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正交变换和正交矩阵
7.3正交变换和正交矩阵
授课题目:7.3正交变换和正交矩阵
教学目标:
理解和掌握正交变换与正交矩阵的概念,性质及其关系
授课时数:3学时
教学重点:正交变换的性质
教学难点:正交变换的判定,正交矩阵特征值的性质
教学过程:
标准正交基到标准正交基的过渡矩阵。
设{}是n维欧氏空间的两个标准正交基,U (U=())
则
定义7.3.1 设是实数域上的n阶矩阵, 如果
,
则称为正交矩阵.
定理7.3.1 设在n维欧氏空间中由标准正交基对基的过渡矩阵是, 那么是标准正交基的充分必要条件是为正交矩阵.
证明: 必要性已证.
现证充分性. 设为正交矩阵, 则成立, 从而是标准正交基.
例1:证明每一个n阶可逆矩阵A都可以唯一表成A=UT的形式,这里U是一个正交矩阵,T是一个上三角实矩阵且主对角线上元素。
证明:存在性,由于A为n阶非奇异实矩阵,故A=的列向量线性无关,从而为的一个基,实行单位化
令
从而T也是对角线上全为实数的上三角形矩阵,由于是标准正交基,故有是一个正交矩阵,于是知A=UT
唯一性:设另有其中为正交矩阵,为对角线上全是正实数的上三角形矩阵,则
即上式既是上三角形矩阵又为正交矩阵,可证
故
思考题 设是欧氏空间V的一个标准正交基,试求正交变换σ,使σ适合
练习 设V是一个欧氏空间, 是一个非零向量,对于 , 规定V的一个变换
证明:τ是V的一个正交变换,且 ι是单位变换.
例2:设和是n维欧氏空间V的两个标准正交基。
证明,存在V的一个正交变换,使
如果V的一个正交变换,使那么所生成的子空间与由所生成的子空间重合。
证:(1)一定存在一个变换使及为标准正交基,故为正交变换
( 2 )证
先证设
另一放面,若则,因为是正交变换,故是V的一个标准正交基,不妨令
故
因而
有是一个正交矩阵,于是知A=UT
唯一性:设另有其中为正交矩阵,为对角线上全是正实数的上三角形矩阵,则
即上式既是上三角形矩阵又为正交矩阵,可证
故
例2:设和是n维欧氏空间V的两个标准正交基。
证明,存在V的一个正交变换,使
如果V的一个正交变换,使那么所生成的子空间与由所生成的子空间重合。
证:(1)一定存在一个变换使及为标准正交基,故为正交变换
证
先证
设
另一放面,若则,因为是正交变换,故是V的一个标准正交基,不妨令
故
因而
二、正交阵的判断。
定理7.3.2:U是n阶正交矩阵的行(列)向量组成n维欧式空间的一个标准正交基。
证: 必要性 设U是正交矩阵则有 =I 令U=(,……,)T
=( … )=
在欧氏空间中有=, i,j=1,2,3,…… n
故有==I
故 ,=
因而,……,是的标准正交基
充分性 设,……,是的一个标准正交基,以上过程可逆
有=I,从而是正交矩阵。
三、正交矩阵的性质
⑴ 正交矩阵可逆,且逆矩阵仍然为正交矩阵; 故
⑵ 两个正交矩阵的乘积仍然为正交矩阵;
⑶ 正交矩阵的行列式为; 故
四、正交变换
1 定义7.3.2:是欧氏空间的一个线性变换,如果 有
则称是的一个正交变换。
2 正交变换的判断
定理7.3.3 是的一个线性变换,于是以下四个命题等价:
⑴ 是的正交变换;
⑵ ,有,=,;
⑶ 若是的标准正交基则也是的标准正交基;
⑷ 是关于任意一个标准正交基的矩阵是正交矩阵。
证明:用⑴⑵⑶⑷⑴的循回证法来证明,
⑴⑵ 是正交变换有
=
而 =,=,
= ,+2,+,
=,=,+2,+,
,=, , ,=,
故,=,
⑵⑶ ,=,=
故 ,,……,是的标准正交基。
⑶⑷ 设是的标准正交基,关于基的矩阵为
(=
,均为标准正交基
故 是正交基。
⑷⑴ 设是关于标准正交基的矩阵的正交矩阵,
即 =
, ,…,也是标准正交基。
则有
,=(),
=
=
即
推论1:正交变换保持向量的夹角不变。
=arccos=arccos=
注意:逆命题不一定成立。
当取定了标准基之后,正交变换与正交矩阵是
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