Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
20
Добавлен:
06.06.2015
Размер:
903.99 Кб
Скачать

Лекция 8

Некоторое следствие ортогонализации Грама–Шмидта для матриц

Так как

 

 

 

 

 

e1 e2

en = h1 h2

hn B и

то,

2e2

3

 

2h2

3

 

e1

7 e1

e2 en = B>

h1

7 h1

G =

6 ...

6 ...

 

6e

7

 

6h

 

7

 

6 n7

 

6

n7

 

4

5

 

4

 

5

= B> I B

и, следовательно, G = B>B.

2e2

3

 

2h2

3

6

e1

7

 

h1

7,

...

= B>

6 ...

6e

 

7

 

6h

 

7

6

 

n7

 

6

n7

4

 

 

5

 

4

 

5

h2

 

 

hn B =

 

Аналитическая геометрия (1-ый сем.)

Лекция 8

22 октября 2011 г.

1 / 37

Тем самым, доказано

Утверждение

Для любой матрицы G = G> > 0 , существует единственная невырожденная верхняя треугольная матрица B

с положительными диагональными элементами : G = B>B.

Сравнить:

Утверждение

 

 

 

Для любой матрицы

G = G> > 0 ,

 

9

! D = D> > 0 : G = DD ; D = p

 

.

G

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналитическая геометрия (1-ый сем.)

Лекция 8

22 октября 2011 г.

2 / 37

Упражнение

В векторном пространстве

R2

задать скалярное произведение так,

 

 

1

 

 

 

 

 

что длина вектора

a = 0

равна

p ,

 

1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

длина вектора b = 1

равна q ,

 

q

 

 

а угол между этими векторами равен

! .

p

0

1

 

 

 

 

 

 

Вычислить скалярное произведение векторов

 

 

x = x2 и y =

y2 .

 

 

 

 

 

 

x1

y1

 

 

 

 

 

 

Показать что оно равно,

 

 

 

+ q2x2y2 .

 

hx; yi = p2x1y1 + pq cos ! x1y2 + x2y1

 

Аналитическая геометрия (1-ый сем.)

Лекция 8

22 октября 2011 г.

3 / 37

Замечание о матрицах перехода, связывающих два ортонормированных базиса

hi

e1

 

e2

hen

= h

1

 

h

2

h

n

Q

 

 

 

(})

 

 

h

 

h

h

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2h2

 

 

 

2h2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

h1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e.

7

= Q> . .

 

 

 

 

 

 

 

 

(

}

)>

 

 

 

 

6e..

 

 

 

6 ..

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

7

 

 

 

6h

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6hn7

 

 

 

6

 

n7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

e

5

 

 

 

4

 

 

 

5

 

 

 

; : : : ; h

n и

 

 

 

; : : : ; h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

1

 

2

n

Ортонормированность базисов

h

; h

 

h ; h

 

означает, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2h2

3

 

 

 

e

e

 

 

 

 

e

 

2h2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

h1 h2

 

hn

= I ;

 

 

 

 

 

.

7

h1 h2

 

hn = I.

 

(X)

6e...

7 h

e

i

 

 

 

 

 

 

6 ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6hn7

e e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6hn7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

(})> (})

S (X) =) I = Q>Q .

 

 

 

 

Т.о., матрица перехода Q , связывающая два ортонормированных

hi

базиса he1 he2 hen = h1 h2 hn Q ,

удовлетворяет условию: Q>Q = I .

Определение

Квадратная матрица Q называется ортогональной, если Q>Q = I.

Отметим, что Q>Q = I () Q 1 = Q>.

Множество всех ортогональных матриц порядка n обозначается O(n). Мы доказали

Утверждение

Матрица перехода Q, связывающая два ортонормированных базиса ортогональна.

Аналитическая геометрия (1-ый сем.)

Лекция 8

22 октября 2011 г.

5 / 37

Справедливо обратное утверждение.

Утверждение

Пусть векторы h1; h2; : : : ; hn образуют ортонормированный базис. И векторы he1; he2; : : : ; hen построены с помощью формулы

hi

he1 he2 hen = h1 h2 hn Q ,

в которой матрица Q ортогональна , тогда векторы he1; he2; : : : ; hen тоже образуют ортонормированный базис.

Итак, ортогональные матрицы это в точности матрицы перехода, ортонормированных базисов.

Ортонормированных базисов столько же, сколько ортогональных матриц.

Аналитическая геометрия (1-ый сем.)

Лекция 8

22 октября 2011 г.

6 / 37

Утверждение

Если Q ортогональная матрица, то det Q = 1 .

J Q>Q = I =) det Q>Q = 1 =)

=

det Q>

 

det Q = 1 =

det Q

det Q = 1

=

)

 

)

 

 

)

 

2

I

=)

det Q = 1 =) det Q = 1 .

Аналитическая геометрия (1-ый сем.)

Лекция 8

22 октября 2011 г.

7 / 37

Геометрический смысл условия Q>Q = I.

 

Q =

2q21

q22

 

 

 

q11

q12

Пусть

 

6q

q

 

 

6

n1

n2

 

2q12

4

 

 

Q>Q =

 

q22

 

q11

 

q21

 

 

6q

 

q

 

 

6 1n

 

2n

 

 

4

 

 

2

hh1; h1i hh1; h2i

6hh2; h1i hh2; h2i

=6

4

hhn; h1i hhn; h2i

 

q2n

3

;

обозначим hj =

2q2j

3.

 

q1n

 

 

 

q1j

 

 

q

7

 

 

6q

7

 

nn7

 

 

6 nj

7

 

5

 

 

4

5

qn2

3 2q21

q22

 

q2n3

=

qn1

q11

q12

 

q1n

 

q

7 6q

q

 

q 7

 

nn7 6 n1

n2

 

nn7

 

 

5 4

 

5

 

 

hh2

; hni3 =

2 0

1

 

0 3

= I.

 

hh1

; hni

 

 

1

0

0

 

 

 

h

 

; h

 

7

6

0

0

 

1 7

 

 

h

 

n

n

 

7

6

 

 

 

7

 

 

 

 

i5

4

 

 

5

 

Q>Q = I () hhj; hji = 1 ; hhj; hki = 0 при j 6= k.

Т.е., столбцы ортогональной матрицы Q ортонормированы (в "обычном" скалярном произведении).

Упр. Показать, что матрица

Q ортогональна =)

=

 

Q>

ортогональна, т.е.,

) матрица

 

Q>Q = I = Q Q> = I

.

 

 

)

 

 

Упр. Показать, что векторы

fj составленные

из строчек ортогональной матрицы

Q = 2q21

q22

q2n 3

 

q11

q12

 

q1n

 

6

 

 

7

 

6qn1

qn2

 

qnn7

 

4

 

 

5

 

тоже ортонормированы, т.е.

 

hfj; fji = 1 ;

 

hfj; fki = 0 при j 6= k.

Упр. Доказать что, множество всех ортогональных матриц порядка n (мы это множество обозначили O(n) ) образует группу.

Аналитическая геометрия (1-ый сем.)

Лекция 8

22 октября 2011 г.

9 / 37

Ещё одно следствие ортогонализации Грама–Шмидта.

QR –разложение матриц

Рассмотрим векторное пространство n – мерных столбцов, т.е., Rn;

 

 

 

x1

3

 

 

y1

3

x; y 2 R

n

() x =

2x2

;

y =

2y2

 

6 ...

7

6 ...

7.

 

 

 

6xn7

 

 

6yn7

 

 

 

6

7

 

 

6

7

 

 

 

4

5

 

 

4

5

Зададим в Rn скалярное произведение естественным образом

n

X

hx; yi = xjyj = x1y1 + x2y2 + : : : + xnyn,

j =1

тем самым превратим Rn в евклидово пространство.

Аналитическая геометрия (1-ый сем.)

Лекция 8

22 октября 2011 г.

10 / 37

Соседние файлы в папке Аналитическая геометрия - В.М. Гордиенко