高等代数 · 课程学习笔记

第 P133 集 · 八:正交变换及性质

Orthogonal Transformations and Their Properties
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P133 / 151 集 核心概念:正交变换 · 保持内积 · 线性性 · 双射性 · 保距映射
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◎学习目标

  1. 理解正交变换的定义:实内积空间 \(V\) 上的满射变换 \(\mathscr{A}\),满足对一切 \(\alpha,\beta\in V\),\(\langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta\rangle=\langle\alpha,\beta\rangle\)(保持内积不变);
  2. 掌握正交变换的五条基本性质:① 保持长度;② 保持非零向量夹角;③ 保持正交性;④ \(\mathscr{A}\) 必为线性变换;⑤ \(\mathscr{A}\) 必为单射(从而双射);
  3. 理解证明线性性的核心技巧:在实内积空间中,通过计算差向量的长度的平方(即该向量与自身的内积),利用内积的正定性推出差为零向量;
  4. 理解保距同构映射(isometry)的概念,以及正交变换的封闭性和可逆性。

1正交变换的定义与几何直观 ⏱ 00:00

课程从几何直观出发。在三维欧氏空间中,绕一条过原点的直线做旋转,或关于一个平面的镜面反射,都保持:

这启发我们去研究一般实内积空间上保持内积不变的变化。

定义 · 正交变换 设 \(V\) 是实内积空间,\(\mathscr{A}:V\to V\) 是映射。如果:
  1. \(\mathscr{A}\) 是满射(\(\mathscr{A}(V)=V\));
  2. 对一切 \(\alpha,\beta\in V\),\(\langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta\rangle=\langle\alpha,\beta\rangle\)(保持内积不变);
则称 \(\mathscr{A}\) 为 \(V\) 上的正交变换(orthogonal transformation)。
\[ \langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta\rangle = \langle\alpha,\beta\rangle,\quad \forall\,\alpha,\beta\in V. \]

注:定义中只要求满射,单射不需要作为条件,它可以从上述两条性质推导出来。

几何例子① 三维空间中绕一条直线的旋转(转角任意);② 关于一个平面的镜面反射。两者都是正交变换。

2保持长度与角度 ⏱ 04:30

性质 1 · 保持长度 对一切 \(\alpha\in V\),\(\|\mathscr{A}\alpha\|=\|\alpha\|\)。
\[ \|\mathscr{A}\alpha\|^2 = \langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\alpha\rangle = \langle\alpha,\alpha\rangle = \|\alpha\|^2. \]
因为 \(\mathscr{A}\) 保持内积,直接取 \(\alpha=\beta\) 即得。
性质 2 · 保持夹角 对一切非零向量 \(\alpha,\beta\in V\)(\(\alpha\neq 0,\beta\neq 0\)),
\[ \angle(\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta) = \angle(\alpha,\beta). \]
证明:由夹角余弦定义 \[ \cos\angle(\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta)=\frac{\langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta\rangle}{\|\mathscr{A}\alpha\|\,\|\mathscr{A}\beta\|}=\frac{\langle\alpha,\beta\rangle}{\|\alpha\|\,\|\beta\|}=\cos\angle(\alpha,\beta). \] 夹角取值在 \([0,\pi]\) 区间内,余弦值相等则角相等。
性质 3 · 保持正交性 对一切 \(\alpha,\beta\in V\),
\[ \mathscr{A}\alpha\perp\mathscr{A}\beta \iff \alpha\perp\beta. \]
证明:\(\mathscr{A}\alpha\perp\mathscr{A}\beta \Leftrightarrow \langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta\rangle=0 \Leftrightarrow \langle\alpha,\beta\rangle=0 \Leftrightarrow \alpha\perp\beta\),三步等价,用到了内积保持性和正交定义。

3核心定理:正交变换一定是线性变换 ⏱ 09:00

这是本集最核心、也最深刻的一条结论:

定理 · 正交变换必为线性变换 设 \(\mathscr{A}\) 是实内积空间 \(V\) 上的正交变换,则 \(\mathscr{A}\) 必为 线性变换(保持加法和数量乘法)。

注意:定义中并没有要求 \(\mathscr{A}\) 是线性的,仅仅要求"满射 + 保持内积",就能推导出线性性。证明只用了"保持内积"这一条,甚至不需要满射条件。

证明:\(\mathscr{A}(\alpha+\beta)=\mathscr{A}\alpha+\mathscr{A}\beta\)(保持加法)

思路:在实内积空间中,要证两个向量相等,只需证它们之差的内积(即差的长度的平方)为零,再利用内积的正定性即得差为零向量。⏱ 10:50

记 \(\delta=\mathscr{A}(\alpha+\beta)-(\mathscr{A}\alpha+\mathscr{A}\beta)\),计算 \(\|\delta\|^2=\langle\delta,\delta\rangle\):

\[ \|\delta\|^2 = \langle\mathscr{A}(\alpha+\beta)-(\mathscr{A}\alpha+\mathscr{A}\beta),\;\mathscr{A}(\alpha+\beta)-(\mathscr{A}\alpha+\mathscr{A}\beta)\rangle. \]

利用内积的双线性展开(四项),再逐项用内积保持性和长度保持性替换:

\[ \begin{aligned} &\langle\mathscr{A}(\alpha+\beta),\mathscr{A}(\alpha+\beta)\rangle - \langle\mathscr{A}(\alpha+\beta),\mathscr{A}\alpha\rangle \\ &- \langle\mathscr{A}(\alpha+\beta),\mathscr{A}\beta\rangle - \langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}(\alpha+\beta)\rangle \\ &+ \langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\alpha\rangle + \langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta\rangle \\ &+ \langle\mathscr{A}\beta,\mathscr{A}(\alpha+\beta)\rangle - \langle\mathscr{A}\beta,\mathscr{A}\alpha\rangle - \langle\mathscr{A}\beta,\mathscr{A}\beta\rangle \end{aligned} \]

每一项都用内积保持性换回原空间:例如 \(\langle\mathscr{A}(\alpha+\beta),\mathscr{A}(\alpha+\beta)\rangle=\langle\alpha+\beta,\alpha+\beta\rangle\),\(\langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta\rangle=\langle\alpha,\beta\rangle\) 等。展开后全部相消,得到 \(\|\delta\|^2=0\)。⏱ 19:30

由内积正定性,\(\|\delta\|^2=0\Rightarrow\delta=0\),故 \(\mathscr{A}(\alpha+\beta)=\mathscr{A}\alpha+\mathscr{A}\beta\)。

类似方法(留作练习)可证 \(\mathscr{A}(k\alpha)=k\,\mathscr{A}\alpha\),⏱ 20:10 故 \(\mathscr{A}\) 为线性变换。

关键技巧实内积空间中,"两向量相等"的一个强有力证法是:证明它们之差的长度的平方等于 0,再由内积正定性推出差为零向量。这一技巧在本定理的证明中起了决定性作用。
老师提示"证明我在书上写得很清楚,回去看书。"丘老师在课堂上指出,线性性的证明细节完整写在他的教材中,本笔记仅保留思路框架。

4单射性与可逆性 ⏱ 21:00

性质 4 · 正交变换必为单射 正交变换 \(\mathscr{A}\) 的核 \(\ker\mathscr{A}=\{\alpha\in V:\mathscr{A}\alpha=0\}\) 只有零向量。

证明:设 \(\alpha\in\ker\mathscr{A}\),则 \(\mathscr{A}\alpha=0\),于是 \(\|\mathscr{A}\alpha\|=0\)。由长度保持性 \(\|\alpha\|=\|\mathscr{A}\alpha\|=0\),得 \(\alpha=0\)。故 \(\ker\mathscr{A}=\{0\}\),\(\mathscr{A}\) 为单射。⏱ 23:00

因为 \(\mathscr{A}\) 已经是满射(定义条件),现在又证得单射,所以 \(\mathscr{A}\) 是双射,从而可逆。

性质 5 · 保持距离 对一切 \(\alpha,\beta\in V\),
\[ d(\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta)=\|\mathscr{A}\alpha-\mathscr{A}\beta\|=\|\mathscr{A}(\alpha-\beta)\|=\|\alpha-\beta\|=d(\alpha,\beta). \]
最后一步用到了 \(\mathscr{A}\) 的线性性(先已证)和长度保持性。
小结正交变换保持实内积空间中一切度量关系不变:长度、夹角、正交性、距离——由"保持内积"这一条核心性质完全推出。

5命题总结:正交变换 = 保距同构 ⏱ 31:00

综合以上所有性质,得到以下重要结论:

命题 E 设 \(\mathscr{A}\) 是实内积空间 \(V\) 上的变换,则以下等价:
  1. \(\mathscr{A}\) 是正交变换(满射 + 保持内积);
  2. \(\mathscr{A}\) 是 \(V\) 到自身的保距同构(双射 + 保持内积)。
进一步,正交变换对于⏱ 35:00复合运算封闭(两个正交变换的复合仍是正交变换),对于⏱ 36:00求逆运算也封闭(正交变换的逆变换仍是正交变换)——这可由"同构映射的复合和逆仍是同构"这一代数事实直接得到。

★重点回顾

1
定义核心:正交变换 = 满射 + 保持内积。不需要额外要求线性或单射,它们都能推导出来。
2
五条性质:保持长度 → 保持夹角 → 保持正交性 → 必为线性变换 → 必为单射(双射)→ 保持距离。
3
证明线性性的技巧(最核心):在实内积空间中,欲证 \(\mathbf{u}=\mathbf{v}\),可证 \(\|\mathbf{u}-\mathbf{v}\|^2=\langle\mathbf{u}-\mathbf{v},\mathbf{u}-\mathbf{v}\rangle=0\),再利用内积正定性推出 \(\mathbf{u}-\mathbf{v}=0\)。
4
证明单射的技巧:由 \(\mathscr{A}\alpha=0\Rightarrow\|\mathscr{A}\alpha\|=0\Rightarrow\|\alpha\|=0\Rightarrow\alpha=0\),故 \(\ker\mathscr{A}=\{0\}\)。
5
保距同构:正交变换就是实内积空间到自身的保距同构映射,保持一切度量关系不变。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 把"正交变换"等同于"正交矩阵":正交变换是抽象空间上的映射,正交矩阵是该变换在特定基下的矩阵表示,两者相关但不等同。
  2. 误以为定义中要同时要求"线性 + 满射 + 保持内积":实际上只需"满射 + 保持内积",线性性可以推导。
  3. 忽略证明线性性时用的内积正定性技巧:在一般的赋范空间中不能直接用"差的内积为0推差为0",此技巧依赖于内积结构。
  4. 混淆"正交变换"和"正交投影":正交投影(见后续课程)不是可逆的(除非投影到全空间),因此不是正交变换。
  5. 对"保持正交性"的方向理解反了:性质3是充要条件 \(\mathscr{A}\alpha\perp\mathscr{A}\beta\iff\alpha\perp\beta\),不是单向的。

✎自测与作业

  1. 验证正交变换保持长度:从定义 \(\langle\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta\rangle=\langle\alpha,\beta\rangle\) 直接推导 \(\|\mathscr{A}\alpha\|=\|\alpha\|\)。
  2. 验证正交变换保持距离:用线性性(先假设已证)和内积保持性,证明 \(d(\mathscr{A}\alpha,\mathscr{A}\beta)=d(\alpha,\beta)\)。
  3. 完成线性性证明:仿照加法部分的方法,自行推导 \(\mathscr{A}(k\alpha)=k\,\mathscr{A}\alpha\)(数量乘法保持)。
  4. 验证正交变换的逆仍为正交变换:设 \(\mathscr{A}\) 是正交变换,证明 \(\mathscr{A}^{-1}\) 也是正交变换。
  5. 验证两个正交变换的复合仍为正交变换:设 \(\mathscr{A},\mathscr{B}\) 均为正交变换,证明 \(\mathscr{A}\circ\mathscr{B}\) 也是正交变换。
  6. (思考)在复内积空间(酉空间)上,类似地定义"酉变换"(满射 + 保持内积),能否同样推出酉变换必为线性变换?证明思路与实情形有何异同?
下一集预告 第 P134 集 · 九:正交变换与正交矩阵,将建立正交变换与其矩阵表示之间的桥梁,给出三个等价命题,并引入正交矩阵的概念。