Skip to content

5.3 向量的内积、长度及正交性 ​

向量内积 ​

定义 设有 维向量

令

称为向量 与 的内积。

内积是两个向量之间的一种运算,其结果是一个实数,用矩阵记号表示,当 与 都是列向量时,有

内积具有下列性质:

  • ;
  • ;
  • ;
  • 当 时,;当 时,。

另有施瓦茨不等式:

维向量的内积是数量积的一种推广,但 维向量没有 3 维向量那样直观的长度和夹角的概念,因此只能按数量积的直角坐标计算公式来推广。并且反过来,利用内积来定义 维向量的长度和夹角。

长度与夹角 ​

长度 ​

令

称为 维向量 的长度(或范数)。

向量的长度有如下性质:

  • 非负性:当 时,,当 时,;
  • 齐次性:;
  • 三角不等式:。

当 时,称 为单位向量。

若有向量 ,取 ,则 是一个单位向量,这一过程称为向量 的单位化。

例 1

将向量 单位化。

夹角 ​

定义 设有 维向量 与 ,且 ,,令

称为 维向量 与 的夹角。。

正交及其相关概念 ​

正交 ​

定义 设有 维向量 与 ,若 ,称向量 与 正交。

WARNING

零向量与其他向量没有夹角,但零向量与任何向量都正交。

向量正交是几何空间中向量垂直概念的推广。

正交向量组 ​

定义 一组两两正交的非零向量称为正交向量组。

定理 若 维向量组 是正交向量组,则该向量组线性无关。

证明

设有 使得

等式两边同时与 作内积,因 时,,故有

又有 ,因此 ,故必有 。同理可证 ,因此该向量组线性无关,证毕。

标准正交基 ​

定义 设 维向量 是向量空间 ()的一个基,若 两两正交,则称 是 的一个正交基。

定义 设 维向量 是向量空间 ()的一个基,若 两两正交,且都是单位向量,则称 是 的一个标准正交基(也称单位正交基)。

例如,

就是 的一个标准正交基。

对于 中的任意向量 ,其能由 的一个标准正交基 线性表示。设表示式为

为求其中的系数 ,用 左乘上式,有

即

此即向量在标准正交基下的坐标的计算公式。利用这个公式能方便地求得向量的坐标,因此,我们在给向量空间取基时常常取标准正交基。

标准正交化 ​

设 是向量空间 的一个基,要求 的一个标准正交基。相当于要求一个单位向量组成的正交向量组 ,使之与向量组 等价。

考虑把这件事分成两步:先不要求是单位向量,求一个正交向量组 ,然后再将其单位化为标准正交基。

我们现考虑最简单的情况:二维平面。我们取定第一个向量 不变,即 ,接着考虑如何调整 。既然要让 调整后的结果垂直与 ,我们将其分解成垂直于 的和平行于 的两个分量。很明显,我们需要的 就是垂直于 的那个分量。垂直的那个分量不太好求,但是平行的那个分量好求。平行的那个分量我们记作 ,就有

其实就是 在 上的投影。根据高中的知识,我们有

所以有

将其推广到三维。

既然 要同时与 和 垂直,那就是要垂直于这两个向量组成的平面。所以 就应该是 减去其在 所在平面的投影 。不过求向量对平面的投影比较麻烦,我们注意到, 其实就是 分别对 和 投影后再相加。

所以我们有

由此继续推广,我们有:

然后将其单位化,即

写成更简洁的形式,就是

上述从线性无关向量组 导出正交向量组 的过程称为施密特正交化。它不仅满足 与 等价,还满足:对任意的 ,向量组 与 等价。

例 2

设

将这组向量正交单位化。

首先正交化:

然后单位化:

正交矩阵 ​

定义 ​

若方阵的列向量都是单位向量且两两正交,该方阵称为正交矩阵。

例如,取上面提到过的

拼起来,有

这就是一个正交矩阵。

WARNING

正交矩阵不仅要正交,还要求列向量都是单位向量!

性质 ​

设有两两正交的三维单位向量 ,有 ,我们考虑 。其结果应该是一个三阶方阵:

根据矩阵乘法法则, 是左取第一行,右取第一列,也就是说

是左取第一行,右取第二列

同理可得

由于 两两正交,因此它们两两作内积均得 ;又因为三者均为单位向量,因此

故有

据此推广,对于任意的正交矩阵 ,我们有

性质 1

此性质是充要的。可以用来判定正交矩阵。

性质 2 若 是同阶正交矩阵,则 也是正交矩阵。

证明

性质 3 若 为正交阵,且有列向量 满足 ,则 。

证明