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◎学习目标
- 理解为什么要将线性无关向量组正交化——正交基在计算上具有极大优越性;
- 熟练掌握施密特(Schmidt)正交化的递推公式;
- 理解并会运用数学归纳法证明正交化过程的正确性;
- 掌握通过施密特正交化单位化得到标准正交基的完整流程;
- 理解度量矩阵在正交基下的特殊形式(对角阵),以及它与内积计算的关系。
1问题动机 ⏱ 00:01
我们已经知道:任何 \(n\) 维实线性空间 \(V\) 都有基,但普通基不一定有好的性质。如果能找到一个两两正交的基(正交基),甚至标准正交基,很多计算会大大简化。
几何直观(复习):在 \(\mathbb{R}^2\) 中,给定向量 \(a\) 和 \(b\)(线性无关),求一个与 \(a\) 正交的向量 \(c\)。⏱ 00:11
验证:\((c,a)=(b,a)-\frac{(b,a)}{(a,a)}(a,a)=(b,a)-(b,a)=0\),故 \(c\perp a\)。⏱ 00:19
施密特正交化就是把这个思想推广到任意个数、任意维度。
2施密特正交化公式 ⏱ 01:14
记忆口诀:第 \(k\) 个新向量 = 原来的 \(\alpha_k\) 减去它在前面所有已构造好的 \(\beta_i\) 上的"投影分量"。⏱ 02:11
3定理与证明(数学归纳法)⏱ 02:02
(1) 两两正交:\((\beta_i,\beta_j)=0\)(\(i\neq j\));
(2) 每个 \(\beta_k\neq 0\);
(3) \(\{\beta_1,\dots,\beta_k\}\) 与 \(\{\alpha_1,\dots,\alpha_k\}\) 等价,对每个 \(k\leq s\)。
证明(数学归纳法)
基础:\(s=1\) 时,\(\beta_1=\alpha_1\neq 0\)(线性无关意味着每个向量非零),结论平凡成立。⏱ 03:06
归纳假设:假设对 \(s=k\) 时命题成立,即 \(\beta_1,\dots,\beta_k\) 两两正交、非零,且与 \(\alpha_1,\dots,\alpha_k\) 等价。⏱ 03:37
归纳步:考虑 \(s=k+1\)。定义:
正交性:对任意 \(j\leq k\),计算 \((\beta_{k+1},\beta_j)\):⏱ 04:04
由归纳假设,\(\beta_i\perp\beta_j\)(\(i\neq j\)),故求和中只有 \(i=j\) 的项非零:⏱ 04:58
故 \(\beta_{k+1}\) 与所有 \(\beta_j\)(\(j\leq k\))正交。⏱ 05:48
非零性:若 \(\beta_{k+1}=0\),则 \(\alpha_{k+1}\) 可由 \(\beta_1,\dots,\beta_k\)(进而由 \(\alpha_1,\dots,\alpha_k\))线性表出,与 \(\alpha_1,\dots,\alpha_{k+1}\) 线性无关矛盾。故 \(\beta_{k+1}\neq 0\)。⏱ 06:03
等价性:由定义 \(\beta_{k+1}\) 可由 \(\alpha_{k+1},\beta_1,\dots,\beta_k\) 线性表出;由归纳假设 \(\beta_1,\dots,\beta_k\) 可由 \(\alpha_1,\dots,\alpha_k\) 表出,故 \(\beta_{k+1}\) 可由 \(\alpha_1,\dots,\alpha_{k+1}\) 表出。反之,\(\alpha_{k+1}=\beta_{k+1}+\sum\cdots\),也可由 \(\beta\) 组表出。故两组等价。⏱ 06:17
由数学归纳法,定理对一切正整数 \(s\) 成立。⏱ 07:47
4单位化:得到标准正交基 ⏱ 07:01
施密特正交化给出正交基 \(\beta_1,\dots,\beta_n\)。要得到标准正交基,只需对每个 \(\beta_i\) 单位化:⏱ 07:08
- 施密特正交化:从线性无关组 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\) 得到正交组 \(\beta_1,\dots,\beta_n\);
- 单位化:\(\varepsilon_i=\beta_i/\|\beta_i\|\),得到标准正交基。
证明:任取 \(V\) 的一个基 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\)(线性无关),施密特正交化得到正交基 \(\beta_1,\dots,\beta_n\),再单位化得到标准正交基 \(\varepsilon_1,\dots,\varepsilon_n\)。⏱ 07:01
5计算示例 ⏱ 08:45
例:在 \(\mathbb{R}^3\)(标准内积)中,已知线性无关向量组:
第一步:施密特正交化
第二步:单位化
6度量矩阵与正交基 ⏱ 09:14
在基 \(\eta_1,\dots,\eta_n\) 下,内积的度量矩阵 \(A\) 定义为:
对任意 \(\alpha,\beta\),若坐标列向量分别为 \(X,Y\),则 ⏱ 09:28
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 分母写错:公式中分母是 \((\beta_i,\beta_i)=\|\beta_i\|^2\)(内积/长度的平方),不是 \(\|\beta_i\|\)(长度)。
- 分子写错:分子是 \((\alpha_k,\beta_i)\)(新向量与已正交化向量的内积),不是 \((\beta_i,\beta_i)\) 或其他组合。
- 求和下标范围:\(\beta_k\) 的公式中,求和是从 \(i=1\) 到 \(k-1\),不是到 \(k\)。
- 忘记验证非零:理论上 \(\beta_k\neq 0\) 由线性无关保证,但计算时要检查每一步是否真的非零。
- 混淆正交化与单位化:施密特正交化只得到正交基(各向量长度未必为1),还需单独单位化才能得到标准正交基。
- 在一般内积下计算:若内积不是标准的(例如加权内积),内积的计算公式要相应改变,不能直接套用分量乘积之和。
✎自测与作业
- 在 \(\mathbb{R}^3\)(标准内积)中,对 \(\alpha_1=(1,0,0)^T\),\(\alpha_2=(1,1,0)^T\),\(\alpha_3=(1,1,1)^T\) 施行施密特正交化,得到正交基 \(\beta_1,\beta_2,\beta_3\),并单位化为标准正交基 \(\varepsilon_1,\varepsilon_2,\varepsilon_3\)。
- 在 \(\mathbb{R}^3\) 中,对 \(\alpha_1=(1,1,1)^T\),\(\alpha_2=(1,-1,0)^T\),\(\alpha_3=(0,1,-1)^T\) 施行施密特正交化(提示:\(\alpha_1,\alpha_2\) 已经正交,可以简化计算)。
- 在带权内积 \((\alpha,\beta)=2a_1b_1+a_2b_2+3a_3b_3\) 的 \(\mathbb{R}^3\) 中,对 \(\alpha_1=(1,0,0)^T\),\(\alpha_2=(0,1,0)^T\) 施密特正交化,看它们是否原本就正交。
- 证明:若 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\) 线性无关,则施密特正交化得到的 \(\beta_1,\dots,\beta_n\) 也线性无关(实际上更强:它们两两正交)。
- (思考)施密特正交化得到的标准正交基是否唯一?若不唯一,差异在哪里?
- (选做)在 \(C[0,1]\)(连续函数空间,内积 \((f,g)=\int_0^1 f(x)g(x)\,dx\))中,对函数组 \(1,x,x^2\) 施密特正交化,得到三次伯恩斯坦多项式的前几项。