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第九章 欧氏空间
1.设是一个阶正定矩阵,而
, ,
在中定义内积,
1) 证明在这个定义之下, 成一欧氏空间;
2) 求单位向量
, , … , ,
的度量矩阵;
3) 具体写出这个空间中的柯西—布湿柯夫斯基不等式。
解 1)易见是上的一个二元实函数,且
(1) ,
(2) ,
(3) ,
(4) ,
由于是正定矩阵,因此是正定而次型,从而,且仅当时有。
2)设单位向量
, , … , ,
的度量矩阵为,则
=,,
因此有。
4) 由定义,知
,,,
故柯西—布湿柯夫斯基不等式为
2.在中,求之间(内积按通常定义),设:
1) , ,
2) , ,
3) , 。
解 1)由定义,得
,
所以
。
2)因为
,
,
,
,
所以
。
3)同理可得
, , , ,
所以。
3. 通常为的距离,证明;
。
证 由距离的定义及三角不等式可得
。
4在R中求一单位向量与正交。
解 设与三个已知向量分别正交,得方程组
,
因为方程组的系数矩阵A的秩为3,所以可令
x,即。
再将其单位化,则
,
即为所求。
5.设是欧氏空间V的一组基,证明:
1) 如果使,那么。
2) 如果使对任一有,那么。
证 1)因为为欧氏空间V的一组基,且对,有
,
所以可设,
且有
即证。
2)由题设,对任一总有,特别对基也有
,或者,
再由1)可得,即证。
6设是三维欧氏空间中一组标准正交基,证明:
也是一组标准正交基。
证 因为
,
同理可得
,
另一方面
,
同理可得
,
即证也是三维欧氏空间中的一组标准正交基。
7.设也是五维欧氏空间中的一组标准正交基, ,其中
, , ,
求 的一组标准正交基。
解 首先证明线性无关.事实上,由
,
其中 的秩为3,所以线性无关。
将正交化,可得
,
,
单位化,有
,
,
,
则为 的标准正交基。
8. 求齐次线性方程组
的解空间(作为的子空间)的一组标准正交基。
解 由
可得基础解系为
,,,
它就是所求解空间的一组基。将其正交化,可得
,
, ,
再将单位化,可得
,,,
则就是所求解空间的一组标准正交基。
9.在R[X]中定义内积为(f,g)= 求R[X]的一组标准正交基(由基1.出发作正交化)。
解 取R[X]的一组基为将其正交化,可得,
,其中(,又因为
,
, ,
所以,
同理可得,
再将单位化,即得,
,,,
则即为所求的一组标准正交基。
10.设V是一n维欧氏空间,是V中一固定向量,
1)证明:V是V的一个子空间;
2)证明:V的维数等于n-1。
证 1)由于0因而V非空.下面证明V对两种运算封闭.事实上,任取
则有 (,于是又有(,
所以。另一方面,也有 (, 即。故V是V的一个子空间。
2)因为是线性无关的,可将其扩充为V的一组正交基,且( (,。下面只要证明:对任意的可以由线性表出,则的维数就是。
事实上,对任意的,都有,于是有线性关系,且 ,
但有假设知 ,
所以,又因为,故,从而有,
再由的任意性,即证。
11.1)证明:欧氏空间中不同基的度量矩阵是合同的。
2)利用上述结果证明:任一欧氏空间都存在标准正交基。
证:1)设与是欧氏空间的两组不同基,它们对应的度量矩阵分别是和,另外,设到的过渡矩阵为,即 ,
=
=
=,
另一方面,令
,
则D的元素为
,
故的元素
,
即证。再由皆为V的基,所以C非退化,从而B与A合同。
2)在欧氏空间V中,任取一组基,它的度量矩阵为其中,且度量矩阵A是正定的,又因为正定矩阵与单位矩阵合同,即。于是只要
,
则由上面1)可知基的度量矩阵为E ,这就是说,就是所求的标准正交基。
12.设是n维欧氏空间V中的一组向量,而
证明:当且仅当时线性无关。
证 设有线性关系
,
将其分别与取内积,可得方程组
,
由于上述方程组仅有零解的充要条件是系数行列式不等于0,即证。
13.证明:上三角的正交矩阵必为对角矩阵,且对角线上元素为+1或-1。
证 设
为上三角矩阵,则也是上三角矩阵。由于A是正交阵,所以,即
,
所以,因而
为对角阵。再由知,即证或-1。
14.1)设A为一个n阶矩阵,且,证明A可以分解成
A=QT,
其中Q是正交矩阵,T是一上三角矩阵
,
且,并证明这个分解是唯一的;
2)设A是n阶正交矩阵,证明存在一上三角矩阵T,使
。
证 1)设A的n个列向量是由于,因此是线性无关的。从而它们也是V的一组基,将其正交单位化,可得一组标准正交基为
,
其中
,
,
其中。即
,
令,则T是上三角矩阵,且主对角线元素。
另一方面,由于是n维列向量,不妨记为
,
且令
,
则有,由于是一组标准正交基,故是正交矩阵。
再证唯一性,设是两种分解,其中是正交矩阵,是主对角线元素大于零的上三角阵,则,由于也是正交矩阵,且为上三角阵,因此, 是主对角线元为1或-1的对角阵,但是的主对角线元大于零,所以的主对角线元只能是1,故,即证。进而有,从而分解是唯一的。
2)因为是正定的,所以与合同,即存在可逆阵使,再由1)知,其中是正交矩阵为三角阵,所以。
15.设是欧氏空间中一单位向量,定义,
证明:1)是正交变换,这样的正交变换称为镜面反射;
2) 是第二类的;
3)如果维欧氏空间中正交变换以1作为一个特征值,且属于特征值1的特征子空间的维数为,那么是镜面反射。
证:1),有:
,
所以是线性变换。
又因为
,
注意到,故,此即是正交变换。
2)由于是单位向量,将它扩充成欧氏空间的一组标准正交基,则
,
即 ,
所以是第二类的。
3) 的特征值有个,由已知有个特征值为1,另一个不妨设为,则存在一组基使,
因为是正交变换,所以,
但,所以,于是
现令,则是单位向量,且与正交,则为欧氏空间 的 一组基。又因为
,
,
,
所以 ,即证。
16.证明:反对称实数矩阵的特征值是零或纯虚数。
证:设是属于特征值的特征向量,即,则
,
于是 ,
令,可得,即证。
17.求正交矩阵使成对角形,其中为
1) 2) 3)
4) 5)
解1)由
,
可得A的特征值为。
对应的特征向量为
将其正交单位化,可得标准正交基为
故所求正交矩阵为
且。
2)由,
可得 A的特征值为。
的特征向量为
的特征向量为
正交化,可得
,
再单位化,有:,
于是所求正交矩阵为
且。
3)由,
可得 A的特征值为,
相应的特征向量为
,
,
将其正交单位化,可得标准正交基为
,
,
故所求正交矩阵为
且。
4)由,
可得A的特征值为。
相应的特征向量为
,
,
正交化后得
,
,
再单位化,可得
,
,
故所求正交矩阵为
且 。
5)由,
可得的特征值为。
相应的特征向量为
,
,
将其正交化,可得
,
,
再单位化后,有
,
,
故所求正交矩阵为
且。
18用正交线性替换化下列二次型为标准形:
1);
2);
3);
4)。
解 1)设原二次型对应的矩阵为A,则
,
且A的特征多项式为
,
特征值为
,
相应的特征向量为
,
,
单位化后,有
,
令X=TY,其中
,
则
。
2)原二次型对应的矩阵为
,
且A的特征多项式为
,
特征值为
。
相应的特征向量为
,
正交化,可得
,
再单位化,有
,
令X=TY,其中
,
则
。
3)原二次型对应的矩阵为
,
且A的特征多项式为
,
特征值为
。
相应的特征向量为
,
,
标准正交基为
,
,
令X=TY,其中
,
则
。
4)原二次型对应的矩阵为
,
且A的特征多项式为
,
特征值为
。
相应的特征向量为
,
,
标准正交基为
,
,
令X=XY,其中
,
故
。
19.设A是n级实对称矩阵,证明:A正定的充分必要条件是A的特征多项式的根全大于零。
证明 二次型经过正交变换X=TY,可使
,
其中为A的特征根。由于A为正定的充分必要条件是上式右端的二次型为正定,而后者为正定的充分必要条件是,即证。
20.设A是n级实矩阵,证明:存在正交矩阵T使为三角矩阵的充分必要条件是A的特征多项式的根是实的。
证明 为确定起见,这里三角矩阵不妨设为上三角矩阵。
先证必要性,设
,
其中T,A均为实矩阵,从而都是实数。又因为相似矩阵有相同的特征多项式,所以
从而A的n个特征根均为实数。
再证充分性,设为A的所有不同的实特征根,则A与某一若尔当形矩阵J相似,即存在可逆实矩阵,使
,
其中
,
而
,
由于都是实数,所以J为上三角实矩阵。
另一方面,矩阵可以分解为
,
其中是正交矩阵,为上三角矩阵,于是
,
即
。
由于都是上三角矩阵,因而它们的乘积也为上三角矩阵,即证充分性。
21.设A,B都是上三角实对称矩阵,证明;存在正交矩阵T使的充分必要条件是A,B的特征多项式的根全部相同。
证明 必要性是显然的,因为相似矩阵有相同的特征值。
现证充分性,设是A的特征根,则它们也是B的特征根。于是存在正交矩阵X和Y,使
,
所以
YXAXY=B。
令T=XY则T也是正交矩阵,从而TAT=B,,即 证。
22.设A是n级实对称矩阵,且A=A,证明:存在正交矩阵T使得
TAT=。
证 设是A的任一特征值,是属于的特征向量,则
A=, A=A()=A=,
由于
A=A=(-)=0,
又因为,所以-=0,即得
=0,=1。
换句话说,A的特征值不是1就是0。故存在正交矩阵T,使
TAT=。
上式中,对角线元素中1的个数为A的特征值1的个数,0的个数是A的特征值0的个数.。
23.证明:如果是n维欧氏空间的一个正交变换,那么的不变子空间的正交补也是的不变子空间。
证 设W是的任意一个不变子空间,现证W也是的不变子空间。
任取W , 下证W。取,,是W的一组标准正交基,再扩充成V的一组标准正交基为,,,,,,则
W=L (,,), W=L (,,)。
因为是正交变换,所以,也是一组标准正交基,由于W是——子空间,,W ,且为的一组标准正交基,于是
,,W,
所以
=k++kW。
24. 欧氏空间V中的线性变换称为反对称的,如果对任意,V,有
(,)= —( ,)。
证明: 1)为反对称的充分必要条件是:在一组标准正交基下的矩阵为反对称的。
2)如果V是反对称线性变换的不变子空间,则V也是。
证 1)必要性。设是反对称的,,,是一组标准正交基。则
= k+k++k (I=1,2, ,n),
(,)= k , (,)= k,
由反对称知
(,)= —(, ) k = --k,
从而
,
故
(,,)= (,,)
=(,,),
充分性。设在标准正交基,,下的矩阵为,有已知,有
(,)= —(, ),
对任意,V,设
,
,
则
(,)=()=。
同理
,
故
(,)= —( ,),
所以是反对称的。
2)任取V ,可证V,即V,事实上,任取V,由于V是子空间,因此,而 V,故( ,)=0。
再由题设,是反对称的,知
(,)= —( ,)=0,
由的任意性,即证V 。从而V也是A子空间。
25.证明:向量V是向量在子空间V上的内射影的充分必要条件是:对任意有。
证 必要性,设V是在V上的内射影,则,,
26设
从而
再证第二式.用
,
所以 。
27.求下列方程的最小二乘解
,
用“到子空间距离最短的线是垂线”的语言表达出上面方程的最小二乘解的几何意义,由此列出方程并求解(用三位有效数字计算)。
解 令
,
,
那么“到子空间距离最短的线是垂线”的意思就是。
令C=B-Y,由最小二乘法可得,其中 ,
,
即 ,
解之得 。
三、补充题参考解答
1. 证明:正交矩阵的实特征根为。
证 设A正交矩阵A是任一实特征值是,是A的对应于特征值的特征向量,则
A。
于是。
注意到
2.证明:奇数维欧氏空间中的旋转一定以1作为它的一个特征值。
证 因为A是正交矩阵,,则=-。
即。
3.证明:第二类正交变换一定以-1作为它的一个特征值。
证 当
即-。
4.设
那么它一定是线性的,因而它是正交变换。
证 因为
,
所以
,
故
。
又因为
=,
所以
。
即证。
5.和
。
证:下证充分性。
设
,
则有,
于是,
另一方面,因
,
于是,在
,
从而即证。
再将
:,
则由充分性假设
两组标准正交基 和则存在可逆线性变换,使
,
且
(T=(=(
=
=(,
即
(I=1,2,,
于是,由,有故
=
=(I=1,2,,
即证。
6.是n级实对称矩阵,且证明:存在正交矩阵T使得
。
证 证法1 因为A是n级实对称矩阵,所以存在n级矩阵Q,使
,
其中为的n个特征值(重根按重数列出)。于是
又因为所以
。
因此有=(I=1,2,n),不妨设=1的重数为r,则的重数为n-r。只要将集中排列在前面,则有正交矩阵T,使
。
证法2 因为n级实对称矩阵,且若令g(x)=则g(x)为
A的零多项式,且它无重根,故A相似于对角矩阵,设为A的任一特征
值,则。不妨设的重数为n-r。只要 将集中排列在前
面,则有正交矩阵,使
。
7.设f()=是一实二次型,是A的特征多项式的根,且。证明:对任意一个X,有
。
证 存在正交矩阵Q,使
,
其中为的个特征值。作正交变换则实二次型可化为
,
由题设有,于是
,
且 ,
故
。
8.设二次型对应的矩阵为,是的特征多项式的根,证明:
存在中的非零向量使的
。
证 设是矩阵A的特征值,则存在非零向量,使
,
其中,于是有
,
即证。
9.1)设是欧氏空间中两个不同的单位向量,证明存在一镜面反射,使
。
2)证明:n维欧氏空间中任一正交变换都可以表成一系列镜面反射的乘积。
证 1)记n维欧氏空间为V,当为欧氏空间为V的单位向量时,由
,
所确定的正交变换A是一个镜面反射,代入单位向量,有,
若记,则,因为是欧氏空间中两个不同的
单位向量,所以,故可解得,
其中 ,即,
于是只要取,就有=1,即为欧氏空间中的单位向量,
从而是一个镜面反射,且==。
2)设是维欧氏空间的任一正交变换,取的一组标准正交基,,,
则=,=,=也是的一组标准正交基。
此时,若,则是一个恒等变换,只要作镜面反射
,
则有 且,结论成立。
若与不全相同,不妨设,则为两个不同的单位向量,由1)知,存在镜面反射,使.令,若,则,结论成立。否则可设,再作镜面反射:,其中,则且,如此继续下去,设
,
则,其中都是镜面反射,即证。
10.设是两个实对称矩阵,且是正定矩阵,证明:存在一个实可逆矩阵使与同时为对角形。
证:因为是正定矩阵,所以存在一个阶实对称矩阵,使:,其中为阶单位矩阵,又因为还是阶实对称矩阵,所以也存在一个阶正交矩阵,使,其中为的特征值,于是,只要令,就有,
且 , 即证。
11.证明:酉空间中两组标准正交基的过渡矩阵是酉矩阵。
证:设与分别为酉空间中两组标准正交基,且
则 。
于是,
即所以过渡矩阵是酉矩阵。
12.酉矩阵的特征值根的模为1。
证 因为酉矩阵A对应的变换是酉变换,设的任一特征值是,是的对应于的特征向量,则
(,)=(=()=,
注意到(,),因而有
=1,
即。
13.设A是一个n级可逆复矩阵,证明可以分解成
A=UT,
其中U是酉矩阵,T是一个上三角矩阵:
T=,
其中对角元素都是正实数,并证明这中分解是唯一的。
证 设A=(,其中为A的列向量,则由A可逆知向
量组线性无关。由施密特正交化方法,可得
,
其中单位化,可得
,
则 是一组正交基,从而U=()为又酉矩阵,且可解得
,
其中T为上三角矩阵,且为正实数。
再证分解的唯一性,设还有酉矩阵及对角线元素都是正实数的上三角形矩阵,使得,则 ,于是既是一个酉矩阵,又是一个上三角形矩阵,从而是对角矩阵,但的对角线元素都是正实数,即
,
再由是酉矩阵,知是单位矩阵,故,即证。
14.证明:埃尔米特矩阵的特征值是实数,并且它的属于不同特征值的特征向量相互正交。
证:设是埃尔米特矩阵的任一特征值,是的对应于的特征向量,则有
,
于是 ,
因此有 ,
即 ,但,故,即证为实数,另外是的任意两个不同的特征值,分别为的对应于和的特征向量,则有:,由于,因此
,
但,故(,即证的属于不同特征值的特征向量相互正交。
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