内积空间
概念与定义
设 V 为数域 F(R or C) 上的线性空间,若有一法则使 V 中任意两个向量 α,β 确定为 F 中唯一的数,记为 ⟨α,β⟩ ,且满足:
- ⟨α,β⟩=⟨β,α⟩ :共轭相等,实数域相等,复数域共轭;
- ⟨α+β,γ⟩=⟨α,γ⟩+⟨β,γ⟩,⟨α,β+γ⟩=⟨α,β⟩+⟨α,γ⟩,∀α,β,γ∈V ;
- ⟨kα,β⟩=k⟨α,β⟩,∀k∈F,⟨α,kβ⟩=k⟨α,β⟩,∀k∈F∀α,β∈F ;
- ⟨α,α⟩≥0,⟨α,θ⟩=⟨θ,α⟩=0 第一个式子当且仅当 α=0 等号成立
称 ⟨α,β⟩ 为 内积 , V 为 内积空间 ;细分下 V(C),V(R) 分别称为 酉空间 和 欧式空间 。
酉矩阵定义:AHA=I(AH=AT) ,称 A 为酉矩阵
运算
酉空间中: ⟨X,Y⟩=YTX ,记 YH=YT
欧氏空间: ⟨X,Y⟩=YTX
度量矩阵
α1,α2,…,αn 为内积空间的一组基,记 ⟨αi,αj⟩=gij(i,j=1,2,…,n) 称 G=(gij) 为该基的 度量矩阵 ,设内积空间两个向量为 α,β ,在该基下的坐标为 X,Y ,有: ⟨α,β⟩=XTG(Y)=YHGTX
内积的定理
- 内积的长度: ∥α∥=⟨α,α⟩ ;
- ∣⟨α,β⟩∣≤⟨α,α⟩⟨β,β⟩ ,等号成立充要条件为两个向量线性相关
- ∥α+β∥≤∥α∥+∥β∥
- 向量的距离:d(α,β)=∥α−β∥ ,有 d(α,β)=d(β,α),d(α,β)≤d(α,γ)+d(γ,β) ;
- 向量的夹角: cosϕ=∥α∥⋅∥β∥⟨α,β⟩
- 向量正交: ⟨α,β⟩=0 记为 α⊥β ,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 ,下面演示 Shemidt
正交法的步骤
β1=α1β2=α2−⟨β1,β1⟩⟨α2,β1⟩β1⋮βi=αi−j=1∑i−1⟨βj,βj⟩⟨αi,βj⟩βj,(i=2,3,…,n)
经过上面得到 β 为正交基,下面进行标准化
ηi=∥βi∥βi,(i=1,2,…,n)
得到的 η 为标准正交基。
回顾上面步骤,我们可以看出,每个 α 都可以由 β 表示,进而由 η 表示
⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎧α1=η1⋅∥β1∥α2=η1⋅⟨β1,β1⟩⟨α2,β1⟩∥β1∥+η2⋅∥β2∥⋮αn=η1⋅⟨β1,β1⟩⟨αn,β1⟩∥β1∥+η2⋅⟨β2,β2⟩⟨αn,β2⟩∥β2∥+⋯+ηn⋅∥βn∥
可以写成矩阵形式
A=(α1,α2,…,αn)=(η1,η2,…,ηn)⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎛∥β1∥0⋮0⟨β1,β1⟩⟨α2,β1⟩∥β1∥∥β2∥⋮0⋯⋯⋱⋯⟨β1,β1⟩⟨αn,β1⟩∥β1∥⟨β2,β2⟩⟨αn,β2⟩∥β2∥⋮∥βn∥⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎞=UT
U 是酉矩阵, T 是主对角非负的上三角矩阵。
正交补
正交补: W⊥={α∣∣∣α⊥W,α∈V} 为 W 的正交补,其中的每个向量正交于 W 中的每个向量,也称 W⊥⊥W
- V=W⊥⊕W
- V=W⊕U→U=W⊥
- [K(A)]⊥=R(AH),[R(A)]⊥=K(AH)
- ∀α∈V,∃惟一β∈W,d(β)=ξ∈Wmind(ξ,α)
等距变换
定义
设 f 为内积空间 V 的线性变换,若 ⟨f(α),f(β)⟩=⟨α,β⟩(∀α,β∈V) ,则称 f 是 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 。
若 f 为内积空间 V 的线性变换,下列命题等价:
- ∥f(α)∥=∥α∥,∀α∈V ;
- ⟨f(α),f(β)⟩=⟨α,β⟩(∀α,β∈V) ;
- f 作用在 V 中标准正交基上仍然是标准正交基;
- f 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 R2 中绕原点旋转 θ 的变换记为 f ,取正交单位向量 e1,e2 。(R2 可以看作在平面直角坐标系下, e1=(1,0),e2=(0,1) )
f(e1)=(cosθ)e1+(sinθ)e2f(e2)=(−sinθ)e1+(cosθ)e2f=[cosθsinθ−sinθcosθ]
镜像变换
设在 R2 上, ω 为单位向量, n 为垂直其的单位向量,任意一个向量 OA→ 关于 n 的镜像为 OB→ ,关于 ω 的镜像为 OC→ 。那么我们要求 OB→ 如何求呢?
OA→+OC→=2⋅∥OA→∥⋅cos∠AOω⋅ω∥OA→∥⋅cos∠AOω=∥ω∥OA→⋅ω=OA→⋅ωOB→=−OC→=OA→−2(OA→⋅ω)ω
推广到酉空间,记为 H
H(X)=X−2⟨X,ω⟩ω(∀X∈Cn)
不妨扩展一下,记 ω,ϵ2,ϵ3,…,ϵn 为 Cn 的标准正交基,于是有:
H(ω)=ω−2⟨ω,ω⟩ω=−ωH(ϵi)=ϵi−2⟨ϵi,ω⟩ω=ϵiH=⎝⎜⎜⎜⎛−11⋱1⎠⎟⎟⎟⎞=diag(−1,1,1,…,1)
其是一个行列式为1的酉矩阵。