相似矩阵及二次型《向量的内积》课件

ij
1, 当 i
0,
当i
j; j
i, j 1,2,,n
定义5 若 P 为正交阵，则线性变换y Px 称为正
交变换．
性质 正交变换保持向量的长度不变．
证明 设y Px为正交变换,
则有 y yT y xT PT Px xT x x .
例５ 判别下列矩阵是否为正交阵．
1
1 1
2
1 2 1
一、内积的定义及性质
定义1 设有n 维向量
x1
y1
x
x2
,
y
y2
,
xn
yn
令 x, y x1 y1 x2 y2 xn yn
称x, y为向量 x与 y的内积 .
说明
1 nn 4 维向量的内积是3维向量数量积
的推广，但是没有3维向量直观的几何意义．
2 内积是向量的一种运算,如果x, y都是列 向量,内积可用矩阵记号表示为 :
４ 向量空间的正交基
若1,2 ,,r是向量空间V的一个基,且1,2 ,
,
是两
r
两正交
的非
零向量组,
则
称
1
,
2
,,
是
r
向量空间V的正交基.
例1 已知三维向量空间中两个向量
1
1 1,
1
1
2 2
1
正交，试求 3 使1 ,2 ,3构成三维空间的一个正交
基.
解 设3 x1, x2 , x3 T 0,且分别与1,2正交.
例 求向量 1,2,2,3与 3,1,5,1的夹角.
解
cos
18 2 3 26 2
.
4
三、正交向量组的概念及求法
１ 正交的概念 当[ x, y] 0时, 称向量x与y 正交. 由定义知,若 x 0,则 x 与任何向量都正交.
２ 正交向量组的概念 若一非零向量组中的向量两两正交，则称该向
2
1
9 8
8 9 1
4
9 4
9 9 9
由于
4 9
4 9
7 9
1
9 8
8 9 1
4
9 4
1 9
8
8 9 1
4
9 4
T
1 0
0 1
0 0
9 9
4 9
4 9
9 7 9
9 4
9
9 4
9
9 7
0
0
1
9
所以它是正交矩阵．
例６ 验证矩阵
1 1 1 1
2 1
1
0 2
.
1 2
1 2
1 2 1 2 0 0
e1
1
0 0
2
, e2
1 0 0
2 ,e3
1
0 2 ,e4
1
0 2
.
1 2 1 2
由于
[ei ,e j ] 0, [ei ,e j ] 1,
i j且i, j 1,2,3,4. i j且i, j 1,2,3,4.
b1
1,1,0,4
1
1
4
1,1,1,1 0,2,1,3
1111
b3
a3
[b1 ,a3 [b1 ,b1
] ]
b1
[b2 [b2
,a3 , b2
] ]
b2
3,5,1,1 8 1,1,1,1 140,2,1,3 1,1,2,0
4
14
再单位化，得规范正交向量组如下
e1
b1 b1
1 2
1,1,1,1
,ar , b1
] ]
b1
[b2 [b2
, ,
ar b2
] ]
b2
[br1 ,ar ] [br1 ,br1 ]
br
1
那么b1 ,,br两两正交,且b1 ,,br与a1 ,ar等价.
（2）单位化，取
e1
b1 b1
,
e2
b2 b2
,
,er
br br
,
那么 e1 ,e2 ,,er为V的一个规范正交基 .
2a b c 3d 0.
解之可得: x (2
2 ,0,
13 ,)
13 26 26
或
x (2 2 ,0, 1 , 3 ).
13 26 26
量组为正交向量组．
３ 正交向量组的性质
定理1
若n维向
量
1 ,
2
,,
是一组
r
两两
正交的
非零向量,则 1, 2 ,, r 线性无关.
证明 设有 1,2 ,,r 使 11 22 r 0
以a1T 左乘上式两端,得 11T1 0
由 1 0 1T1 1 2 0, 从而有1 0 .
同理可得2 r 0. 故1,2 ,,r线性无关.
1
0 1 1
1 1
a2 0 , 1
a3
1 1
2
0 1
2
2 . 1
四、正交矩阵与正交变换
定义4 若n阶方阵A满足 AT A E 即A1 AT ,则
称A为 正交矩阵 .
定理 A为正交矩阵的充要条件是 A的列向量都 是单位向量且两两正交．
证明 A AT E
1 3 1 2,
1 3 1 2 1
1 8 4
2
9 8
9 1
9 4
.
9 9 9
4 9
4 9
7 9
解
1
1 1
2
1 2 1 3 1 1 2
1 3 1 2 1
考察矩阵的第一列和第二列，
由于
1 1 1 1 1 1 0, 2 2 3 2
所以它不是正交矩阵．
定义3 设n维向量 e1, e2 ,, er是向量空间 V (V
Rn )的一个基,如果e1, e2 ,, er两两正交且都是单位 向量,则称e1, e2 ,, er是V的一个规范正交基. 例如
1 2 1 2 0 0
e1
1
0 0
2 ,e2
1 0 0
2 ,e3
1
0 2 ,e4
向量的长度具有下述性质： 1. 非负性当 x 0时, x 0;当 x 0时, x 0;
2. 齐次性 x x ;
3. 三角不等式 x y x y .
单位向量及n维向量间的夹角
1 当 x 1时,称 x为单位向量 .
2当 x 0, y 0时, arccos x, y
xy 称为n维向量x与y的夹角 .
求一组
非零向量a
2
,
a
3
,
使
a1
,
a
2
,
1
a3 两两正交. 解 a2 ,a3应满足方程a1T x 0,即
x1 x2 x3 0.
它的基础解系为
1
0
1 0 , 2 1 .
1
1
把基础解系正交化，即合所求．亦即取
a2 1,
a3
2
[ 1, 2] [ 1, 1]
1.
其中[1, 2] 1,[1,1] 2,于是得
4 A的行向量是两两正交的单位向量.
思考题
求一单位向量，使它与
1 1,1,1,1, 2 1,1,1,1, 3 2,1,1,3
正交．
思考题解答
解 设所求向量为x (a, b, c, d ),则由题意可得 :
a2 b2 c2 d 2 1, a b c d 0, a b c d 0,
1 2 , 1
e2
b2 b2
1 3
1 1 , 1
e3 b3 b3
1 2
1 0 1
.
e1,e2 ,e3即合所求.
b1 c2
a1; 为a2在
b1
几 上的
何解释 a
投影向量,即
3
b3
c2 [a2 , b1 ] b1 b1 b1
[a2 ,b1] b1 2
b1
,
b2 a2 c2;
则有 [1 , 3 ] [ 2 , 3 ] 0
即
[[21,,33
] ]
x1 x1
x2 x3 0 2x2 x3 0
解之得 x1 x3 , x2 0.
若令 x3 1,则有
x1 1
3 x2 0
x3 1
由上可知1 ,2 ,3构成三维空间的一个正交基.
５ 规范正交基
x, y xT y.
内积的运算性质
其中 x, y, z为n维向量,为实数 : (1) x, y y, x; (2) x, y x, y; (3) x y, z x, z y, z;
(4)[ x, x] 0,且当x 0时有[ x, x] 0.
二、向量的长度及性质
定义2 令
x x, x x12 x22 xn2 , 称 x 为n维向量 x的长度或范数 .
解
取 b1 b2
a1;
a2
[a2
,
b1]
2
b1
b1
1 3 1
4
6
1 2 1
5
3
1 1 ; 1
b3
a3
[a3
,
b1]
2
b1
[a3
,
b2]
2
b2
b1
b2
4 1 0
1
3
1 2 1
5
3
1 1 1
1 2 0.
1
再把它们单位化，取
e1
b1 b1
1 6
所以 e1 ,e2 ,e3 ,e4为R4的一个规范正交基.
同理可知
1 0 0 0
1
00,
2
10,
3
10,
4
0 0
.
0
0
0
1
也为R4的一个规范正交基.
６ 求规范正交基的方法
设1 , 2 ,, r是向量空间V的一个基,要求V
的一个规范正交基,就是要找一组两两正交的单
位向量e1 ,e2 ,,er ,使e1 ,e2 ,,er与1 , 2 ,, r等
上述由线性无关向量组a1 ,,ar构造出正交 向量组b1 ,,br的过程,称为施密特正交化过程 . 例２ 用施密特正交化方法，将向量组
a1 (1,1,1,1),a2 (1,1,0,4),a3 (3,5,1,1) 正交规范化.
解 先正交化，取
b1 a1 1,1,1,1
b2
a2
b1,a2 b1 , b1
22 1 1
2 1
P
2 1
2
0
2 1 2
0
2 0 1
2 0
是正交矩阵.
1
2 2
解 P的每个列向量都是单位向量,且两两正交,
所以P是正交矩阵.
五、小结
1．将一组基规范正交化的方法： 先用施密特正交化方法将基正交化，然后再将
其单位化． 2． A为正交矩阵的充要条件是下列条件之一成立：
1 A1 AT ; 2 AAT E; 3 A的列向量是两两正交的单位向量;
c3 为a3 在平行于b1 , b2的
c32
c3
c31
c2
b2 a2
平面上的投影向量,
a1 b1
由于b1 b2 ,故 c3等于a3分别在b1,b2上的投影
向量c31及 c32之和,即
c3
c31
c32
[a3
,
b1]
2
b1
[a3
,
b2]
2
b2
,
b3 a3 c3 .
b1
b2
例４
已
知a1
1 1,
a11
a21
a12
a22
a1n a11 a2n a12
a21
a22
an1 an2
E
an1 an2 ann a1n a2n ann
1
2
T 1
,
T 2
,,
T n
E
n
1
T 1
1
T 2
1
T n
2
T 1
2
T 2
2
T n
E
n
T 1
n
T 2wk.baidu.com
n
T n
i
T j
1 2
,
1 2
,
1 2
,
1 2
e2
b2 b2
1 0,2,1,3
14
0,
2 , 14
1 , 14
3 14
e3
b3 b3
1 6
1,1,2,0
1, 6
1 6
,
2 6
,0
1 1 4
例３
设
a1
2
,a2
3
,
a
3
1
,
试用施密
1 1 0
特正交化过程把这组向量规范正交化.
价,这样一个问题,称为 把1,2 ,,r 这个基规
范正交化.
若a1 ,a2 ,,ar为向量空间V的一个基,
（1）正交化，取 b1 a1 ，
b2
a2
b1 , a2 b1 , b1
b1
,
b3
a3
[b1 ,a3 [b1 ,b1
] ]
b1
[b2 [b2
, ,
a3 b2
] ]
b2
br
ar
[b1 [b1