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◎学习目标
- 从正交投影的几何性质 \((P\alpha,\beta)=(\alpha,P\beta)\) 抽象出对称变换(自伴变换)的定义;
- 理解并掌握对称变换必为线性变换的证明,掌握"内积相等法"这一重要技巧;
- 理解对称变换在标准正交基下的矩阵是对称矩阵这一核心结论(当且仅当);
- 认识到"对称变换"与"对称矩阵"命名的内在一致性:在标准正交基下,二者互相刻画。
1从正交投影引出对称变换 ⏱ 00:02
丘老师从几何空间中的正交投影出发,自然地引出对称变换的概念。考虑几何空间 \(V\) 中的一个平面 \(U\) 和正交投影映射 \(P\):
其中 \(P_\alpha \beta \in U\),而 \(\beta - P_\alpha \beta \in U^\perp\)(正交补)。由正交性知:
同理,交换角色可得 \((\alpha - P_\alpha \alpha,\; P_\alpha \beta) = 0\)。利用内积的线性性和对称性,推导出:
2对称变换的定义 ⏱ 03:35
3对称变换必为线性变换 ⏱ 05:45
核心问题:仅由 \((A\alpha,\beta)=(\alpha,A\beta)\) 能否推出 \(A\) 是线性变换?答案是肯定的,而且证明方法很巧妙。
证明:\(A\) 保持加法(\(A(\alpha+\beta)=A\alpha+A\beta\))
关键引理:若对一切 \(\gamma\in V\) 有 \((\alpha,\gamma)=(\beta,\gamma)\),则 \(\alpha=\beta\)。⏱ 07:25
证明:移项得 \((\alpha-\beta,\gamma)=0\) 对所有 \(\gamma\) 成立。取 \(\gamma=\alpha-\beta\),则 \((\alpha-\beta,\alpha-\beta)=0\),由内积正定性得 \(\alpha-\beta=0\),即 \(\alpha=\beta\)。
应用引理:对一切 \(\gamma\in V\),计算
再利用对称性换边:
由于对一切 \(\gamma\) 有 \((A(\alpha+\beta),\gamma)=(A\alpha+A\beta,\gamma)\),由引理得 \(A(\alpha+\beta)=A\alpha+A\beta\)。证毕。⏱ 11:15
证明:\(A\) 保持数量乘法
完全类似:对任意实数 \(k\) 和一切 \(\gamma\in V\),
由引理得 \(A(k\alpha)=kA\alpha\)。综上,\(A\) 是线性变换。⏱ 11:55
4对称变换的矩阵刻画 ⏱ 12:45
现在假设 \(V\) 是 \(n\) 维实内积空间,\(\varepsilon_1,\dots,\varepsilon_n\) 是一组标准正交基,\(A\) 在该基下的矩阵为 \(A=(a_{ij})\)。我们来探究:\(A\) 是对称变换 \(\iff\) 矩阵 \(A\) 是对称矩阵?
证明:必要性(\(\Rightarrow\))
若 \(A\) 是对称变换,则对一切 \(\alpha,\beta\) 有 \((A\alpha,\beta)=(\alpha,A\beta)\)。特别地,取 \(\alpha=\varepsilon_j\),\(\beta=\varepsilon_i\):
由于是标准正交基,坐标可用内积读出:\((A\varepsilon_j,\varepsilon_i)=a_{ij}\),\((\varepsilon_j,A\varepsilon_i)=a_{ji}\)(注意内积的对称性 \((u,v)=(v,u)\))。于是:
即 \(A^T=A\),矩阵 \(A\) 是对称矩阵。⏱ 15:20
证明:充分性(\(\Leftarrow\))
若 \(A^T=A\),即 \(a_{ij}=a_{ji}\)。对任意 \(\alpha=\sum x_i\varepsilon_i\),\(\beta=\sum y_j\varepsilon_j\),直接计算:
故 \(A\) 是对称变换。证毕。⏱ 18:40
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 在一般基下矩阵未必对称:定理要求基是标准正交基。若非标准正交基,即使 \(A\) 是对称变换,其矩阵也不一定对称。
- 混淆对称变换与正交变换:正交变换保持内积(\((A\alpha,A\beta)=(\alpha,\beta)\)),对称变换交换内积两边(\((A\alpha,\beta)=(\alpha,A\beta)\)),两者不同。
- 忽视"线性"需证明:部分教材在定义中直接加上"线性"条件,丘老师特别指出这是不必要的——对称性本身蕴含线性。
- 坐标读出公式只在标准正交基下成立:\((A\varepsilon_j,\varepsilon_i)=a_{ij}\) 依赖于基向量的标准正交性 \((\varepsilon_i,\varepsilon_j)=\delta_{ij}\)。
✎自测与作业
- 验证几何空间中关于 \(xy\)-平面的正交投影 \(P\) 满足 \((P\alpha,\beta)=(\alpha,P\beta)\) 对所有 \(\alpha,\beta\in\mathbb{R}^3\) 成立。
- 设 \(A\) 是对称变换。证明:若 \(\alpha\perp\beta\)(即 \((\alpha,\beta)=0\)),不能推出 \(A\alpha\perp A\beta\)。给出反例。
- 在 \(\mathbb{R}^2\) 中,设标准正交基下 \(A=\begin{pmatrix}2&1\\1&3\end{pmatrix}\)。验证 \(A\) 是对称变换,并求 \(A\) 的特征值和特征向量。
- (思考题)证明:若 \(A\) 是对称变换且 \(A^2=I\)(恒等变换),则 \(A\) 是关于某个子空间的正交投影或恒等变换或负恒等变换。
- (选做)设 \(V\) 是有限维实内积空间,\(A\) 是 \(V\) 上的线性变换。证明:\(A\) 是对称变换当且仅当对 \(V\) 的任意一组标准正交基,\(A\) 的矩阵都是对称矩阵。