β1α2=η1α2,β1β1,β1β1+η2β2αn=η1αn,β1β1,β1β1+η2αn,β2β2,β2β2++ηnβn\begin{cases} \alpha_1=\eta_1\cdot\|\beta_1\|\\ \alpha_2=\eta_1\cdot\frac{\lang\alpha_2,\beta_1\rang}{\lang\beta_1,\beta_1\rang}\|\beta_1\|+\eta_2\cdot\|\beta_2\|\\ \vdots\\ \alpha_n=\eta_1\cdot\frac{\lang\alpha_n,\beta_1\rang}{\lang\beta_1,\beta_1\rang}\|\beta_1\|+\eta_2\cdot\frac{\lang\alpha_n,\beta_2\rang}{\lang\beta_2,\beta_2\rang}\|\beta_2\|+\dots+\eta_n\cdot\|\beta_n\|\\ \end{cases}

可以写成矩阵形式

A=(α1,α2,,αn)=(η1,η2,,ηn)(β1α2,β1β1,β1β1αn,β1β1,β1β10β2αn,β2β2,β2β200βn)=UTA=(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)=(\eta_1,\eta_2,\dots,\eta_n) \left(\begin{matrix} \|\beta_1\| & \frac{\lang\alpha_2,\beta_1\rang}{\lang\beta_1,\beta_1\rang}\|\beta_1\| & \cdots & \frac{\lang\alpha_n,\beta_1\rang}{\lang\beta_1,\beta_1\rang}\|\beta_1\|\\ 0 & \|\beta_2\| & \cdots & \frac{\lang\alpha_n,\beta_2\rang}{\lang\beta_2,\beta_2\rang}\|\beta_2\|\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ 0 & 0 & \cdots & \|\beta_n\| \end{matrix}\right) =UT

UU 是酉矩阵, TT 是主对角非负的上三角矩阵。

正交补

正交补: W={ααW,αV}W^\bot=\left\{\alpha\big|\alpha\bot W,\alpha\in V\right\}WW 的正交补,其中的每个向量正交于 WW 中的每个向量,也称 WWW^\bot\bot W

  • V=WWV=W^\bot \oplus W
  • V=WUU=WV=W\oplus U\rightarrow U=W^\bot
  • [K(A)]=R(AH),[R(A)]=K(AH)\left[K(A)\right]^\bot=R(A^H),[R(A)]^\bot=K(A^H)
  • αV,惟一βW,d(β)=minξWd(ξ,α)\forall\alpha\in V,\exist惟一\beta\in W,\mathrm{d}(\beta)=\min\limits_{\xi\in W}d(\xi,\alpha)

等距变换

定义

ff 为内积空间 VV 的线性变换,若 f(α),f(β)=α,β(α,βV)\lang f(\alpha),f(\beta)\rang=\lang\alpha,\beta\rang\quad(\forall\alpha,\beta\in V) ,则称 ff等距变换 。细分下,酉空间称为 酉变换 ,欧氏空间称为 正交变换

ff 为内积空间 VV 的线性变换,下列命题等价:

  1. f(α)=α,αV\|f(\alpha)\|=\|\alpha\|,\forall\alpha\in V
  2. f(α),f(β)=α,β(α,βV)\lang f(\alpha),f(\beta)\rang=\lang\alpha,\beta\rang\quad(\forall\alpha,\beta\in V)
  3. ff 作用在 VV 中标准正交基上仍然是标准正交基;
  4. ff 在标准正交基下的矩阵是 酉矩阵

旋转变换

旋转变换是一种等距变换

设在 R2R^2 中绕原点旋转 θ\theta 的变换记为 ff ,取正交单位向量 e1,e2\mathbf{e_1},\mathbf{e_2} 。(R2R^2 可以看作在平面直角坐标系下, e1=(1,0),e2=(0,1)\mathbf{e_1}=(1,0),\mathbf{e_2}=(0,1)

f(e1)=(cosθ)e1+(sinθ)e2f(e2)=(sinθ)e1+(cosθ)e2f=[cosθsinθsinθcosθ]f(\mathbf{e_1})=(\cos\theta)\mathbf{e_1}+(\sin\theta)\mathbf{e_2}\\ f(\mathbf{e_2})=(-\sin\theta)\mathbf{e_1}+(\cos\theta)\mathbf{e_2}\\ f=\left[\begin{matrix} \cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta \end{matrix}\right]

镜像变换

设在 R2R^2 上, ω\mathbf{\omega} 为单位向量, n\mathbf{n} 为垂直其的单位向量,任意一个向量 OA\mathbf{\overset{\rightarrow}{OA}} 关于 n\mathbf{n} 的镜像为 OB\mathbf{\overset{\rightarrow}{OB}} ,关于 ω\mathbf{\omega} 的镜像为 OC\mathbf{\overset{\rightarrow}{OC}} 。那么我们要求 OB\mathbf{\overset{\rightarrow}{OB}} 如何求呢?

OA+OC=2OAcosAOωωOAcosAOω=OAωω=OAωOB=OC=OA2(OAω)ω\mathbf{\overset{\rightarrow}{OA}} + \mathbf{\overset{\rightarrow}{OC}} = 2\cdot\|\mathbf{\overset{\rightarrow}{OA}}\|\cdot\cos\angle{AO\omega}\cdot\mathbf{\omega}\\ \|\mathbf{\overset{\rightarrow}{OA}}\|\cdot\cos\angle{AO\omega}=\frac{\mathbf{\overset{\rightarrow}{OA}}\cdot\mathbf{\omega}}{\|\mathbf{\omega}\|}=\mathbf{\overset{\rightarrow}{OA}}\cdot\mathbf{\omega}\\ \mathbf{\overset{\rightarrow}{OB}} = -\mathbf{\overset{\rightarrow}{OC}}=\mathbf{\overset{\rightarrow}{OA}}-2(\mathbf{\overset{\rightarrow}{OA}}\cdot\mathbf{\omega})\mathbf{\omega}

推广到酉空间,记为 HH

H(X)=X2X,ωω(XCn)H(X)=X-2\lang X,\omega\rang\omega\quad(\forall X\in C^n)

不妨扩展一下,记 ω,ϵ2,ϵ3,,ϵn\omega,\epsilon_2,\epsilon_3,\dots,\epsilon_nCnC^n 的标准正交基,于是有:

H(ω)=ω2ω,ωω=ωH(ϵi)=ϵi2ϵi,ωω=ϵiH=(111)=diag(1,1,1,,1)H(\omega)=\omega-2\lang\omega,\omega\rang\omega=-\omega\\ H(\epsilon_i)=\epsilon_i-2\lang\epsilon_i,\omega\rang\omega=\epsilon_i\\ H=\left(\begin{matrix} -1 & & & &\\ & 1 & & &\\ & & \ddots & &\\ & & & 1 & \end{matrix}\right)=\mathrm{diag}(-1,1,1,\dots,1)

其是一个行列式为1的酉矩阵。