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正交与标准正交基

内积与正交化

日本学年参考:大学2年级

学习内容

学习利用内积定义向量的正交性,并掌握由两两正交的单位向量构成的标准正交基。这是几何投影与数据分析的重要基石。学习本内容前,需要熟悉内积空间的定义、向量范数以及基的概念。

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要点

用于判定两个向量 u\boldsymbol{u} 与 v\boldsymbol{v} 是否互相垂直(正交)。尖括号表示两者的内积,当内积等于 0 时说明两向量互相正交。

⟨u,v⟩=0\langle \boldsymbol{u}, \boldsymbol{v} \rangle = 0

该式用内积来计算向量 v\boldsymbol{v} 的长度(范数 ∥v∥\|\boldsymbol{v}\|)。取向量与自身内积的算术平方根即可求出长度;长度为 1 的向量称为单位向量。

∥v∥=⟨v,v⟩\|\boldsymbol{v}\| = \sqrt{\langle \boldsymbol{v}, \boldsymbol{v} \rangle}

该式表示一组向量 ei\boldsymbol{e}_i 两两互相垂直且长度都为 1(标准正交系)。δij\delta_{ij} 是克罗内克符号,当编号 ii 与 jj 相同时为 1,不同时为 0。

⟨ei,ej⟩=δij\langle \boldsymbol{e}_i, \boldsymbol{e}_j \rangle = \delta_{ij}

用于将任意向量 x\boldsymbol{x} 分解为标准正交基 e1\boldsymbol{e}_1 到 en\boldsymbol{e}_n 的组合。只需计算 x\boldsymbol{x} 与各个基向量的内积,即可直接得出对应的坐标分量。

x=∑i=1n⟨x,ei⟩ei\boldsymbol{x} = \sum_{i=1}^n \langle \boldsymbol{x}, \boldsymbol{e}_i \rangle \boldsymbol{e}_i

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