第八章欧氏空间
第八章欧氏空间
第九章欧氏空间［教学目标］1理解欧氏空间、内积、向量的长度、夹角、正交和度量矩阵的概念。
2理解正交组、正交基、标准正交基和正交矩阵的概念，理解n维欧氏空间的标准正交基的存在性和标准正交基之间过渡矩阵的性质，重点掌握施密特正交化方法。
3理解欧氏空间同构的定义和同构的充要条件。
4理解正交变换的定义及正交变换与正交矩阵的关系，掌握正交变换的几个等价条件。
5理解子空间的正交和正交补的概念，掌握正交补的结构和存在唯一性。
6理解对称变换的定义和对称变换与对称矩阵之间的关系，掌握实对称矩阵特征值的性质，重点掌握用正交变换把实对称矩阵及实二次型化为对角形和标准形的方法。
［教学重难点］欧氏空间的定义，求向量的长度和夹角的方法，施密特正交化方法，正交变换与正交矩阵的关系，用正交变换把实对称矩阵及实二次型化为对角形和标准形的方法。
［教学方法］讲授，讨论和习题相结合。
［教学时间］18学时。
［教学内容］欧氏空间的定义和性质，标准正交基，同构，正交变换，子空间，对称矩阵的标准形，向量到子空间的矩离、最小二乘法*。
[教学过程]§1 定义、性质定义1：设V 是R 上的一个线性空间，在V 上定义了一个二元实函数，称为内积，记为),(βα，如果它具有以下性质：（1）),(),(αββα= （2）),(),(βαβαk k = （3）),(),(),(γβγαγβα+=+（4）0),(≥αα当且仅当0=α时0),(=αα。
这里R k V ∈∈,,,γβα，则V 称为欧几里得空间（简称欧氏空间） 例1、例2。
练习：394P 1（1）。
定义2：非负实数),(αα称为α的长度，记为α 性质：ααk k =单位向量：长度为1的向量。
α单位化：αα-Cauchy Буняковский不等式：βα,∀，有βαβα≤),(等号成立当且仅当βα,线性相关。
在不同内积中，-Cauchy Буняковский不等式的具体例子：例1中，22221222212211n n n n b b b a a a b a b a b a ++++++≤+++ΛΛΛ例2中，2121)()()()(⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰⎰⎰ba ba badx x g dx x f dx x g x f 394P 1、（2）中，∑∑∑∑∑∑======≤n j ni j i ijn j ni ji ijnj ni j i ij y y ax x ay x a 111111定义3：非零向量βα,的夹角βα,为βαβαβα),(arccos,=， πβα≤≤,0。
02-8.1 内积与欧氏空间
n 关于以上定义的内积构成欧氏空间.
8.1 内积和欧氏空间
例2 在2 中对= 任意X
= aa12 ,Y
b1
b2
定义
α ,αi , β j ∈V , c, ai , bj = ∈ (i 1, 2, ..= ., m; j 1, 2,，n)
总有 (1)(O,α ) = 0;
(2) (α , β + γ=) (α , β ) + (α ,γ );
(3) (α , cβ ) = c(α , β );
∑ ∑ ∑ ∑ (4)
当且仅当 α , β 线性相关时, 等号成立.
证明 显然，当且仅当α = 0或β - tα = 0时等式成立. 即当且仅当α，β线性相关时等式成立.
8.1 内积和欧氏空间
例5 对任意实数 ai , bi (i = 1, 2, ..., n)总有
(a1b1 + ... + anbn )2 ≤ (a12 + ... + an2 )(b12 + ... + bn2 )
8.1 内积和欧氏空间
定理 (Cauchy-Schwarz不等式) 设V 是欧氏空间, 则对任意的α , β ∈V , 总有(α , β )2 ≤ (α ,α )(β , β ). 当且仅当α , β 线性相关时, 等号成立. 证明 若α =0, 则左右两式均为0, 等号成立。 若α ≠ 0，考虑向量β -tα ,有 0 ≤ (β -tα , β -tα ) =(β , β ) − 2t(α , β ) + t 2(α ,α ).
第八章 欧氏空间与欧氏几何
第八章 欧氏空间与欧氏几何8.1 设),(),,(2121y y y x x x ==，验证：221221113),(y x y x y x y x y x +--= 是2R 的内积；解：只要验证公理000015,14,13,12而可；012 对称律：222121113),(y x y x y x y x y x +--=),(322122111x y x y x y x y x y =+--=013 分配律： 222122211111)(3)()()(),(z y x z y x z y x z y x z y x +++-+-+=+)3()3(2212211122122111z y z y z y z y z x z x z x z x +--++--= ),(),(z y z x +=014 齐性： 221221113),(y x y x y x y x y x ξξξξξ+--=)3(22122111y x y x y x y x +--=ξ),(y x ξ=015正定性：221221113),(x x x x x x x x x x +--=22212132x x x x +-=222212)(x x x +-=＞0正定. 8.2 设22121),(,),(R y y y x x x T T ∈==(1)定义2212211133),(y kx y x y x y x y x f +--=，问k 取何值时),(y x f 是2R 的内积？(2) 定义22122111),(y x y x y x y x y x f δγβα+++=,问R 中δγβα,,,为何值时，),(y x f 是2R 的内积？解：(1) 由题8.1知，不论k 如何取，),(y x f 均满足,120013，014并且 22211122122111633),(x kx x x x x x kx x x x x x x x x f +-=+--=22221)9()3(x k x x -+-=当09≥-k 即9≥k 时，),(x x f 非负，满足公理015(2) 由定义y x y x y x y x y x y x f T ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+++=δγβαδγβα22122111),(012 对称律: 记y x y x f T ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=δγβα),(, x y x y f T ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=δγβα),(, 则),(),(y x f x y f =的充要条件是：⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛δγβαδβγαδγβαT故当 β=γ 时，称律成立.13 分配律: z y x z y x f T⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+δγβα)(),(z y z x T T ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=δγβαδγβα),(),(z y f z x f +=014齐性:),()(),(y x f y X y x y x f T T ξδγβαξδγβαξξ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= 015正定性:设T x x x ),(21=,当βγα=≠,0时()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2121),(x x x x x x x x f T δββαδββα2221212x x x x δβα++= ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=2221212x x x x αδαβα ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=2222221x x x αβαδαβα ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=2222221x x x αβαδαβα 所以,对任何0≠x ，当0>α，γβ= 及 022≥-αβαδ 时,必有0),(>x x f ,即 0),(≥x x f 当0>α，γβ= 且 02≥-βαδ综上所述:当0≠α时，只要0,02>β-αδ>α,β=γ,对任0≠x ,都有0),(>x x f ;当0=α时，0≠α(否则非负性不存在)⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=2122212),(x x x x x f δβδβδ 不满足非负当0,0,2>β-αδ>αβ=γ同时成立时，),(y x f 为2R 的内积。
第八讲 欧氏空间
高等代数选讲
第八讲 欧氏空间
线性空间中，向量之间的基本运算只有加 法与数量乘法。作为几何空间的推广，可以发 现几何向量的度量性质，如长度、夹角等，在 线性空间的理论中没有得到反映。但是向量的 度量性质在许多问题（包括几何问题）有特殊 的地位。因此有必要在线性空间中引入度量的 概念，使其更接近于几何空间，并有更丰富的 内容与方法。
高等代数选讲 8、构造内积的方法 在实线性空间V 中构造内积使之构成欧氏空间，通 常采用如下两种方法： （1）直接构造：对任意 , V ，直接构造二元实 函数 , ，并验证其满足内积的四条公理。 （2）由正定矩阵确定内积：若V 为 n 维实线性空间， 任取V 的基 1 , 2 ,, n ，以及 n 阶正定矩阵A，定义： b1 b , a1 , a2 ,, an A 2 bn 其中 a11 a2 2 an n , b11 b2 2 bn n
高等代数选讲 欧氏空间证与内积有关的正交变换与对称变换在 现实生活中有着广泛而重要的应用，这两种变换在标 准正交基下分别对应着正交矩阵及实对称矩阵这两种 具有特殊性质的矩阵。要求掌握正交变换与对称变换 的概念及性质，能够运用它们与对应特殊矩阵之间的 关系解题对实对称矩阵A，要求能熟练地找到正交矩阵 T Q，使 Q AQ为对角阵，以及以另一种形式出现的同一 个问题，即用正交变换化实二次型为标准形。 将线性空间关于某个子空间进行直和分解是不唯 一的，但是欧氏空间关于某个子空间及其正交补空间 的直和分解是唯一的。欧氏空间的这种分解是很重要 的，要求掌握子空间的正交补的概念及基本性质，会 求某些子空间的正交补。
1 1 2 2 n n
高等代数选讲 （2） R mn －－对于实矩阵 A aij mn , B bij mn 内积为
欧氏空间与酉空间
（对比）：酉空间的两个向量ξ 与η 称为正交的,如果 (η,ξ ) =0 我们约定零向量与任意向量
正交.
6：在欧氏空间中,如果 ξ 与η1η2 ^ηn 中的每一向量都正交,那么 ξ 与η1η2 ^ηn 的任意线性组
合都正交.
7，对于欧氏空间的两个向量α ， β 有 α + β ≤ α + β ,当且仅当α , β 正交是等号成立. 更 一 般 地 ， ( 采 用 数 学 归 纳 法 证 明 ) 对 于 欧 氏 空 间 中 两 两 正 交 的 向 量 α1,α2 , ^,αn 有 α1 + α2 + ^ + αn = α1 2 + α2 2 + ^ + αn 2 8.几个重要的不等式推论:设 V 是欧氏空间. ∀η,ξ，ζ ∈V .则
且仅当 ξ ,η 线性相关时等号成立。
4：夹角的定义:设ξ 和η 是欧氏空间的两个非零的向量.ξ 与η 的夹角θ 由一下的公式定
义: cosθ = (ξ ,η ) , 0 ≤ θ ≤ π .说明：酉空间夹角没有定义
ηξ
5：正交的定义:欧氏空间的两个向量 ξ 与η 称为正交的,如果 (η,ξ ) =0 我们约定零向量与
（对比：）酉空间 V 中两两正交的非零的向量是线性无关的
6：（正交化方法，定理 8.2.4）设 V 是一个欧氏空间,{α1,α2 , ^,αn} 是 V 的一个线性无关的 向量组,那么可以求出 V 的一个正交组 {β1, β2 , ^, βn} ,使得 βk 是 α1,α2 , ^,αn 的线性组
3
若
U
T
U
=U
T
U=I
（说明：） UT =U-1
对比：设U
欧氏空间
二． 内容及要求
1、 内容：内积、欧氏空间、向量的长度、向量间的夹角、距离的概念、性质.
2、 重点：内积、欧氏空间的定义.
2．正交基（或标准正交基）的求法的基础是建立在"任一线性无关组可得一正交组（从而得一标准正交组）"之上的,上述证明思想的分析过程可从含两个向量的向量组出发,一般地用归纳法,这样易于接受,从而自然得正交基（标准正交基）的求法.这是本节的难点及重点.施密特正交化公式麻烦.
3．子空间的正交补是子空间的一类特殊的余子空间,其结论上不同于一般向量空间的有限维子空间的余子空间存在不唯一；而正交补存在且唯一.而求正交补的思想同求余子空间类似,不同的在于选标准正交基.
一 教学思考
1．在欧氏空间中讨论线性变换,最主要的是讨论那些与内积有关的线性变换,以后两节即讨论这样两类线性变换.
2．从内容上看本节给出了正交变换的定义及等价叙述（分一般欧空上及有限欧空）,以及中正交变换的类型.从中建立了n 维欧氏空间中正交变换与n 阶正交矩阵的一一对应,此二者是同一事物的两种形式,可以相互借助一方讨论另一方,中的正交变换的形式及相应的矩阵的形式.另外n 维欧氏空间的正交变换是v的自同构映射,等结论.本节易理解不麻烦.
3．为更好的认识正交变换,可总结正交矩阵的若干性质.
Ⅱ）反过来：有了"内积"后,可用此表示行来年感的长度与夹角：.
③ 上述关系启发我们可以先定义"内积",然后利用"内积"定义向量的有关度量问题.
第八章 欧氏空间
例3 在R3中，向量 (1, 0, 0), (1, 1, 0) 求 , 的夹角。
欧氏空间
§1 欧氏空间的定义和性质
三、向量的正交
定义4 对欧氏空间V中的两个向量 , , 若内积 ( , ) 0, 则称
与 正交或垂直，记为：
注意： 零向量与任一向量正交。 例4 在R4中求一单位与下面三个向量
例1 设 (1 , 2 ), (1 , 2 ) 为二维实空间R2中的任意两个 向量，问：R2对以下规定的内积是否构成欧氏空间？
(1) ( , ) 1 2 2 1
(2) ( , ) (1 2 )1 (1 2 2 ) 2
正交向量组。
如果一个正交组的每一个向量都是单位向量，则这样的向 量组称为标准正交向量组。 性质1 欧氏空间V中的正交向量组必定线性无关。 注： (1) 单个非零向量也称为一个正交向量组。 (2) 线性无关的向量组不一定是正交向量组。
欧氏空间
§2 标准正交基
定义2 在n维欧氏空间中，由n个向量组成的正交向量组称为 正交基，由n个标准正交向量组成的正交基称为标准正交基。 性质2 设 1 , 2 , , n 是n维欧氏空间V中的一组标准正交基，则
(3) ( , ) ( , ) ( , ) (4) ( , ) 0,当且仅当 0 时有 ( , ) 0 这里 , , 是V中任意的向量，k为实数，这样的线性空间V
称为欧几里得空间，简称为欧氏空间。
欧氏空间
§1 欧氏空间的定义和性质
i 1 i 1 i 1 i 1n n n
n
(4) 一组基为标准正交基的充要条件是它的度量矩阵为 单位矩阵。
欧氏空间
高等代数课件 第八章
( ,) (x1 y1)2 (xn yn )2 （6）
2．标准正交基的性质
设 {1,2} 是 V2 的一个基，但不一定是
正交基。从这个基出发，只要能得出 V2 的一个
正交基 {1, 2}, 问题就解决了,因为将 1和2
再分别除以它们的长度，就得到一个规范正交
注意：（7）和（8）在欧氏空间的不等式（6） 里被统一起来. 因此通常把(6)式称为柯西-施瓦兹不 等式.
三、向量的正交
定义4 欧氏空间的两个向量ξ与η说是正交的,
如果 , 0
定理8.1.2 在一个欧氏空间里，如果向量ξ
与1,2,,r 中每一个正交，那么ξ与 1,2,,r
的任意一个线性组合也正交.
2 a1 2 a1 0,
因而 2 0,
这就得到 V2 的一个正交基 {1, 2}.
3．标准正交基的存在性
定理8.2.2（正交化方法) 设 {1,2 ,,n}
是欧氏空间V的一组线性无关的向量, 那么可以求
出V 的一个正交组 {1, 2,, n}, 使得 k 可以由 1,2,,k 线性表示，k = 1,2,…,m.
由于1,2,,k 线性无关，得 k 0,
又因为假定了 1, 2 ,, k1 两两正交，所以
k ,i
k ,i
k ,i i , i
i , i 0, i 1,2,, k 1
这样，1, 2,, k 也满足定理的要求。
定理8.2.3 任意n(n >0)维欧氏空间一定有正交
基，因而有标准正交基.
例4 在欧氏空间 R3中对基
4) 当 0 时, , 0 这里 ,, 是V的任意向量，a是任意实数，那么
, 叫做向量ξ与η的内积，而V叫做对于 这个内积来说的一个欧氏空间（简称欧氏空间）.
第八章欧氏空间
8.1 向量的内积 8.2 正交基 8.3 正交变换 8.4 对称变换和对称矩阵
8.1 向量的内积
一、内容分布 8.1.1向量的内积、欧氏空间的定义 8.1.2向量的长度、两非零向量的夹角 8.1.3两向量正交、正交向量组的定义、性质
二、教学目的： 1．理解以下概念及其基本性质：向量的内积、欧氏空间、向量的长度、单位
不难验证, Rn 也作成一个欧氏空间.
例3 令C[a,b]是定义在[a,b]上一切连续实函数
所成的向量空间, f (x), g(x) C[a,b]
我们规定
b
f , g a f (x)g(x)dx.
根据定积分的基本性质可知,内积的公理
1)---4)都被满足,因而C[a,b]作成一个欧氏空间.
b2
b2
f (x)g(x)dx
(x)dx (x)dx.
a
a
a
(8)
(8)式称为施瓦兹(Schwarz)不等式.
（7）和（8）在欧氏空间的不等式（6）里被 统一 起来. 因此通常把(6)式称为柯西-施瓦兹 不等式.
例8 设 , 为欧氏空间V 中任意两个
非零向量.证明:
(1) a(a 0)当且仅当 , 的夹角为0;
i (0,,0, 1,0,,0), i =1,2,…,n,
是 Rn 的一个标准正交基. 如果
{1, 2 ,, n} 是n 维欧氏空间V的一个标准
正交基。令ξ是V的任意一个向量那么ξ是可
以唯一写成 x11 x22 xnn.
x1, x2 ,, xn 是ξ关于 {1, 2 ,, n} 的坐标。
求 A 的行列式 | A | 的值.
8.2 正交基
欧氏空间
第八章 欧式空间基础训练题1. 证明，在一个欧氏空间里，对任意的向量α，β，以下等式成立： (1) 222222βαβαβα＋＝－＋＋；(2) 〈α，β 〉＝224141βαβα－－＋.[提示：根据向量内积的定义及向量模的定义易证.]2. 在欧氏空间R 4中，求一个单位向量与 α1＝(1, 1, 0, 0)，α2＝(1, 1, －1, －1)，α3＝(1, －1, 1, －1)都正交.解:ε=⎪⎭⎫ ⎝⎛21,21,21,21－－.3. 设a 1, a 2, …, a n 是n 个实数，证明: )(222211n n i i a a a n a ＋＋＋ ≤∑=.证明: 令α=(1,1, …,1), β=(|a 1|,|a 2|,…, |a n |)〈α , β〉=∑=ni i a 1≤|α|·|β |=)(22221n a a a n +++ . 4. 试证，欧氏空间中两个向量α, β正交的充分必要条件是：对任意的实数t ，都有|α＋t β| ≥ |α|.证明: 〈α +t β,α +t β〉=〈α , α〉+2t 〈α , β〉+t 2〈β , β〉必要性: 设α与β正交, 对任意的实数t ,则〈α +t β,α +t β〉=〈α , α〉+t 2〈β , β〉≥〈α , α〉所以 |α＋t β| ≥ |α|.充分性: 当β=0时,结论成立.当β≠0时,取t 0=2,ββα〉〈-,则〈α +t 0β,α +t 0β〉=〈α , α〉22,ββα〉〈-. 由已知〈α +t 0β,α +t 0β〉≥〈α , α〉故 22,ββα〉〈=0, 所以〈α , β〉= 0. 即α , β正交.5. 在欧氏空间R 4中，求基{α1, α2, α3, α4}的度量矩阵，其中α1＝(1, 1, 1, 1), α2＝(1, 1, 1, 0), α3＝(1, 1, 0, 0), α4＝(1, 0, 0, 0) .解: 度量矩阵为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1111122212331234. 6. 在欧氏空间R 3中，已知基α1＝(1, 1, 1), α2＝(1, 1, 0), α3＝(1, 0, 0)的度量矩阵为B ＝⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--321210102求基ε1＝(1, 0, 0), ε2＝(0, 1, 0), ε3＝(0, 0, 1)的度量矩阵.解: 度量矩阵为 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----343485353.7. 证明α1＝⎪⎭⎫ ⎝⎛21,21,21,21， α2＝⎪⎭⎫ ⎝⎛21,21,21,21－－α3＝⎪⎭⎫ ⎝⎛21,21,21,21－－，α4＝⎪⎭⎫ ⎝⎛-21,21,21,21－ 是欧氏空间R 4的一个规范正交基.[提示:令u =(α1, α2, α3, α4),计算uu T 即可.]8. 设{ε1, ε2, ε3}是欧氏空间V 的一个基, α1＝ε1＋ε2, 且基{ε1, ε2, ε3}的度量矩阵是A ＝⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----612121211.（1）证明α1是一个单位向量；（2）求k ,使α1与β1＝ε1＋ε2＋k ε3正交.证明: (1) 〈ε1 , ε1〉=1, 〈ε1 , ε2〉=1-, 〈ε2 , ε2〉=2〈α1 , α1〉=〈ε1 , ε1〉+2〈ε1 , ε2〉+〈ε2 , ε2〉=1所以α1一个单位向量.（2）k =1-.9. 证明，如果{ε1, ε2,…,εn }是欧氏空间V 的一个规范正交基，n 阶实方阵A ＝(a ij )是正交矩阵，令(η1, η2,…,ηn )＝(ε1, ε2,…,εn )A ,那么{η1, η2,…,ηn }是V 的规范正交基.证明: 〈 ηi ,ηj 〉=kj nk ki a a ∑=1=⎩⎨⎧≠=时当时当j i j i ,0,1 . 10. 设A 是n 阶正交矩阵，证明：（1）若det A ＝1，则－1是的一个特征根；（2）若n 是奇数，且det A ＝1，则1是A 的一个特征根.证明:（1）det(－I －A ) = det(－A A T －A )= det A ·det(－A T －A )= det A ·det(－I －A )=－det(－I －A )所以det(－I －A )=0,即－1是的一个特征根.（2）= det(A A T －A )= det A ·det(A T －A )= det A ·(-1)n·det(I －A ) =－det(I －A )所以det(I －A )=0, 即1是A 的一个特征根.10. 证明，n 维欧氏空间V 的两个正交变换的乘积是一个正交变换；一个正交变换的逆变换还是一个正交变换.[提示: 根据正交矩阵的乘积是正交矩阵, 正交矩阵的逆矩阵是正交矩阵,结论易证.]11. 证明，两个对称变换的和还是对称变换. 两个对称变换的乘积是不是对称变换？找出两个对称变换的乘积是对称变换的一个充要条件.证明: 两个对称变换的和还是对称变换易证. 两个对称变换的乘积不一定是.例如:令ε1 , ε2是R 2的一个规范正交基,分别取R 2 的两个对称线性变换τσ,,使得),(21εεσ＝（ε1 , ε2）⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0001 ， ),(21εετ＝（ε1 , ε2）⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0110 ， 可以验证στ不是对称变换.两个对称变换的乘积是对称变换的一个充要条件是它们可换.12. 设是n 维欧氏空间V 的一个线性变换，证明，如果σ满足下列三个条件中的任意两个，那么它必然满足第三个：（1）σ是正交变换；（2）σ是变换；（3）σ2＝ι（ι是恒等变换）.[提示:根据σ是正交变换当且仅当σ在一个规范正交基下的矩阵是正交矩阵, σ是对称变换当且仅当σ在一个规范正交基下的矩阵是对称矩阵, 结论易证.]13. 设σ是n 维欧氏空间V 的线性变换，若对于任意α, β∈V , 有〈σ(α), β〉＝－〈α, σ(β)〉，则说σ是斜对称的. 证明(1) 斜对称变换关于V 的任意规范正交基的矩阵都是斜对称实矩阵；(2) 若线性变换σ关于V 的某一规范正交基的矩阵是斜对称的，则σ是斜对称线性变换.[提示:证明过程与第八章第三节定理8.3.2(p.349)的证明过程完全类似.]14. 设σ是欧氏空间V 到V '的一个同构映射，证明，如果{ε1, ε2, …, εn }是V 的一个规范正交基，则{σ(ε1), σ(ε2), …, σ(εn )}是V '的一个规范正交基.证明:由(p.253) 定理5.5.3可知, {σ(ε1), σ(ε2), …, σ(εn )}是V '的一个基. 由欧氏空间同构映射的定义可知,〈σ(εi ), σ(εj )〉= 〈εi , εj 〉=⎩⎨⎧≠=时当时当j i j i ,0,1 , 所以结论成立.15. 设σ是n 维欧氏空间V 的一个正交变换. 证明，如果V 的一个子空间W 在σ之下不变，那么W 的正交补⊥W 也在σ之下不变.证明:因为正交变换是可逆线性变换,由(p.331)习题七的第13题的结论得: V = )()(⊥⊕w w σσ.因为⊥⊥w w ,且σ是正交变换,所以)()(⊥⊥w w σσ.由已知条件知,)(w σw ⊆,且σ可逆,因而)(w σw =从而 )(⊥⊥w w σ,即)(⊥w σ⊆⊥w .16. 设{ε1,ε2,ε3,ε4}是欧氏空间V 的一个规范正交基，W ＝L (α1, α2),其中α1＝ε1＋ε3，α2＝2ε1－ε2＋ε4.（1）求W 的一个规范正交基；（2）求W ⊥的一个规范正交基.解:取α3=ε2, α4=ε3,将α1, α2,α3,α4先正交化,然后规范化后得V 的一个规范正交基:β1＝312121εε+ β2＝432121212121εεεε+-- β3＝4321321321323321εεεε+-+β4＝431366161εεε++- 则{β1,β2}和{β3,β4}分别是W 与W ⊥的一个规范正交基.17. 求齐次线性方程组⎩⎨⎧0023214321＝－＋＝＋－＋x x x x x x x . 的解空间W 的一个规范正交基，并求W ⊥.解: 经计算,得空间W 的一个基础解系为α1=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-1011,α2=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-1101 将α1, α2扩充为R 4的一个基α1, α2, α3=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0100,α4=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1000 将α1, α2,. α3, α4规范正交化后得W 的一个规范正交基β1 =⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-3103131, β2 =⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-151153152151, β3=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--101102102101, β4 =⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-210021 那么{β1,β2}和{β3,β4}分别是W 与W ⊥的一个规范正交基且W ⊥=￡(β3,β4).18. 已知R 4的子空间W 的一个基α1＝(1, －1, 1, －1)，α2＝(0, 1, 1, 0)求向量α＝(1, －3, 1, －3)在W 上的内射影.解:易求得W ⊥的一个基α3=(1,0,0,1), α4=(－2, －1,1,0)则α1, α2, α3, α4是R 4的一个基.α＝(2α1－α2) +(－3α3+0α4)所以α在W 上的内射映为2α1－α2 .19. 对于下列对称矩阵A ，各求出一个正交矩阵U ，使得U T AU 是对角形式：(1) A ＝⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--510810228211，(2) A ＝⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----114441784817.解:（1）⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=9189,323231323132313232AU U U T (2)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=2799,31184032181213218121AU U U T。
第八章欧氏空间欧氏空间的定义及基本性质.doc
第八章欧氏空间计划课时：22学时 (P335—360)§8.1 欧氏空间的定义及基本性质（4学时）教学目的及要求：理解内积、长度、夹角、正交、距离的定义，掌握柯西一施瓦兹不等式。
通过本节的学习，使学生逐步掌握由特殊的例子抽象出一般概念的方法。
教学重点、难点：内积的定义、柯西一施瓦兹不等式本节内容分为下面四个问题讲授：一．内积及欧氏空间的定义1. 内积及欧氏空间的定义定义1（内积及欧氏空间的定义P336）注意：(1) .通过这个定义让学生逐步学会从具体例子抽象出一般概念的方法。
(2). 让学生体会公理化定义的特点。
(3). 内积的定义是本章的难点之一。
例1 （P336）例2 （P336）例3 （P336）例4 （P336）2. 向量的长度定义2（向量的长度P337）例5 （P336）例6 （P336）例7 （P336）长度的性质： | kα|＝|k||α|.单位向量二. 柯西一施瓦兹不等式定理8.1.1注意：Cauchy不等式与Schwarz不等式这两个看似完全不同的不等式在高等代数课程中达到了高度的统一。
例8 （P338）例9（P338）三. 两向量的夹角、正交、距离定义3（P338-339）定义4 （P339）作业： P356-P357习题八 1（1），2，3，4，5.§8.2 度量矩阵与正交基（4学时）教学目的及要求：理解度量矩阵、规范正交基、正交矩阵的定义及相应的理论，掌握在规范正交基下内积的算法与正交化方法教学重点、难点：正交化方法本节内容分为下面三个问题讲授：一. 度量矩阵(1). 内积的计算(2).度量矩阵定理8.2.1 （P 309）例1 (P 341)二. 规范正交基(1). 规范正交基的定义注意：一个基为规范正交基的充分必要条件是它的度量矩阵是单位矩阵.(2). 在规范正交基下内积、坐标的算法(3). 规范正交基的求法—正交化过程.定理8.2.3注意：1.Schmidt 正交化方法肯定了)1(≥n n 维欧氏空间的规范正交基的存在性。
第8章 欧氏空间
例2 在欧氏空间 C[0, 2] 中, 函数组 1, cosx, sinx, … , cosnx, sinnx, … 构成 C[0, 2] 的一个正交组. 这是因为：
2 0
2
0
1dx = 2 , , m = n sin mx sin nxdx = 0, m n
2
<x, h>2 ≤ <x, x> <h, h>
当且仅当 x 与 h 线性相关时上式等号才成立.
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证明 1) 若x 与 h 线性相关,则或h = 0 或 h = ax , 都有
<x, h>2 = <x, x> <h, h>,
2) 若x 与 h 线性无关,则 t R, tx +h 0, 所以
2 n
x V, a R, 有
| ax |= < ax , ax > = a < x , x > =| a || x |
2
把长度为1的向量叫做单位向量. 所以向量 x 的 长度为: x／|x | .
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柯西施瓦兹不等式、向量的夹角
定理8.1.1 在欧氏空间里, 对任意向量x, h , 有
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例2 在Rn里对于任意两个向量 x = (x1, x2, ... , xn) , h = (y1, y2, ... , yn) , 规定 < x , h > = 1x1 y1 + 2x2 y2 + ... + nxn yn 容易验证 Rn 对此内积也构成一个欧氏空间.
内积可以构成不同的欧氏空间.
例1, 例2说明在同一向量空间中引入不同的
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第八章欧氏空间计划课时：22学时 (P335—360)§8.1 欧氏空间的定义及基本性质（4学时）教学目的及要求：理解内积、长度、夹角、正交、距离的定义，掌握柯西一施瓦兹不等式。
通过本节的学习，使学生逐步掌握由特殊的例子抽象出一般概念的方法。
教学重点、难点：内积的定义、柯西一施瓦兹不等式本节内容分为下面四个问题讲授：一．内积及欧氏空间的定义1. 内积及欧氏空间的定义定义1（内积及欧氏空间的定义P336）注意：(1) .通过这个定义让学生逐步学会从具体例子抽象出一般概念的方法。
(2). 让学生体会公理化定义的特点。
(3). 内积的定义是本章的难点之一。
例1 （P336）例2 （P336）例3 （P336）例4 （P336）2. 向量的长度定义2（向量的长度P337）例5 （P336）例6 （P336）例7 （P336）长度的性质： | kα|＝|k||α|.单位向量二. 柯西一施瓦兹不等式定理8.1.1注意：Cauchy不等式与Schwarz不等式这两个看似完全不同的不等式在高等代数课程中达到了高度的统一。
例8 （P338）例9（P338）三. 两向量的夹角、正交、距离定义3（P338-339）定义4 （P339）作业：P356-P357习题八1（1），2，3，4，5.§8.2 度量矩阵与正交基（4学时）教学目的及要求：理解度量矩阵、规范正交基、正交矩阵的定义及相应的理论，掌握在规范正交基下内积的算法与正交化方法教学重点、难点：正交化方法本节内容分为下面三个问题讲授：一. 度量矩阵(1). 内积的计算(2).度量矩阵定理8.2.1 （P 309）例1 (P 341)二. 规范正交基(1). 规范正交基的定义注意：一个基为规范正交基的充分必要条件是它的度量矩阵是单位矩阵.(2). 在规范正交基下内积、坐标的算法(3). 规范正交基的求法—正交化过程.定理8.2.3注意：1.Schmidt 正交化方法肯定了)1(≥n n 维欧氏空间的规范正交基的存在性。
欧式空间
欧式空间————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:第八章 欧氏空间向量空间可以看成是通常几何空间概念的推广,然而几何空间里有向量的长度和夹角的概念,而一般的向量空间里却没有得到反映。
这一章我们将在实数域上的向量空间里引入欧氏内积的概念，从而可以合理的定义有向量的长度和夹角，这样的向量空间称为欧氏空间，在许多领域里有广泛的应用。
学习中还要注意学习具体到抽象,再从抽象到具体的辩证的思想方法。
§1 定义和性质几何空间3V 里向量的内积是通过向量的长度和夹角来定义的,即||||cos ξηξηθ⋅=⋅,||ξ表示ξ的长度,θ表示ξ与η的夹角。
我们不能直接按上面方式定义内积,因为还没有定义长度和夹角。
我们要根据几何内积所满足的性质来定义，回想到在第四章第8节在n R 定义内积就是根据几何内积所满足的性质来定义的。
所以在抽象的讨论中，我们取内积作为基本的概念。
定义1 设V 是实数域R 上的一个向量空间，有一个V V ⨯到R 的二元实函数，记作(,)αβ，具有以卡性质:,,V αβγ∀∈，k R ∀∈1） (,)(,)αββα=;2) (,)(,)(,)αβγαβαγ+=+; 3) (,)(,)k k αβαβ=;4) (,)0αα≥， 等号成立当且仅当0α=(,)αβ叫做向量α与β的内积,V 叫做对这个内积来说的欧氏空间。
在需要和其它的内积区别的时候，我们也把满足这4条性质的内积叫做欧氏内积。
在欧氏空间的定义中，对向量空间的维数并无要求,可以是有限维的,也可以是无限维的。
几何空闻中向量的内积显然适合定义中列举的性质，所以几何空间中向置的全体构成一个欧氏空间。
例1 1212(,,,)',(,,,)'n n n a a a b b b R αβ∀==∈，规定α与β的内积为1122(,)'n n a b a b a b αβαβ=+++=，则n R 作成一个欧氏空间。
《高等代数》第八章 欧氏空间
a11()
A(
)
ai1
(
)
a1 j ()
aij ()
a11()
0
a1 j ()
aij () a1 j () ()
的多项式，且
di() | di+1() ( i = 1, 2, … , r-1 ) .
证明 经过行列调动之后，可以使得 A() 的
左上角元素 a11() 0，如果 a11() 不能除尽 A()
的全部元素， 由引理 设可以- 矩找阵到A与(A)(的)左等上价角的元素
B1() ，它的并左且上角A(元)素中b至1(少)有 0一，个并元且素次不数能比被它除
们的乘积是 1 可以推知，它们都是零次多项式， 也就是非零的数 .
证毕
二、举例
例 1 求下列 - 矩阵的秩
2 1
(1) 1
2
1 2 2 1 2 3 2
2 1
1 ;
2
1
(2) 2
1
1
引理 设 - 矩阵A() 的左上角元素 a11() 0
并且 A() 中至少有一个元素不能被它除尽，那么 一定可以找到一个与 A() 等价的矩阵 B() ，它的 左上角元素也不为零, 但是次数比 a11() 的次数低.
证明 根据 A() 中不能被 a11() 除尽的元素
所在的位置，分三种情况来讨论：
如此下去，A() 最后就化成了所要求的形式.
高等代数课件
18
例1 在欧氏空间V2
中， 是把V2 中任意向量
都沿逆时针方向旋转θ
角的变换，则是正交变换.
19
例2 在欧氏空间V3 中,设M是过原点的一个
平面,是V3 中任意向量 关于M的镜面反射，则
是正交变换.
20
定理8.3.1 设是n(0)维欧氏空间V的一个线性变
高等代数课件
2008
1
第八章 欧氏空间
8.1 欧氏空间的定义及基本性 质
8.2 度量矩阵与正交基 8.3 正交变换与对称变换
8.4 子空间与正交性
8.5 对称矩阵的标准形
2
8.1 欧氏空间的定义及性质
一. 解析几何内容回顾 二. 欧氏空间的定义空间 三. 内积的性质 四. 向量的长度 五. 向量的夹角 六. 向量的距离
| |, x 1 2 x 2 2 x n 2
d ( ,) | | ( x 1 y 1 ) 2 ( x 2 y 2 ) 2 ( x n y n ) 2
12
三. 正交化方法
定理 8.2.2 设{1, 2,…, m}是欧氏空间V的一个无关组, 那么 可以求出的一个正交组1, 2,…, m, 使得k可用1, 2,…, m 线性表 示, k=1,2,…,m.
设1, 2,…, n是欧氏空间V的一个基, =x11+x11+…+xnn, =y11+y11+…+ynn如果还1, 2,…, n是一个标准正交基, 则
n
,i xjj,i xi
j1
因此: 向量 关于一个标准正交基的第 i 个坐标就是 与第个 i
基向量的内积. , x 1 y 1 x 2 y 2 x n y n
第八章 欧氏空间教学内容
第八章欧氏空间第八章 欧式空间基础训练题1. 证明，在一个欧氏空间里，对任意的向量α，β，以下等式成立： (1) 222222βαβαβα＋＝－＋＋； (2) 〈α，β 〉＝224141βαβα－－＋.[提示：根据向量内积的定义及向量模的定义易证.] 2. 在欧氏空间R 4中，求一个单位向量与α1＝(1, 1, 0, 0)，α2＝(1, 1, －1, －1)，α3＝(1, －1, 1, －1)都正交.解:ε=⎪⎭⎫ ⎝⎛21,21,21,21－－.3. 设a 1, a 2, …, a n 是n 个实数，证明:)(222211n ni i a a a n a ＋＋＋ ≤∑=.证明: 令α=(1,1, …,1), β=(|a 1|,|a 2|,…, |a n |)〈α , β〉=∑=ni i a 1≤|α|·|β |=)(22221n a a a n +++ .4. 试证，欧氏空间中两个向量α, β正交的充分必要条件是：对任意的实数t ，都有|α＋t β| ≥ |α|.证明: 〈α +t β,α +t β〉=〈α , α〉+2t 〈α , β〉+t 2〈β , β〉 必要性: 设α与β正交, 对任意的实数t ,则〈α +t β,α +t β〉=〈α , α〉+t 2〈β , β〉≥〈α , α〉所以 |α＋t β| ≥ |α|.充分性: 当β=0时,结论成立. 当β≠0时,取t 0=2,ββα〉〈-,则〈α +t 0β,α +t 0β〉=〈α , α〉22,ββα〉〈-. 由已知〈α +t 0β,α +t 0β〉≥〈α , α〉 故22,ββα〉〈=0, 所以〈α , β〉= 0. 即α , β正交.5. 在欧氏空间R 4中，求基{α1, α2, α3, α4}的度量矩阵，其中α1＝(1, 1, 1, 1), α2＝(1, 1, 1, 0), α3＝(1, 1, 0, 0), α4＝(1, 0, 0, 0) .解: 度量矩阵为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛1111122212331234.6. 在欧氏空间R 3中，已知基α1＝(1, 1, 1), α2＝(1, 1, 0), α3＝(1, 0, 0)的度量矩阵为B ＝⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--321210102求基ε1＝(1, 0, 0), ε2＝(0, 1, 0), ε3＝(0, 0, 1)的度量矩阵.解: 度量矩阵为 ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----343485353.7. 证明α1＝⎪⎭⎫ ⎝⎛21,21,21,21， α2＝⎪⎭⎫ ⎝⎛21,21,21,21－－ α3＝⎪⎭⎫ ⎝⎛21,21,21,21－－，α4＝⎪⎭⎫ ⎝⎛-21,21,21,21－是欧氏空间R 4的一个规范正交基.[提示:令u =(α1, α2, α3, α4),计算uu T 即可.]8. 设{ε1, ε2, ε3}是欧氏空间V 的一个基, α1＝ε1＋ε2, 且基{ε1, ε2, ε3}的度量矩阵是A ＝⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----612121211.（1）证明α1是一个单位向量； （2）求k ,使α1与β1＝ε1＋ε2＋k ε3正交.证明: (1) 〈ε1 , ε1〉=1, 〈ε1 , ε2〉=1-, 〈ε2 , ε2〉=2〈α1 , α1〉=〈ε1 , ε1〉+2〈ε1 , ε2〉+〈ε2 , ε2〉=1所以α1一个单位向量. （2）k =1-.9. 证明，如果{ε1, ε2,…,εn }是欧氏空间V 的一个规范正交基，n 阶实方阵A ＝(a ij )是正交矩阵，令(η1, η2,…,ηn )＝(ε1, ε2,…,εn )A ,那么{η1, η2,…,ηn }是V 的规范正交基.证明: 〈 ηi ,ηj 〉=kj nk ki a a ∑=1=⎩⎨⎧≠=时当时当j i j i ,0,1 .10. 设A 是n 阶正交矩阵，证明：（1）若det A ＝1，则－1是的一个特征根；（2）若n 是奇数，且det A ＝1，则1是A 的一个特征根. 证明:（1）det(－I －A ) = det(－A A T －A )= det A ·det(－A T －A ) = det A ·det(－I －A ) =－det(－I －A )所以det(－I －A )=0,即－1是的一个特征根. （2）= det(A A T －A )= det A ·det(A T －A ) = det A ·(-1)n ·det(I －A ) =－det(I －A )所以det(I －A )=0, 即1是A 的一个特征根.10. 证明，n 维欧氏空间V 的两个正交变换的乘积是一个正交变换；一个正交变换的逆变换还是一个正交变换.[提示: 根据正交矩阵的乘积是正交矩阵, 正交矩阵 的逆矩阵是正交矩阵,结论易证.]11. 证明，两个对称变换的和还是对称变换. 两个对称变换的乘积是不是对称变换？找出两个对称变换的乘积是对称变换的一个充要条件.证明: 两个对称变换的和还是对称变换易证. 两个对称变换的乘积不一定是.例如:令ε1 , ε2是R 2的一个规范正交基,分别取R 2 的两个对称线性变换τσ,,使得),(21εεσ＝（ε1 , ε2）⎪⎪⎭⎫⎝⎛0001 ，),(21εετ＝（ε1 , ε2）⎪⎪⎭⎫⎝⎛0110 ，可以验证στ不是对称变换.两个对称变换的乘积是对称变换的一个充要条件是它们可换.12. 设是n 维欧氏空间V 的一个线性变换，证明，如果σ满足下列三个条件中的任意两个，那么它必然满足第三个：（1）σ是正交变换；（2）σ是变换；（3）σ2＝ι（ι是恒等变换）.[提示:根据σ是正交变换当且仅当σ在一个规范正交基下的矩阵是正交矩阵, σ是对称变换当且仅当σ在一个规范正交基下的矩阵是对称矩阵, 结论易证.]13. 设σ是n 维欧氏空间V 的线性变换，若对于任意α, β∈V , 有〈σ(α), β〉＝－〈α, σ(β)〉，则说σ是斜对称的. 证明(1) 斜对称变换关于V 的任意规范正交基的矩阵都是斜对称实矩阵； (2) 若线性变换σ关于V 的某一规范正交基的矩阵是斜对称的，则σ是斜对称线性变换.[提示:证明过程与第八章第三节定理8.3.2(p.349)的证明过程完全类似.] 14. 设σ是欧氏空间V 到V '的一个同构映射，证明，如果{ε1, ε2, …, εn }是V 的一个规范正交基，则{σ(ε1), σ(ε2), …, σ(εn )}是V '的一个规范正交基.证明:由(p.253) 定理5.5.3可知, {σ(ε1), σ(ε2), …, σ(εn )}是V '的一个基. 由欧氏空间同构映射的定义可知,〈σ(εi ), σ(εj )〉= 〈εi , εj 〉=⎩⎨⎧≠=时当时当j i j i ,0,1 , 所以结论成立.15. 设σ是n 维欧氏空间V 的一个正交变换. 证明，如果V 的一个子空间W 在σ之下不变，那么W 的正交补⊥W 也在σ之下不变.证明:因为正交变换是可逆线性变换,由(p.331)习题七的第13题的结论得: V = )()(⊥⊕w w σσ.因为⊥⊥w w ,且σ是正交变换,所以)()(⊥⊥w w σσ.由已知条件知,)(w σw ⊆,且σ可逆,因而)(w σw = 从而 )(⊥⊥w w σ,即)(⊥w σ⊆⊥w .16. 设{ε1,ε2,ε3,ε4}是欧氏空间V 的一个规范正交基，W ＝L (α1, α2),其中α1＝ε1＋ε3，α2＝2ε1－ε2＋ε4.（1）求W 的一个规范正交基； （2）求W ⊥的一个规范正交基.解:取α3=ε2, α4=ε3,将α1, α2,α3,α4先正交化,然后规范化后得V 的一个规范正交基:β1＝312121εε+ β2＝432121212121εεεε+--β3＝4321321321323321εεεε+-+ β4＝431366161εεε++-则{β1,β2}和{β3,β4}分别是W 与W ⊥的一个规范正交基.17. 求齐次线性方程组⎩⎨⎧0023214321＝－＋＝＋－＋x x x x x x x . 的解空间W 的一个规范正交基，并求W ⊥.解: 经计算,得空间W 的一个基础解系为α1=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-1011,α2=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-1101将α1, α2扩充为R 4的一个基α1, α2, α3=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0100,α4=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1000将α1, α2,. α3, α4规范正交化后得W 的一个规范正交基β1 =⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-3103131, β2 =⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-151153152151, β3=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--101102102101, β4 =⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-210021 那么{β1,β2}和{β3,β4}分别是W 与W ⊥的一个规范正交基且W ⊥=￡(β3,β4).18. 已知R 4的子空间W 的一个基α1＝(1, －1, 1, －1)，α2＝(0, 1, 1, 0)求向量α＝(1, －3, 1, －3)在W 上的内射影.解:易求得W ⊥的一个基α3=(1,0,0,1), α4=(－2, －1,1,0)则α1, α2, α3, α4是R 4的一个基.α＝(2α1－α2) +(－3α3+0α4)所以α在W 上的内射映为2α1－α2 .19. 对于下列对称矩阵A ，各求出一个正交矩阵U ，使得U T AU 是对角形式：(1) A ＝⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--510810228211，(2) A ＝⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----114441784817.解:（1）⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=9189,323231323132313232AU U U T (2)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=2799,31184032181213218121AU U U T。
第八章欧氏空间
第⼋章欧⽒空间第九章欧⽒空间［教学⽬标］1理解欧⽒空间、内积、向量的长度、夹⾓、正交和度量矩阵的概念。
2理解正交组、正交基、标准正交基和正交矩阵的概念，理解n维欧⽒空间的标准正交基的存在性和标准正交基之间过渡矩阵的性质，重点掌握施密特正交化⽅法。
3理解欧⽒空间同构的定义和同构的充要条件。
4理解正交变换的定义及正交变换与正交矩阵的关系，掌握正交变换的⼏个等价条件。
5理解⼦空间的正交和正交补的概念，掌握正交补的结构和存在唯⼀性。
6理解对称变换的定义和对称变换与对称矩阵之间的关系，掌握实对称矩阵特征值的性质，重点掌握⽤正交变换把实对称矩阵及实⼆次型化为对⾓形和标准形的⽅法。
［教学重难点］欧⽒空间的定义，求向量的长度和夹⾓的⽅法，施密特正交化⽅法，正交变换与正交矩阵的关系，⽤正交变换把实对称矩阵及实⼆次型化为对⾓形和标准形的⽅法。
［教学⽅法］讲授，讨论和习题相结合。
［教学时间］18学时。
［教学内容］欧⽒空间的定义和性质，标准正交基，同构，正交变换，⼦空间，对称矩阵的标准形，向量到⼦空间的矩离、最⼩⼆乘法*。
[教学过程]§1 定义、性质定义1：设V 是R 上的⼀个线性空间，在V 上定义了⼀个⼆元实函数，称为内积，记为),(βα，如果它具有以下性质：（1）),(),(αββα= （2）),(),(βαβαk k = （3）),(),(),(γβγαγβα+=+（4）0),(≥αα当且仅当0=α时0),(=αα。
这⾥R k V ∈∈,,,γβα，则V 称为欧⼏⾥得空间（简称欧⽒空间）例1、例2。
练习：394P 1（1）。
定义2：⾮负实数),(αα称为α的长度，记为α性质：ααk k =单位向量：长度为1的向量。
α单位化：αα-Cauchy Буняковский不等式：βα,?，有βαβα≤),(等号成⽴当且仅当βα,线性相关。
在不同内积中，-Cauchy Буняковский不等式的具体例⼦：例1中，22221222212211n n n n b b b a a a b a b a b a ++++++≤+++例2中，2121)()()()(=ba ba badx x g dx x f dx x g x f 394P 1、（2）中，∑∑∑∑∑∑======≤n j ni j i ijn j ni ji ijnj ni j i ij y y ax x ay x a 111111定义3：⾮零向量βα,的夹⾓βα,为βαβαβα),(arccos,=，πβα≤≤,0。
第八章 欧氏空间
MATLAB 软件应用第八章 欧氏空间例1：判断向量()2,1,4α=-和()4,4,1β=--是否正交.解：建立m 文件i1.m 如下clca=[2 -1 4];b=[-4 -4 1];c=dot(a,b) %求向量a ，b 的内积 运行结果如下：c =a 与b 内积为0，则a 和b 正交.例2：将向量组()1,0,1α=，()1,0,1β=-规范正交化解：建立m 文件i2.m 如下clcA=[1 1;0 0;1 -1];B=sym(orth(A)) %将A 的列向量组正交规范化，%并以符号的形式输出B'*B %可以验证两个向量是否规范正交化 运行结果如下B =[ -sqrt(1/2), -sqrt(1/2)][ 0, 0][ -sqrt(1/2), sqrt(1/2)]ans =[ 1, 0][ 0, 1]例3 将矩阵400031013A ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭规范正交化。
解：建立m 文件i3.m 如下clcA=[4 0 0; 0 3 1; 0 1 3];B=orth(A)Q=B'*B运行结果如下：B =0 1 0 -985/1393 0 -985/1393 -985/1393 0 985/1393 Q =1 0 * 0 1 0 * 0 1例4：对实对称矩阵222254245A -⎛⎫ ⎪=- ⎪ ⎪--⎝⎭，求正交矩阵U ， 使得T U AU 为对角矩阵解：建立m 文件i4.m 如下clcA=[2 2 -2;2 5 -4;-2 -4 5]; %实对称矩阵A[V,D]=eig(A) %矩阵A 的对角化 V'*V %验证V 是正交阵 运行结果如下：V =-963/3230 2584/2889 1/3 -963/1615 -1292/2889 2/3 -963/1292 0 -2/3D =1 0 0 0 1 0 0 0 10 ans =1 * * * 1 0 * 0 1例5：求向量()2,1,4α=-的模长解：建立m 文件i5.m 如下clca=[2 -1 4]b=norm(a)运行结果如下：a =2 -1 4b =3524/769【练习与思考】1、判别下列矩阵是否正交矩阵（1）111231112211132A⎛⎫-⎪⎪⎪=-⎪⎪⎪-⎪⎝⎭（2）184999814999447999A⎛⎫--⎪⎪⎪=--⎪⎪⎪--⎪⎝⎭2、将下列向量组规范正交化（1）、()123111 124 139ααα⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭（2）、()123111 011 101 110ααα-⎛⎫ ⎪-⎪=⎪-⎪⎝⎭。
第八章 欧氏空间
第八章欧式空间基础训练题1、证明,在一个欧氏空间里,对任意得向量α,β,以下等式成立:(1) ;(2) 〈α,β〉＝、[提示:根据向量内积得定义及向量模得定义易证、]2、在欧氏空间R4中,求一个单位向量与α1＝(1, 1, 0, 0),α2＝(1, 1, －1, －1),α3＝(1, －1, 1, －1)都正交、解:=、3、设a1, a2, …, a n就是n个实数,证明:、证明: 令α=(1,1, …,1),β=(|a1|,|a2|,…, |a n|)α,β=|α|·|β |=、4、试证,欧氏空间中两个向量α, β正交得充分必要条件就是:对任意得实数t,都有|α＋tβ| ≥ |α|、证明: α+tβ,α+tβ=α,α+2tα,β+t2β,β必要性: 设α与β正交, 对任意得实数t ,则α+tβ,α+tβ=α,α+t2β,β≥α,α所以|α＋tβ| ≥ |α|、充分性: 当β=0时,结论成立、当β≠0时,取t0=,则α+t0β,α+t0β=α,α、由已知α+t0β,α+t0β≥α,α故=0, 所以α,β= 0、即α,β正交、5、在欧氏空间R4中,求基{α1, α2, α3, α4}得度量矩阵,其中α1＝(1, 1, 1, 1), α2＝(1, 1, 1, 0), α3＝(1, 1, 0, 0), α4＝(1, 0, 0, 0) 、解: 度量矩阵为、6、在欧氏空间R3中,已知基α1＝(1, 1, 1), α2＝(1, 1, 0), α3＝(1, 0, 0)得度量矩阵为B＝求基ε1＝(1, 0, 0), ε2＝(0, 1, 0), ε3＝(0, 0, 1)得度量矩阵、解: 度量矩阵为、7、证明α1＝, α2＝α3＝,α4＝就是欧氏空间R4得一个规范正交基、[提示:令u=(α1, α2, α3, α4),计算uu T即可、]8、设{ε1, ε2, ε3}就是欧氏空间V得一个基, α1＝ε1＋ε2, 且基{ε1, ε2, ε3}得度量矩阵就是A＝、(1)证明α1就是一个单位向量;(2)求k,使α1与β1＝ε1＋ε2＋kε3正交、证明: (1) ε1 ,ε1=1, ε1 ,ε2=, ε2 ,ε2=2α1 ,α1=ε1 ,ε1+2ε1 ,ε2+ε2 ,ε2=1所以α1一个单位向量、(2)k=、9、证明,如果{ε1, ε2,…,εn}就是欧氏空间V得一个规范正交基,n阶实方阵A ＝(a ij)就是正交矩阵,令(η1, η2,…,ηn)＝(ε1, ε2,…,εn)A,那么{η1, η2,…,ηn}就是V得规范正交基、证明:ηi,ηj== 、10、设A就是n阶正交矩阵,证明:(1)若det A＝1,则－1就是得一个特征根;(2)若n就是奇数,且det A＝1,则1就是A得一个特征根、证明:(1)det(－I－A) = det(－A A T－A)= det A·det(－A T－A)= det A·det(－I－A)=－det(－I－A)所以det(－I－A)=0,即－1就是得一个特征根、(2)= det(A A T－A)= det A·det(A T－A)= det A·(1)n·det(I－A)=－det(I－A)所以det(I－A)=0, 即1就是A得一个特征根、10、证明,n维欧氏空间V得两个正交变换得乘积就是一个正交变换;一个正交变换得逆变换还就是一个正交变换、[提示: 根据正交矩阵得乘积就是正交矩阵, 正交矩阵得逆矩阵就是正交矩阵,结论易证、]11、证明,两个对称变换得与还就是对称变换、两个对称变换得乘积就是不就是对称变换？找出两个对称变换得乘积就是对称变换得一个充要条件、证明: 两个对称变换得与还就是对称变换易证、两个对称变换得乘积不一定就是、例如:令ε1 ,ε2就是R2得一个规范正交基,分别取R2得两个对称线性变换,使得＝(ε1 ,ε2) ,＝(ε1 ,ε2) ,可以验证不就是对称变换、两个对称变换得乘积就是对称变换得一个充要条件就是它们可换、12、设就是n维欧氏空间V得一个线性变换,证明,如果σ满足下列三个条件中得任意两个,那么它必然满足第三个:(1)σ就是正交变换;(2)σ就是变换;(3)σ2＝ι(ι就是恒等变换)、[提示:根据σ就是正交变换当且仅当σ在一个规范正交基下得矩阵就是正交矩阵,σ就是对称变换当且仅当σ在一个规范正交基下得矩阵就是对称矩阵, 结论易证、]13、设σ就是n维欧氏空间V得线性变换,若对于任意α,β∈V, 有〈σ(α),β〉＝－〈α,σ(β)〉,则说σ就是斜对称得、证明(1) 斜对称变换关于V得任意规范正交基得矩阵都就是斜对称实矩阵;(2) 若线性变换σ关于V得某一规范正交基得矩阵就是斜对称得,则σ就是斜对称线性变换、[提示:证明过程与第八章第三节定理8、3、2(p、349)得证明过程完全类似、]14、设σ就是欧氏空间V到V '得一个同构映射,证明,如果{ε1, ε2, …, εn}就是V得一个规范正交基,则{σ(ε1), σ(ε2), …, σ(εn)}就是V '得一个规范正交基、证明:由(p、253) 定理5、5、3可知, {σ(ε1), σ(ε2), …, σ(εn)}就是V '得一个基、由欧氏空间同构映射得定义可知,σ(εi), σ(εj)=εi, εj= ,所以结论成立、15、设σ就是n维欧氏空间V得一个正交变换、证明,如果V得一个子空间W在σ之下不变,那么W得正交补也在σ之下不变、证明:因为正交变换就是可逆线性变换,由(p、331)习题七得第13题得结论得: V= 、因为,且σ就是正交变换,所以、由已知条件知,,且σ可逆,因而从而,即、16、设{ε1,ε2,ε3,ε4}就是欧氏空间V得一个规范正交基,W＝L(α1, α2),其中α1＝ε1＋ε3,α2＝2ε1－ε2＋ε4、(1)求W得一个规范正交基;(2)求W⊥得一个规范正交基、解:取α3=ε2,α4=ε3,将α1, α2,α3,α4先正交化,然后规范化后得V得一个规范正交基:β1＝β2＝β3＝β4＝则{β1,β2}与{β3,β4}分别就是W与W⊥得一个规范正交基、17、求齐次线性方程组、得解空间W得一个规范正交基,并求W⊥、解: 经计算,得空间W得一个基础解系为α1=,α2=将α1, α2扩充为R4得一个基α1, α2, α3=,α4=将α1,α2,、α3,α4规范正交化后得W得一个规范正交基β1 =, β2 =, β3=, β4 =那么{β1,β2}与{β3,β4}分别就是W与W⊥得一个规范正交基且W⊥=￡(β3,β4)、18、已知R4得子空间W得一个基α1＝(1, －1, 1, －1),α2＝(0, 1, 1, 0)求向量α＝(1, －3, 1, －3)在W上得内射影、解:易求得W⊥得一个基α3=(1,0,0,1),α4=(－2, －1,1,0)则α1,α2,α3,α4就是R4得一个基、α＝(2α1－α2) +(－3α3+0α4)所以α在W上得内射映为2α1－α2、19、对于下列对称矩阵A,各求出一个正交矩阵U,使得U T AU就是对角形式:(1) A＝,(2) A＝、解:(1)(2)。
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第九章欧氏空间［教学目标］1理解欧氏空间、内积、向量的长度、夹角、正交和度量矩阵的概念。
2理解正交组、正交基、标准正交基和正交矩阵的概念，理解n维欧氏空间的标准正交基的存在性和标准正交基之间过渡矩阵的性质，重点掌握施密特正交化方法。
3理解欧氏空间同构的定义和同构的充要条件。
4理解正交变换的定义及正交变换与正交矩阵的关系，掌握正交变换的几个等价条件。
5理解子空间的正交和正交补的概念，掌握正交补的结构和存在唯一性。
6理解对称变换的定义和对称变换与对称矩阵之间的关系，掌握实对称矩阵特征值的性质，重点掌握用正交变换把实对称矩阵及实二次型化为对角形和标准形的方法。
［教学重难点］欧氏空间的定义，求向量的长度和夹角的方法，施密特正交化方法，正交变换与正交矩阵的关系，用正交变换把实对称矩阵及实二次型化为对角形和标准形的方法。
［教学方法］讲授，讨论和习题相结合。
［教学时间］18学时。
［教学内容］欧氏空间的定义和性质，标准正交基，同构，正交变换，子空间，对称矩阵的标准形，向量到子空间的矩离、最小二乘法*。
[教学过程]§1 定义、性质定义1：设V 是R 上的一个线性空间，在V 上定义了一个二元实函数，称为内积，记为),(βα，如果它具有以下性质：（1）),(),(αββα= （2）),(),(βαβαk k = （3）),(),(),(γβγαγβα+=+（4）0),(≥αα当且仅当0=α时0),(=αα。
这里R k V ∈∈,,,γβα，则V 称为欧几里得空间（简称欧氏空间） 例1、例2。
练习：394P 1（1）。
定义2：非负实数),(αα称为α的长度，记为α 性质：ααk k =单位向量：长度为1的向量。
α单位化：αα-Cauchy Буняковский不等式：βα,∀，有βαβα≤),(等号成立当且仅当βα,线性相关。
在不同内积中，-Cauchy Буняковский不等式的具体例子：例1中，22221222212211n n n n b b b a a a b a b a b a ++++++≤+++例2中，2121)()()()(⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰⎰⎰ba ba badx x g dx x f dx x g x f 394P 1、（2）中，∑∑∑∑∑∑======≤n j ni j i ijn j ni ji ijnj ni j i ij y y ax x ay x a 111111定义3：非零向量βα,的夹角βα,为βαβαβα),(arccos,=， πβα≤≤,0。
三角不等式：βαβα+≤+定义4：若0),(=βα，称βα,正交或垂直，记为α⊥β 性质：（1）两个向量正交2,πβα=（2）只有零向量才与自身正交，除此之外，任意非零向量均不能与自身正交。
（3）勾股定理：当α⊥β时，222βαβα+=+ 可推广到有限个向量正交的情形：22221221m m αααααα+++=+++ 定义5：度量矩阵设V 是数域F 上的n 维线性空间，n εεε,,,21 是它的一组基，V ∈∀βα,，有nn nn y y y x x x εεεβεεεα+++=+++= 22112211∑∑∑∑======nj ni j i ij nj ni j i j i y x a y x 1111),(),(εεβα，这里),(j i ij a εε=由于),(),(i j j i εεεε=，故ji ij a a =，令()n n ij a A ⨯=，A A ='则AY X '=),(βα，其中⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=n x x x X21，⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n y y y Y 21，则A 称为基n εεε,,,21 的度量矩阵。
性质：不同基的度量矩阵是合同的。
证明：设n ηηη,,,21 是V 的另一组基，C n n ),,,(),,,(2121εεεηηη =，设()n n ij c C ⨯=，则∑==nl l li i c 1εη，∑==nk k kj j c 1εηkj li n l nk k l k nk kj n l l li j i c c c c ),(),(),(1111∑∑∑∑======εεεεηη则()AC C c c B nn n l n k kj li k l nn j i '=⎪⎭⎫⎝⎛==⨯==⨯∑∑11),(,(εεηη。
证毕。
若对0≠∀α，即⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛≠000 X ，有AX X '=),(αα>0，则称度量矩阵A 是正定的。
练习：394P 2；作业：1。
§2 标准正交基 一、标准正交基1、定义：在n 维欧氏空间V 中，由n 个向量组成的两两正交的向量组称为正交基，若n 个向量均是单位向量，则称为标准正交基。
由此可知：有正交基得到标准正交基的方法就是把正交基中的向量全部单位化。
2、性质：（1）若n εεε,,,21 是标准正交基，则有⎩⎨⎧≠==ji ji j i ,0,1),(εε 即标准正交基的度量矩阵是单位矩阵，反之也成立。
（2）n n x x x V εεεαα+++=∈∀ 2211,i n i n i i i i i x x x x =++++=),(),(),(),(11εεεεεεαε即：n n εαεεαεεαεα),(),(),(2211+++= 。
若n n y y y εεεβ+++= 2211，则Y X y x y x y x y x n n nj j j ni i i '=+++==∑∑== 221111),(),(εεβα。
二、标准正交基的求法：设V 是数域F 上的n 维线性空间任一组线性无关的向量均能正交化，任一组正交向量组均能扩充为一组正交基，然后进行标准化（即单位化）即可。
若n ααα,,,21 是一组线性无关的向量，令111122221111222231111333111122211),(),(),(),(),(),(),(),(),(),(),(),(--------=--=-==n n n n n n n n n ββββαββββαββββααβββββαββββααβββββααβαβ可验证n βββ,,,21 两两正交，再单位化，令nn n ββηββηββη===,,,222111 ，即为要求的标准正交向量组。
369P 例；练习：395P 7；作业：6，9。
三、由一组标准正交基到另一组标准正交基的过渡矩阵是正交矩阵。
证明：n εεε,,,21 与n ηηη,,,21 是线性空间V 的两组标准正交基，且A n n ),,,(),,,(2121εεεηηη =，()n n ij a A ⨯=⎩⎨⎧≠==ji ji j i ,0,1),(ηη 因为：n ni i i i a a a εεεη+++= 2211，n nj j j j a a a εεεη+++= 2211即⎩⎨⎧≠==+++=ji ji a a a a a a nj ni j i j i j i ,0,1),(2211 ηη 而nj ni j i j i a a a a a a +++ 2211是A A '的第),(j i 元素，故E A A ='，即A A '=-1。
正交矩阵：我们把满足E A A ='（或E A A ='）的矩阵称为正交矩阵。
四、结论：由标准正交基到标准正交基的过渡矩阵是正交矩阵，反之，若两组基之间的过渡矩阵是正交矩阵，而其中一组基为标准正交基，那么另外一组基也是标准正交基。
§3、同构 一、两个欧氏空间同构 1、定义：R 上的两个欧氏空间称为同构的，如果存在V V '↔:σ（双射）满足：R k V ∈∀∈∀,,βα （1）)()()(βσασβασ+=+ （2）)()(ασασk k = （3）),())(),((βαβσασ=其中，σ称为V 到V '的同构映射 2、性质：（1）具有反身性、对称性、传递性。
（2）同构的欧氏空间有相同的维数，反之，有相同维数的两个欧氏空间也同构。
并且同构的欧氏空间有相同的性质。
因此，以后对一个n 维欧氏空间V ，我们只需要研究与它同构的最简单的欧氏空间n R 即可。
例：数域R 上的n 维欧氏空间V ，n εεε,,,21 是V 的一组标准正交基，,V ∈∀α，n n x x x εεεα+++= 2211作V 到n R 的双射：n n R x x x ∈=),,,()(21 ασ 令V ∈β，设n n y y y εεεβ+++= 2211 （1）)()(),,,(),,,(),,,())()()(()(21212211222111βσασεεεσβασ+=+=+++=++++++=+n n n n n n n y y y x x x y x y x y x y x y x y x（2）R k ∈∀)(),,,(),,,()()(21212211ασεεεσασk x x x k kx kx kx kx kx kx k n n n n ===+++=（3）),(),()),,,(),,,,(())(),((2211221122112121βαεεεεεεβσασ=++++++=+++==n n n n nn n n y y y x x x y x y x y x y y y x x x故数域R 上的n 维欧氏空间V 与n R 同构。
特别地：由同构关系的传递性知，所有n 维欧氏空间都同构。
§4 正交变换 一、正交变换1、定义：设V 是n 维欧氏空间，)(V M A ∈，若V ∈∀βα,，有），（βαβα=),(A A则称A 是正交变换。
2、等价命题：A 是正交变换⇔V∈∀α，αα=A ⇔若n εεε,,,21 是标准正交基，则n A A A εεε,,,21 也是标准正交基⇔A 在任意一组标准正交基下的矩阵是正交矩阵。
3、正交变换的分类： 第一类的正交变换：1-=A 第二类的正交变换：1=A作业：395P 11。
§5 子空间定义1：21,V V 是欧氏空间V 的两个子空间，若对21,V V ∈∀∈∀βα恒有0),(=βα则称21,V V 为正交的，记为21V V ⊥1、若对1V ∈∀α，恒有0),(=αβ，则称β与1V 正交，记为2V ⊥β。
2、若21V V ⊥，则对21V V ∈∀α有1V ∈α，2V ∈α，故0),(=αα，从而0=α，即有}0{21=V V ，故2121V V V V ⊕=+ 可推广为定理5：若子空间s V V V ,,,21 两两正交，则和s V V V +++ 21是直和。