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第九章 欧几里得空间 学时:18学时。 教学手段: 讲授和讨论相结合,学生课堂练习,演练习题与辅导答疑相结合。 基本内容和教学目的: 基本内容:欧几里得空间定义与基本性质;标准正交基;同构;正交变换;子空间;对称矩阵的标准形;向量到子空间的距离、最小二乘法。 教学目的: 欧几里得空间定义与基本性质。 掌握标准正交基、同构、正交变换、子空间、对称矩阵的标准形。 了解向量到子空间的距离、最小二乘法。 重点和难点: 重点:标准正交基、同构、正交变换、子空间、对称矩阵的标准形。 难点:同构、正交变换、子空间、对称矩阵的标准形。 9.1 欧氏空间定义及其性质 一 概念引入 物理学上力F所做之功: W=SFcosθ F 空间解析中, 矢量的数 量积一般表示:ξ,η∈V3 Fcosθ 1) ξ,η均不为0:ξη=|ξ||η|cosξz,η∈R; 2) ξ或η为0:规定ξη=0. → 由数量积最本质的属性出发,采用公理化方法在线性空间中引入内积概念,从而建立欧几里德几何的基本特征. 公理1称为对称性,公理2,3合称为线性性,公理4称为恒正性. 对称性,线性性和恒正性正是数量积(如功)的基本属性. 在此基础上可进一步建立向量长度、夹角、距离等概念,这均为几何空间的特征,是以欧氏几何为基础的,故称为欧氏空间. 证明:显然(ξ,η)∈R, 且具唯一性. 对任意的ξ,η,ζ∈Rn, k∈R, 1) (ξ,η) = x1y1 + ··· + xnyn = y1x1 + ··· + ynxn = (η,ξ). 2) (kξ,η) = kx1y1 + ··· +k xnyn = k(x1y1 + ··· + xnyn) = k (ξ,η) . 3) (ξ+η, ζ) = (x1+ y1)z1 + ··· + (xn+yn)zn = (x1z1+ ··· + xnzn ) + (y1z1 + ··· + ynzn ) = (ξ,ζ) + (η,ζ). 4) (ξ,ξ) = x12 + ··· + xn2≥0 . 而 ξ= 0 当且仅当 x1 = x2 = ··· = xn = 0 当且仅当 (ξ,ξ) = x12 + ··· + xn2 = 0. 故 Rn 关于 (ξ,η) 构成一个欧氏空间. □ 证明分析: 根据定积分的性质,易证欧氏空间定义中4条公理成立,故C(a, b)关于(f, g)构成欧氏空间.注: R[x], R[x]n 关于如上定义的(f, g)也构成欧氏空间. 二 基本性质 5) (α, kβ) = k(α, β) (α, kβ) = ( kβ,α) = k (β,α) = k (α,β) . 6) (α,β+γ) = (α,β) + (α,γ) (α,β+γ) = (β+γ,α) = (β,α) + (γ,α) = (α,β) + (α,γ) . 7) (0,α) = (α,0) = 0 ( 对任意的α∈V ) (0,α) = (0·0,α) = 0 (0,α) = 0 = (α,0) . 8) 对任意的β∈V,(αβ) = 0, 则α= 0 取β=α, 则 (αα) = 0, 据公理4得α= 0 . 9) 三 向量长度 四 向量夹角 为在V中引入夹角概念,先研究如下性质: 12) (α,β)2 ≤ (αα)(ββ) ( 或 |(α,β)|≤|α||β| ) 其中等号成立当且仅当 α,β线性相关. 该不等式称为柯西-布涅柯夫斯基-施瓦茨不等式. 五 向量的距离 15) |α+β|≤|α|+|β|(三角不等式) 证明: |α+β|2 =(α+β,α+β)=(α,α)+2(α,β) +(β,β)≤|α|2 + 2|α||β|+|β|2 =(|α|+|β|)2 → |α+β|≤|α|+|β|. □ 几何意义:几何空间中,两边之和大于第三边. 定义5 向量α,β的距离 d(α,β)=|α-β| 几何意义如图示. 16) α≠β,则 d(α,β)>0. α-β 17) d(α,β)= d(β,α). β 18) d(α,γ)≤d
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