【线性代数】为什么正交矩阵的转置矩阵与逆矩阵相等?

命题

如果一个 n × n n \times n n×n 的实矩阵 A A A 满足norm preserving (即保持向量模长不变),那么 A A A 是正交矩阵,且 A − 1 = A T A^{-1} = A^T A−1=AT。

已知

一个实矩阵 A ∈ R n × n A \in \mathbb{R}^{n \times n} A∈Rn×n,对任意向量 x ∈ R n x \in \mathbb{R}^n x∈Rn,有:
∣ A x ∣ = ∣ x ∣ | A x | = | x | ∣Ax∣=∣x∣

其中 ∣ ⋅ ∣ | \cdot | ∣⋅∣ 表示欧几里得范数,也就是向量 x x x 的模长( ∣ x ∣ = x T x |x| = \sqrt{x^T x} ∣x∣=xTx )。

证明过程

将等式两边平方:
∣ A x ∣ 2 = ∣ x ∣ 2 |A x|^2 = |x|^2 ∣Ax∣2=∣x∣2

利用内积表示范数平方( ∣ v ∣ 2 = v T v |v|^2 = v^T v ∣v∣2=vTv):
( A x ) T ( A x ) = x T x (Ax)^T (Ax) = x^T x (Ax)T(Ax)=xTx

展开左边:
x T A T A x = x T x x^T A^T A x = x^T x xTATAx=xTx

移项得:
x T ( A T A − I ) x = 0 , ∀ x ∈ R n x^T (A^T A - I) x = 0, \ \forall x \in \mathbb{R}^n xT(ATA−I)x=0, ∀x∈Rn

然后我们试图证明对称矩阵 M = A T A − I M = A^T A - I M=ATA−I 为零矩阵。

M = A T A − I M = A^T A - I M=ATA−I,则 M M M 是实对称矩阵(因为 ( A T A ) T = A T A (A^T A)^T = A^T A (ATA)T=ATA)。

已知对于所有 x ∈ R n x \in \mathbb{R}^n x∈Rn,有:
x T M x = 0 x^T M x = 0 xTMx=0

我们证明这蕴含 M = 0 M = 0 M=0:

  • x x x 为标准基向量 e i e_i ei

    e i T M e i = M i , i = 0 e_i^T M e_i = M_{i,i} = 0 eiTMei=Mi,i=0

    所以 M M M 的所有对角线元素为 0 0 0。

  • x = e i + e j x = e_i + e_j x=ei+ej( i ≠ j i \neq j i=j)

    ( e i + e j ) T M ( e i + e j ) = M i , i + M j , j + M i , j + M j , i (e_i + e_j)^T M (e_i + e_j) = M_{i,i} + M_{j,j} + M_{i,j} + M_{j,i} (ei+ej)TM(ei+ej)=Mi,i+Mj,j+Mi,j+Mj,i

    因为 M M M 对称, M i , j = M j , i M_{i,j} = M_{j,i} Mi,j=Mj,i,且 M i , i = M j , j = 0 M_{i,i} = M_{j,j} = 0 Mi,i=Mj,j=0,所以:
    0 + 0 + 2 M i j = 0 ⇒ M i j = 0 0 + 0 + 2M_{ij} = 0 \quad \Rightarrow \quad M_{ij} = 0 0+0+2Mij=0⇒Mij=0

因此 M M M 的所有元素为 0 0 0,即 M = 0 M = 0 M=0。

M = 0 M = 0 M=0 得:
A T A − I = 0 ⇒ A T A = I A^T A - I = 0 \quad \Rightarrow \quad A^T A = I ATA−I=0⇒ATA=I

这意味着 A A A 是正交矩阵,且 A − 1 = A T A^{-1} = A^T A−1=AT。

结论

我们证明了:若实方阵 A A A 保持所有向量的欧几里得范数不变,则 A A A 必为正交矩阵,其逆等于其转置。

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