Аналитическая геометрия - В.М. Гордиенко / Lecture 1-8
.pdfЛекция 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 |