1.2 向量的几何表示与内积结构

解析几何



周维祺

引入:几种坐标系

基本运算的几何意义

长度、夹角、正交等概念不依赖于坐标系的选取,但在坐标系下变得更直观,借助代数手段也可以进一步推广

练习

  • a\|\vec a\|表示向量a\vec a的长度,下面的不等式是否成立,为什么?

  • a+ba+b\|\vec a+\vec b\|\le\|\vec a\|+\|\vec b\|

  • abab\|\vec a-\vec b\|\ge\left|\|\vec a\|-\|\vec b\|\right|

Rn\mathbb R^n上的内积

  • x=(x1,x2,,xn)\vec x=(x_1, x_2,\ldots, x_n), y=(y1,y2,,yn)\vec y=(y_1, y_2,\ldots, y_n)

  • (x,y)=x1y1++xnyn(\vec x,\vec y)=x_1y_1+\ldots+x_ny_n称为x,y\vec x,\vec y的内积

  • 也记作xy\vec x\cdot\vec y, x,y\langle\vec x, \vec y\rangle

内积的几何意义

  • (x,x)=x12++xn2\sqrt{(\vec x,\vec x)}=\sqrt{x_1^2+\ldots+x_n^2}x\vec x的长度,记作x\|\vec x\|

  • (x,y)=0xy(\vec x,\vec y)=0 \quad \Leftrightarrow \quad \vec x\perp\vec y

  • (x,y)=xycosθ(\vec x,\vec y)=\|\vec x\|\|\vec y\|\cos\theta, θ\thetax,y\vec x, \vec y的夹角

内积的代数性质

  • 双线性(实):
    (x+z,y)=(x,y)+(z,y)(\vec x+\vec z, \vec y)=(\vec x, \vec y)+(\vec z, \vec y)
    (ax,y)=a(x,y)(a\vec x, \vec y)=a(\vec x, \vec y)
    (x,y)=(y,x)(\vec x, \vec y)=(\vec y, \vec x)

  • 正定性:
    对任意x\vec x都有(x,x)0(\vec x,\vec x)\ge0, 且等号仅在x=0\vec x=0时成立

具有正定性的双线性运算都可以称为内积,从而把长度、距离、正交、角度等概念推广到更一般的空间

例子和练习

  • f,gf,g[0,1][0,1]上的连续函数,(f,g)=01f(x)g(x)dx(f,g)=\int_0^1f(x)g(x)dx

  • 思考:为什么上述形式是正定的

  • A,BA,Bn×nn\times n的实矩阵,(A,B)=tr(ABT)(A,B)=tr(AB^T)

  • 思考:为什么上述形式是正定的

应用:正交投影

公式

  • x\vec x投影到b\vec b的方向上,用θ\theta表示两者的夹角

  • b0=bb\vec b_0=\frac{\vec b}{\|\vec b\|},则b0=1\|\vec b_0\|=1

  • 长度:(x,b0)=xb0cosθ=xcosθ(\vec x, \vec b_0)=\|\vec x\|\|\vec b_0\|\cos\theta=\|\vec x\|\cos\theta

  • Pbx=(x,b0)b0=(x,b)(b,b)bP_{\vec b}\vec x=(\vec x, \vec b_0)\vec b_0=\frac{(\vec x, \vec b)}{(\vec b, \vec b)}\vec b

正交分解

  • 若两两正交且长度都为1的向量v1,,vnv_1,\ldots,v_nVV的一组基向量,则称其为VV的一组单位正交基向量

  • xV\vec x\in V可以表示为x1v1++xnvnx_1\vec v_1+\ldots+x_n\vec v_n,则

  • (x,vk)=xk(\vec x,\vec v_k)=x_k (思考:为什么)

  • (x,x)=x12++xn2(\vec x,\vec x)=x_1^2+\ldots+x_n^2 (思考:为什么)

练习


  • v1=(1,1,1,1)\vec v_1=(1,1,1,1)
    v2=(1,1,1,1)\vec v_2=(1,-1,1,-1)
    v3=(1,1,1,1)\vec v_3=(1,1,-1,-1)
    v4=(1,1,1,1)\vec v_4=(1,-1,-1,1)

  • (1,2,3,4)(1,2,3,4)表示为v1,v2,v3,v4\vec v_1,\vec v_2,\vec v_3,\vec v_4的线性组合

小结

  • 几种坐标系及其相互转换

  • 内积的代数性质:双线性,正定

  • 内积赋予的几何结构:长度、距离、夹角、正交

  • 正交投影和正交分解