定义6.7 设V是n维欧氏空间，如果线性变换σ：V→V在一组标准正交基下的矩阵是正交矩阵，则称该变换为正交变换.若ε1，ε2，…，εn仍然是一组标准正交基.因此有：命题6.5 正交变换把标准正交基仍旧变为标准正交基.同样的计算可以得到下面的定理.定理6.4 正交变换保持向量之间的内积不变.证明：设ε1，ε2，…......
2023-11-22
标准正交基在高等代数中的重要性
【摘要】：，αs线性无关.证毕.命题6.4说明在n维欧氏空间中不可能找到n+1个两两正交的非零向量.定义6.4 在n维欧氏空间中，由n个向量组成的正交向量组是一组基，称为正交基.由单位向量组成的正交基，称为标准正交基.在n维欧氏空间V中，任选一组基α1，α2，…，αn出发，一定可以构造一组标准正交基β01，β02，…+xnyn.这个结果表明，在欧氏空间中内积是唯一确定的.另选一组标准正交基η1，η2，…
如果欧氏空间V中的一组非零向量α1，α2，…，αs两两正交，则称为正交向量组.
命题6.4 正交向量组一定是线性无关的.
证明：若α1，α2，…，αs是正交向量组，它们的线性组合
β=k1α1+k2α2+…+ksαs=0.
将向量β与每个向量αi作内积，则有
0=<β，αi>=ki<αi，αi>，
又αi≠0，则ki=0，即α1，α2，…，αs线性无关.证毕.
命题6.4说明在n维欧氏空间中不可能找到n+1个两两正交的非零向量.
定义6.4 在n维欧氏空间中，由n个向量组成的正交向量组是一组基，称为正交基.由单位向量组成的正交基，称为标准正交基.
在n维欧氏空间V中，任选一组基α1，α2，…，αn，可以从它出发来构造一个标准正交基.
首先，令β1=α1，β2=α2+kα1，使得<β1，β2>=0，可得
因此向量
满足条件β1，β2正交，并且
span（α1，α2）=span（β1，β2）.
令β3=α3+kβ1+lβ2，且β1，β2，β3两两正交，则有
<β1，β3>=0，<β2，β3>=0，
从中解得
此时，β1，β2，β3两两正交，且
span（α1，α2，α3）=span（β1，β2，β3）.
一般地，若β1，β2，…，βi已两两正交，则向量
与它们正交，并且满足条件
span（α1，α2，…，αi+1）=span（β1，β2，…，βi+1）.
如此继续，可得正交向量组β1，β2，…，βn，且
span（α1，α2，…，αn）=span（β1，β2，…，βn）.
上面由基α1，α2，…，αn得到两两正交的基β1，β2，…，βn的方法称为Gram-Schmidt正交化方法.将得到的向量组β单位化，这样就证明了下面定理：
定理6.1 在n维欧氏空间V中，从任意一组基α1，α2，…，αn出发，一定可以构造一组标准正交基β01，β02，…，β0n，并且这组基还满足：
span（β01，β02，…，β0i）=span（α1，α2，…，αi），i=1，2，…，n.
推论6.1n维欧氏空间V恒存在标准正交基.
推论6.2n维欧氏空间V的任意一个正交向量组恒可扩充为一组V的正交基.特别地，任意一个单位向量都可以扩充成一组标准正交基.
例6.7 在三维空间R3中，设
α1=（1，1，0），α2=（1，0，-1），α3=（0，-1，1）.
首先，令β1=α1=（1，1，0），β2=α2+kβ1，且<β1，β2>=0，则有
0=<β1，β2>=<α1，α2+kβ1>=<α1，α2>+k<α1，α1>=1+2k，
从中解得
，则有
.
再令β3=α3+kβ1+lβ2，且
<β3，β1>=<β3，β2>=0，
则有
解得
，
，则有
.
最后单位化，得到一组标准正交基：
例6.8 在闭区间[0，1]上考虑R上的线性空间R2[x]，内积定义为
<f（x），g（x）>=∫01f（x）g（x）dx.
取一组基α1=1，α2=x，α3=x2.
令β1=α1=1，β2=α2+kβ1，且<β1，β2>=0，则有
解得
，则有
.
再令β3=α3+kβ1+lβ2，且(www.chuimin.cn)
<β3，β1>=<β3，β2>=0，
则有
解得
，l=-1，则有
.
最后单位化，得
例6.9 （正交化过程的几何意义）在二维欧氏空间R2上，取两个向量
α1=（4，2），α2=（1，3），
利用Gram-Schmidt正交化方法可得
β1=（4，2），β2=α2+kβ1=（-1，2），
其中
.这里向量-kβ1是向量α2在向量β1上的投影.因此，正交化方法的实质是求出向量在已知正交向量组及其垂直方向上的分解.
若ε1，ε2，…，εn是一组标准正交基，这时度量矩阵为单位矩阵
A=（<εi，εj>）=E.
设向量α的坐标是x，向量β的坐标是y，则易见
<α，β>=xyT=x1y1+x2y2+…+xnyn.
这个结果表明，在欧氏空间中内积是唯一确定的.
另选一组标准正交基η1，η2，…，ηn，由η1，η2，…，ηn到ε1，ε2，…，εn的过渡矩阵是O，由于在不同基下的度量矩阵是合同的，则有OTO=E.因此，OTO=OOT=E.
定义6.5n阶方阵O，如果满足条件
OTO=OOT=E，
则O称为正交矩阵.
从正交矩阵的定义可以马上得到：
定理6.2 若矩阵A是n阶方阵，那么下面条件等价：
（1）A是正交矩阵；
（2）A的行向量组构成标准正交基；
（3）A的列向量组构成标准正交基.
习题
6.2.1. 在线性空间R4中，计算向量α，β的夹角.
（1）α=（1，2，2，0）T，β=（-2，0，1，2）T；
（2）α=（0，-3，1，0）T，β=（1，-1，2，-2）T.
6.2.2. 利用Gram-Schmidt正交化方法把下列向量组正交化.
（1）α1=（1，1，1），α2=（1，2，3），α3=（1，4，9）；
（2）α1=（1，0，-1，1），α2=（1，-1，0，1），α3=（-1，1，1，0）.
6.2.3. 设ε1，ε2，…，εn是V的标准正交基，P为正交矩阵，
（η1，η2，…，ηn）=（ε1，ε2，…，εn）P，
问η1，η2，…，ηn是否为标准正交基？为什么？
6.2.4. 设ε1，ε2，ε3是R3中的一组标准正交基，证明：
也是一组标准正交基.
6.2.5. 构造R3的一组标准正交基，使它包含向量
6.2.6. 证明：
（1）正交矩阵的实特征值只能是±1；
（2）正交矩阵的特征值的绝对值一定是1.
6.2.7. 设AT=A，BT=-B且A-B可逆，AB=BA，证明：
（A+B）（A-B）-1
是正交矩阵.
6.2.8. 设A是n阶方阵，且A的特征值不等于0或-1.证明：A及A+E都可逆，且A是正交矩阵的充分必要条件是
（A+E）-1+（AT+E）-1=E.
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