L17-正交矩阵与 Gram-Schmidt 正交化-习题集

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L17-正交矩阵与 Gram-Schmidt 正交化-习题集

参考

问题 17.1

标准正交向量 orthonormal vectors 是一系列线性独立的向量。

通过矩阵来证明:Qx=0Qx=0 意味着 x=0x=0(其中 QQ 是由标准正交向量构成的矩阵)

注意

证明过程中不能使用 Q−1Q^{-1} 因为矩阵 QQ 不一定是方阵

解答

由于 QQ 是由标准正交向量组成的,所以满足 QTQ=IQ^{T}Q=I

因此在等式 Qx=0Qx=0 两边同时乘上 QTQ^{T} 可得

QTQx=QT0Ix=0x=0Q^{T}Qx=Q^{T}0 \\ Ix=0 \\ x=0

所以方程组 Qx=0Qx=0 的解只有 x=0x=0,即零空间中只有零向量,根据线性独立的定义,可知构成该矩阵的列向量(一系列的标准正交向量)线性独立。

问题 17.2

给定以下 3 个向量

a=[1−100],b=[01−10],c=[001−1]a=\begin{bmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}, b=\begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix}, c=\begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}

使用 Gram-Schmidt 正交化,求出 3 个相应的正交向量 AA、BB、CC

并证明由 {A,B,C}\{A, B, C\} 作为基向量所张成的空间,以及由 {a,b,c}\{a, b, c\} 作为基向量所张成的空间(这两个空间相同),就是那些与向量 d=[1111]d=\begin{bmatrix}1 \\ 1 \\ 1 \\ 1\end{bmatrix} 相垂直的向量所构成的空间。

解答

令向量 A=a=[1−100]A=a=\begin{bmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}

则根据 Gram-Schmidt 正交化,可分别求出向量 BB 和 CC

B=b−ATbATAA=[01−10]−[1−100][01−10][1−100][1−100][1−100]=[01−10]−1×0+(−1)×1+0×(−1)+0×01×1+(−1)×(−1)+0×0+0×0[1−100]=[01−10]+12[1−100]=[1/21/2−10]\begin{aligned} B&=b- \frac{A^{T}b}{A^{T}A}A \\ &= \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix}- \frac{ \begin{bmatrix} 1 & -1 & 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix} }{ \begin{bmatrix} 1 & -1 & 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} } \begin{bmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix}- \frac{ 1 \times 0 + (-1) \times 1 + 0 \times (-1) + 0 \times 0 }{ 1 \times 1 + (-1) \times (-1) + 0 \times 0 + 0 \times 0 } \begin{bmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix}+ \frac{1}{2} \begin{bmatrix} 1 \\ -1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} 1/2 \\ 1/2 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix} \end{aligned}

由于 aTc=[1−100][001−1]=0a^{T}c=\begin{bmatrix} 1 & -1 & 0 & 0\end{bmatrix}\begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}=0 即向量 aa 与向量 cc 垂直,所以向量 cc 在 AA 上的(投影)分量是 00

C=c−ATcATAA−BTcBTBB=[001−1]−0−[1212−10][001−1][1212−10][1/21/2−10][1/21/2−10]=[001−1]−12×0+12×0+−1×1+0×−112×12+12×12+(−1)×(−1)+0×0[1/21/2−10]=[001−1]+23[1/21/2−10]=[1/31/31/3−1]\begin{aligned} C&=c- \frac{A^{T}c}{A^{T}A}A - \frac{B^{T}c}{B^{T}B}B \\ &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}-0- \frac{ \begin{bmatrix} \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & -1 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix} }{ \begin{bmatrix} \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & -1 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1/2 \\ 1/2 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix} } \begin{bmatrix} 1/2 \\ 1/2 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}- \frac{ \frac{1}{2} \times 0 + \frac{1}{2} \times 0 + -1 \times 1 + 0 \times -1 }{ \frac{1}{2} \times \frac{1}{2} + \frac{1}{2} \times \frac{1}{2} + (-1) \times (-1) + 0 \times 0 } \begin{bmatrix} 1/2 \\ 1/2 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ -1 \end{bmatrix}+ \frac{2}{3} \begin{bmatrix} 1/2 \\ 1/2 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix} \\ &= \begin{bmatrix} 1/3 \\ 1/3 \\ 1/3 \\ -1 \end{bmatrix} \end{aligned}

向量 d=[1111]d=\begin{bmatrix}1 \\ 1 \\ 1 \\ 1\end{bmatrix}(由 4 个元素组成)表示一条直线,其维度是 11,那么由垂直于它的向量所构成的空间 D⊥D_{\perp} 的维度就是 4−1=34-1=3。

向量 AA、BB、CC 都与向量 dd 垂直(它们的内积都为 00),所以它们在上述的 D⊥D_{\perp} 空间中,如果以这三个正交向量作为基向量,所张成的空间维度也是 33,因此所张成的空间就是 D⊥D_{\perp}。

对于以 {a,b,c}\{a, b, c\} 作为基向量所张成的空间,按照同样方法进行分析,也可以得到同样的结论。


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