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线性代数11 向量内积
课件 主要内容 一、向量的内积 二、向量的长度 三、向量的正交性 四、正交矩阵与正交变换 五、小结 * * 课件 第十一讲 向量的内积 基本要求 向量的内积、长度、正交的概念; 正交向量组、规范正交基的概念,施密特正交 化方法; 正交矩阵的概念和性质. 了解向量的内积、长度、正交、规范正交基、 正交矩阵等概念,知道施密特正交化方法. 课件 第一节 向量的内积长度及正交性 1. 内积的定义 令 称为向量 与 的内积. 定义 设有 维向量 课件 在定义内积之前,向量之间的运算只定义了加法 与数乘;如果把3维向量空间与解析几何中3维 几何空间(或称欧式空间)相比较,会发现前者 缺少向量的几何度量性质,如向量的长度、两向 量的夹角等,但向量的几何度量性质在许多问题 中有着特殊的地位. 在定义了内积后,3维向量空间与解析几何中3维 几何空间是类似的. 3维向量空间中向量的内积类 似于3维几何空间的向量的数量积. 维向量的内 积可看作是数量积的一种推广. 向量的内积是两个向量之间的另一种运算,其结 果是一个数,用矩阵记号表示,当 与 为列向 量时,有 说明 课件 2. 内积的性质 ⑸(施瓦茨不等式) ⑴ ⑵ ⑶ ⑷ 当 时, 当 时, 课件 1.定义 设 维向量 令 称为向量 的长度(或范数). 当 时,称 为单位向量. 说明 当 时,按此定义的向量的长度与几何空 间中的向量的长度是一致的. 课件 2. 向量的长度的性质 ⑴ 非负性 ⑵ 齐次性 ⑶ 三角不等式 当 时, ; 当 时, ; 说明 当 时,三角不等式的几何解释为 证明 课件 3. 两向量之间的夹角 的长度 的长度 与 的数量积 与 夹角余弦 当 时,有 设 为 维向量, 称为 维向量 与 的夹角. 课件 1. 向量正交 当 时,称向量 与 正交. 说明 显然,若 ,则 与任何向量都正交. 当 为2或3维向量时, 正交的几何解释为 课件 2. 正交向量组 设向量组 若满足 ⑴ 都是非零向量; ⑵ 当 时, 则 称为正交向量组. 即一组两两正交的非零向量构成的向量组 称为正交向量组. 课件 定理1 若 维向量 是一组两两正交 的非零向量,则 线性无关. 即正交向量组是线性无关向量组. 证 设存在 使 因为 两两正交,即有 以 左乘上式两端,得 所以 又 ,故 从而必有 类似可证必有 课件 例1 已知3维向量空间 中两个向量 正交,试求一个非零向量 ,使 两两正交. 解 析:此题是一个常见问题.解此题的关键是将 所提问题转化为求一个齐次线性方程组的非零解 的问题. 因为所求向量 ,满足 两两正交,即有 是 的非零解. 课件 记 要求 应满足齐次线性方程组 ,即 于是得 的基础解析为 , 取 即为所求. 课件 3. 规范正交向量组和规范正交基 ⑵ 都是单位向量,即 ⑴ 两两正交,即 设 维向量组 是向量空间 的一个基,若满足 当 时, 则称 是 的一个规范正交基. 课件 例如 设 就是 的一个规范正交基. 课件 设 是 的一个规范正交基,若 中 任一向量 由 线性表示的表示式为 则有 向量在规范正交基中的坐标的计算公式 这是因为 课件 因为 例如 已知向量组 是 的一个规范正交基, 中的坐标为 向量 在 课件 验证: 课件 4. 施密特(Schimidt)正交化 这就是把已知基规范正交化问题. 正交化: 构造正交向量组 ,且满足 与 等价. 令 已知 是向量空间 的一个基,要求 的一个规范正交基. 课件 单位化: 构造两两正交的单位向
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