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规范正交基

规范正交

定义

如果一个向量组中的每个向量的范数都是 1 且与其他向量正交,,则称这个向量组是规范正交的(orthononmal)。

即对于向量空间 V 上的向量组 e1,,en ,如果其是规范正交的,则:

ej,ek={1,j=k,0,jk,

相关性质

  1. e1,,emV 中的规范正交向量组,则对所有 a1,,amF 均有:
a1e1++amem2=|a1|2++|am|2

因为规范正交向量组中的向量的范数都是 1 ,所以很容易得到这条性质。

  1. 规范正交向量组是线性无关的。

证明:设 e1,,emV 中的规范正交向量组,并设 a1,,amF 使得:

a1e1++amem=0

根据性质1,并结合上式:

a1e1++amem2=|a1|2++|am|2=0|aj|2=0,其中1jmaj=0

因此根据线性无关成立的条件,可知 e1,,em 线性无关。

规范正交基

定义

如果一个规范正交向量组正好也是张成该向量空间的基,那么这个向量组就是这个向量空间的规范正交基(orthonormal basis)。

相关性质

  1. 向量空间 V 中的每个长度为 dimV 的规范正交向量组都是 V 的规范正交基。

该性质由规范正交向量组的线性无关性易得,故省略证明。

  1. 对于向量空间中的任意向量,我们可以通过以下方式将其转换为规范正交基的线性组合:

e1,,enV 的规范正交基,那么对于任意 vV 都有

v=v,e1e1++v,enen

v2=|v,e1|2++|v,en|2

证明:

因为 e1,,enV 的基,所以一定存在 a1,,anF 使得

v=a1e1,,anen

将上式与基中的任意向量 ej 做内积,可以得到

v,ej=a1e1,ej++ajej,ej++anen,ej

因为该基是规范正交的,故而每个 ek,ej=0其中kj ,那么

v,ej=ajej,ej=aj1=ajv=v,e1e1++v,enen

本性质中的第一个等式证明完毕,由规范正交组的相关性质易得本性质中的第二个等式,故省略。

格拉姆-施密特过程

过程定义

格拉姆-施密特过程(Gram–Schmidt Procedure)是一个将任意线性无关组转换成规范正交组的方法,该方法如下所述。

v1,,vmV 中的线性无关组,设 e1=v1/v1 ,对于 1<jm 则定义为

ej=vjvj,e1e1vj,ej1ej1vjvj,e1e1vj,ej1ej1

e1,,emV 中的规范正交组,使得对 1jm

span(v1,,vj)=span(e1,,ej)

证明:

首先对于 j=1 的情况,显然 e1v1 的正数倍,那么 span(v1)=span(e1) 自然成立。

我们先设 1<j<m 的情况下成立

span(v1,,vj)=span(e1,,ej)

因为 vjspan(v1,,vj)v1,,vm 是线性无关组),所以 vjspan(v1,,vj) ,所以根据 ej 的定义,可知其中的分母不为 0 ,又因为 ej 的定义可以看作是一个向量除以其本身范数,故而可知 ej=1

再设 1k<j ,则

ej,ek=vjvj,e1e1vj,ej1ej1vjvj,e1e1vj,ej1ej1,ek=vj(vj,e1e1++vj,ej1ej1)vjvj,e1e1vj,ej1ej1,ek=vjvjvjvj,e1e1vj,ej1ej1,ek=vj,ekvj,ekvjvj,e1e1vj,ej1ej1=0

可知 e1,,ej 是个规范正交组。

使用归纳法重复以上过程,可以证得 e1,,em 是规范正交组。

接着,因为在 1jm 的情况下,格拉姆-施密特过程中的第二个等式左右两边都是线性无关组,且两边长度相等,故而其张成空间的维数也相等,任意 ej 又是通过代数方法由 vj 转换而来(它们都在同一个向量空间中),那么等式两边的张成空间必然也相等。

相关推论

  1. 任意有限维内积空间都有规范正交基。

证明:对于某个有限维内积空间,其必然存在基,对其任意基做格拉姆-施密特过程,就可以得到长度与该基相同的规范正交组(因为基的长度是有限的),那么此规范正交组显然张成该内积空间,即得到了该空间的规范正交基。

  1. 对于任意有限维内积空间,其中任意规范正交向量组都可以扩充为规范正交基。

简略证明:将任意规范正交向量组的长度扩充到和该内积空间的维度相同,并且保持线性无关,再应用基做格拉姆-施密特过程即可(最后得到的组因为前若干个向量本就规范正交,故而保持不变)。

  1. TL(V) ,如果 T 关于 V 的某个基有上三角矩阵,那么 T 关于 V 某个规范正交基也有上三角矩阵。

证明:

T 关于 v1,,vn 具有上三角矩阵,那么对于任意 1jn 都有 span(v1,,vn)T 下不变。

v1,,vn 做基做格拉姆-施密特过程,得到 V 的规范正交基 e1,,em ,那么对于任意 1jn 都有

span(v1,,vj)=span(e1,,ej)

所以对于任意 1jn 也都有 span(e1,,ej)T 下不变,故而 T 关于规范正交基 e1,,em 有上三角矩阵。

  1. 舒尔定理:设 V 是有限维复向量空间且 TL(V) , 则 T 关于 V 的某个规范正交基有上三角矩阵。

结合性质3以及算子关于向量空间基的上三角矩阵的存在性,就可以得到该定理。

里斯表示定理

V 是有限维的且 φV 上的线性泛函,即 φL(V,F) ,则唯一存在向量 uV 使得对任意 vV 都有 φ(v)=v,u

该定理揭示了一个真相:与任意取定向量做内积运算其实是一种线性泛函。

证明:

e1,,enV 的一个规范正交基,那么对于任意 vV 均有

φ(v)=φ(v,e1e1++v,enen)=v,e1φ(e1)++v,enφ(en)=v,φ(e1)e1+v,φ(en)en=v,φ(e1)e1++φ(en)en

显然,取 u=φ(e1)e1++φ(en)en 就可以使得 φ(v)=v,u ,已证得命题的存在性。

为了证明命题的唯一性,设有 u1,u2V 使得任意 vV 均有

φ(v)=v,u1=v,u2

显然对于任意 vV 也有

0=v,u1v,u2=v,u1u2

v=u1u2 ,那么可得 u1u2,u1u2 ,此时 u1u2 必然为 0 ,故而 u1=u2 ,证得命题的唯一性。

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