高等代数 · 课程学习笔记

第 P128 集 · 三:正交、距离、实内积空间结构、标准正交基、欧几里得空间

Orthogonality, Distance, Structure of Real Inner Product Spaces, Orthonormal Basis, Euclidean Space
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P128 / 151 集 核心概念:正交 · 距离 · 三角不等式 · 勾股定理 · 正交基 · 标准正交基 · 欧几里得空间
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◎学习目标

  1. 掌握正交的定义:\((\alpha,\beta)=0\) 时称 \(\alpha\perp\beta\);
  2. 理解距离的定义 \(d(\alpha,\beta)=\|\alpha-\beta\|\),并掌握距离的三条基本性质(非负性、对称性、三角不等式);
  3. 掌握勾股定理:\(\alpha\perp\beta\Rightarrow\|\alpha+\beta\|^2=\|\alpha\|^2+\|\beta\|^2\);
  4. 理解并证明正交向量组线性无关;
  5. 理解正交基与标准正交基的概念,掌握 \(\mathbb{R}^n\) 的标准正交基 \(\varepsilon_1,\dots,\varepsilon_n\);
  6. 理解欧几里得空间的概念:配备标准内积的有限维实内积空间。

1正交的定义与性质 ⏱ 00:01

定义 · 正交 设 \(V\) 是实内积空间,\(\alpha,\beta\in V\)。若 \((\alpha,\beta)=0\),则称 \(\alpha\) 与 \(\beta\)正交,记作 \(\alpha\perp\beta\)。⏱ 00:03
正交的充要条件(等价表述) 对非零向量 \(\alpha,\beta\):
\[ \alpha\perp\beta\ \iff\ \angle(\alpha,\beta)=\frac{\pi}{2}\ \iff\ (\alpha,\beta)=0. \]
相互性 由内积的对称性,\(\alpha\perp\beta\iff\beta\perp\alpha\),正交关系是相互的。⏱ 00:52
几何直观 在 \(\mathbb{R}^3\) 中,正交等价于几何中的垂直。但在一般实内积空间中,我们用正交这个术语,因为它完全由内积定义,不依赖于任何几何图像。⏱ 00:39

2距离的定义与性质 ⏱ 01:11

定义 · 距离 设 \(V\) 是实内积空间,\(\alpha,\beta\in V\),定义 \(\alpha\) 与 \(\beta\) 的距离为:
\[ d(\alpha,\beta)=\|\alpha-\beta\|. \]
即两向量之差的长度。⏱ 01:36
距离的三条基本性质
  1. 非负性:\(d(\alpha,\beta)\geq 0\),且 \(d(\alpha,\beta)=0\iff\alpha=\beta\);
  2. 对称性:\(d(\alpha,\beta)=d(\beta,\alpha)\);
  3. 三角不等式:\(d(\alpha,\gamma)\leq d(\alpha,\beta)+d(\beta,\gamma)\)。
    \[ \|\alpha-\gamma\|\leq\|\alpha-\beta\|+\|\beta-\gamma\|. \]
三角不等式的证明

关键工具:向量大小的三角不等式 \(\|\alpha+\beta\|\leq\|\alpha\|+\|\beta\|\)。⏱ 02:58

先证 \(\|\alpha+\beta\|^2\leq(\|\alpha\|+\|\beta\|)^2\):
\(\|\alpha+\beta\|^2=\|\alpha\|^2+2(\alpha,\beta)+\|\beta\|^2\leq\|\alpha\|^2+2\|\alpha\|\|\beta\|+\|\beta\|^2=(\|\alpha\|+\|\beta\|)^2\),
最后一步用了柯西不等式 \((\alpha,\beta)\leq|(\alpha,\beta)|\leq\|\alpha\|\|\beta\|\)。⏱ 03:52

两边开方即得 \(\|\alpha+\beta\|\leq\|\alpha\|+\|\beta\|\)。
距离三角不等式:令 \(\alpha-\gamma=(\alpha-\beta)+(\beta-\gamma)\),应用上述不等式即证。⏱ 04:32

3勾股定理 ⏱ 03:35

命题 · 勾股定理 设 \(V\) 是实内积空间,\(\alpha,\beta\in V\)。若 \(\alpha\perp\beta\)(即 \((\alpha,\beta)=0\)),则:
\[ \|\alpha+\beta\|^2=\|\alpha\|^2+\|\beta\|^2. \]
证明

\(\|\alpha+\beta\|^2=(\alpha+\beta,\alpha+\beta)=(\alpha,\alpha)+(\alpha,\beta)+(\beta,\alpha)+(\beta,\beta)\)。

由于 \((\alpha,\beta)=0\) 且内积对称,得:

\[ \|\alpha+\beta\|^2=\|\alpha\|^2+0+0+\|\beta\|^2=\|\alpha\|^2+\|\beta\|^2. \]

证毕。⏱ 03:46

几何意义 在 \(\mathbb{R}^2\) 或 \(\mathbb{R}^3\) 中,若 \(\alpha\perp\beta\),则以 \(\alpha\)、\(\beta\)、\(\alpha+\beta\) 为边的三角形是直角三角形,斜边长为 \(\|\alpha+\beta\|\),这正是勾股定理的推广。⏱ 03:57
逆命题成立 由计算过程可知,\(\|\alpha+\beta\|^2=\|\alpha\|^2+\|\beta\|^2\iff(\alpha,\beta)=0\)。因此勾股定理的逆也成立。⏱ 04:00

4正交向量组与正交基 ⏱ 05:41

定义 · 正交向量组与正交基 设 \(V\) 是实内积空间。
  • 正交向量组:\(V\) 中一组两两正交的非零向量 \(\alpha_1,\dots,\alpha_s\)。
  • 正交基:若 \(V\) 是 \(n\) 维实内积空间,一个正交基是 \(V\) 的一个基,且其中的向量两两正交。
定理 · 正交向量组线性无关 实内积空间 \(V\) 中,任意正交向量组 \(\alpha_1,\dots,\alpha_s\) 都是线性无关的。⏱ 06:30
证明

设有 \(k_1\alpha_1+\cdots+k_s\alpha_s=0\)。对任意固定的 \(i\)(\(1\leq i\leq s\)),两边与 \(\alpha_i\) 做内积:⏱ 07:22

\[ (k_1\alpha_1+\cdots+k_s\alpha_s,\ \alpha_i)=0. \]

由双线性展开,当 \(j\neq i\) 时 \((\alpha_j,\alpha_i)=0\)(正交),只剩一项:⏱ 07:50

\[ k_i(\alpha_i,\alpha_i)=0. \]

由于 \(\alpha_i\neq 0\),正定性给出 \((\alpha_i,\alpha_i)=\|\alpha_i\|^2>0\),因此 \(k_i=0\)。
对一切 \(i\) 成立,故 \(\alpha_1,\dots,\alpha_s\) 线性无关。⏱ 08:08

推论 在 \(n\) 维实内积空间 \(V\) 中,任意 \(n\) 个两两正交的非零向量构成 \(V\) 的一个正交基。⏱ 06:38

5标准正交基 ⏱ 07:02

定义 · 标准正交基 设 \(V\) 是实内积空间。\(\varepsilon_1,\dots,\varepsilon_n\) 称为 \(V\) 的一个标准正交基,如果:
  • 它们构成 \(V\) 的一个基;
  • 两两正交:\((\varepsilon_i,\varepsilon_j)=0\)(\(i\neq j\));
  • 每个都是单位向量:\(\|\varepsilon_i\|=1\)(即 \((\varepsilon_i,\varepsilon_i)=1\))。
简记为 Kronecker δ 形式:⏱ 07:18
\[ (\varepsilon_i,\varepsilon_j)=\delta_{ij}=\begin{cases} 1,& i=j,\\ 0,& i\neq j. \end{cases} \]
例:\(\mathbb{R}^n\) 的标准正交基 取 \(\varepsilon_i\) 为第 \(i\) 个分量为 1、其余分量为 0 的列向量(\(i=1,\dots,n\)),则 \(\varepsilon_1,\dots,\varepsilon_n\) 构成 \(\mathbb{R}^n\) 的标准正交基。⏱ 08:10
存在性 任何 \(n\) 维实内积空间都存在标准正交基(将在 P129 用施密特正交化证明)。⏱ 08:26

6欧几里得空间 ⏱ 08:20

定义 · 欧几里得空间 欧几里得空间是指配备了标准内积的有限维实内积空间。
即:\(\mathbb{R}^n\) 配上标准内积 \((\alpha,\beta)=\alpha^T\beta\) 就是一个欧几里得空间。⏱ 08:24
为什么叫"欧几里得"? 因为在 \(\mathbb{R}^3\) 的标准内积下,我们恢复的正是高中所学的欧几里得几何——距离、夹角、正交(垂直)、勾股定理等所有度量概念都能自然地定义和计算。⏱ 08:44
度量矩阵 在标准正交基下,内积的度量矩阵就是单位矩阵 \(I_n\)。任意两个向量 \(\alpha,\beta\) 的坐标列向量分别为 \(X,Y\),则:
\[ (\alpha,\beta)=X^TIY=X^TY=\sum x_iy_i. \]
这再次说明了标准正交基的优越性。⏱ 09:05

★重点回顾

1
正交:\(\alpha\perp\beta\iff(\alpha,\beta)=0\)。正交是相互的。
2
距离:\(d(\alpha,\beta)=\|\alpha-\beta\|\),满足非负性、对称性、三角不等式。
3
勾股定理:\(\alpha\perp\beta\Rightarrow\|\alpha+\beta\|^2=\|\alpha\|^2+\|\beta\|^2\)。
4
正交向量组线性无关:两两正交的非零向量一定线性无关。
5
正交基:两两正交的非零向量组成的基。在 \(n\) 维空间中,\(n\) 个两两正交的非零向量自动成为正交基。
6
标准正交基:每个向量都是单位向量的正交基。满足 \((\varepsilon_i,\varepsilon_j)=\delta_{ij}\)。
7
欧几里得空间:有限维实内积空间(默认配备标准内积)。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆"正交"与"垂直":"正交"是一般的代数概念,"垂直"是几何直观。在一般内积空间下只能用"正交"。
  2. 距离定义:\(d(\alpha,\beta)=\|\alpha-\beta\|\) 而不是 \(\|\alpha\|-\|\beta\|\)。
  3. 勾股定理的方向:\(\alpha\perp\beta\Rightarrow\|\alpha+\beta\|^2=\|\alpha\|^2+\|\beta\|^2\)。不要反过来说(虽然逆命题也成立,但定义上是单向的)。
  4. 正交基 vs 标准正交基:正交基只需两两正交且非零;标准正交基额外要求每个向量长度为 1。
  5. 正交向量组不一定构成基:只有 \(n\) 个两两正交的非零向量在 \(n\) 维空间中才能构成正交基。少于 \(n\) 个时只张成子空间。

✎自测与作业

  1. 验证:在 \(\mathbb{R}^3\) 中,\(\alpha=(1,1,0)^T\),\(\beta=(1,-1,0)^T\) 正交,并验证勾股定理成立。
  2. 计算 \(\alpha=(1,2,3)^T\),\(\beta=(4,-2,1)^T\) 之间的距离 \(d(\alpha,\beta)\)。
  3. 证明:\(\alpha=(1,0,0)^T\),\(\beta=(1,1,0)^T\),\(\gamma=(1,1,1)^T\) 线性无关,但不正交。尝试将它们正交化(为下一节课做铺垫)。
  4. 在 \(\mathbb{R}^3\) 中,验证 \(\varepsilon_1=(1,0,0)^T\),\(\varepsilon_2=(0,1,0)^T\),\(\varepsilon_3=(0,0,1)^T\) 构成标准正交基。
  5. (思考)在 \(\mathbb{R}^2\) 上,取内积 \((\alpha,\beta)_A=\alpha^TA\beta\),其中 \(A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}\)。问:\(\varepsilon_1=(1,0)^T\),\(\varepsilon_2=(0,1)^T\) 在此内积下还正交吗?
  6. (选做)证明:在 \(n\) 维实内积空间中,任何正交向量组都可以扩充为一个正交基。
下一集预告 第 P129 集 · 四:施密特正交化。重点:将任意线性无关向量组正交化并单位化为标准正交基的系统方法——这是整个内积空间理论中最核心的算法。