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
即对于向量空间
相关性质
- 若
是 中的规范正交向量组,则对所有 均有:
因为规范正交向量组中的向量的范数都是
- 规范正交向量组是线性无关的。
证明:设
根据性质1,并结合上式:
因此根据线性无关成立的条件,可知
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
- 向量空间
中的每个长度为 的规范正交向量组都是 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。
- 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:
设
且
证明:
因为
将上式与基中的任意向量
因为该基是规范正交的,故而每个
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。
设
则
证明:
首先对于
我们先设
因为
再设
可知
使用归纳法重复以上过程,可以证得
接着,因为在
相关推论
- 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。
- 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)。
- 设
,如果 关于 的某个基有上三角矩阵,那么 关于 某个规范正交基也有上三角矩阵。
证明:
设
对
所以对于任意
- 舒尔定理:设
是有限维复向量空间且 , 则 关于 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
设
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:
设
显然,取
为了证明命题的唯一性,设有
显然对于任意
取