线性代数 - 正交矩阵

线性代数 - 正交矩阵

flyfish

理解1 向量几何属性(正交、单位长度)

设A\boldsymbol{A}A是一个nnn阶实方阵 ,若A\boldsymbol{A}A的列向量组或行向量组 同时满足以下两个条件,则A\boldsymbol{A}A是正交矩阵:

  1. 两两正交:任意两个不同的列向量(或行向量)的内积为0;
  2. 单位向量:每个列向量(或行向量)的模长(长度)为1。

理解2 矩阵代数运算(转置、逆、单位矩阵)

设A\boldsymbol{A}A是一个nnn阶实方阵 ,若满足以下两个等价条件之一,则A\boldsymbol{A}A是正交矩阵:

  1. A\boldsymbol{A}A的转置矩阵 等于其逆矩阵 ,即 AT=A−1\boldsymbol{A}^T = \boldsymbol{A}^{-1}AT=A−1;
  2. A\boldsymbol{A}A与其转置矩阵的乘积为单位矩阵 ,即 AAT=ATA=In\boldsymbol{AA}^T = \boldsymbol{A}^T\boldsymbol{A} = \boldsymbol{I}_nAAT=ATA=In(其中In\boldsymbol{I}_nIn是nnn阶单位矩阵)。

AT\boldsymbol{A^T}AT(Transpose of A):矩阵A\boldsymbol{A}A的转置矩阵 (行和列交换后的矩阵)。
A−1\boldsymbol{A^{-1}}A−1(Inverse of A):矩阵A\boldsymbol{A}A的逆矩阵 (满足A⋅A−1=I\boldsymbol{A \cdot A^{-1} = I}A⋅A−1=I的矩阵)。
I\boldsymbol{I}I(Identity matrix):单位矩阵(主对角线元素为1,其余为0的方阵)。

正交矩阵示例

如果一个元素为实数的方阵的转置 等于该矩阵的逆矩阵 ,那么这个矩阵被称为正交矩阵。

2×2正交矩阵示例

考虑一个2×2矩阵,即
A=cos⁡xsin⁡x−sin⁡xcos⁡x\boldsymbol{A} = \begin{bmatrix} \cos x & \sin x \\ -\sin x & \cos x \end{bmatrix}A=cosx−sinxsinxcosx

我们通过计算该矩阵与其转置的乘积来验证。

矩阵的转置为
AT=cos⁡x−sin⁡xsin⁡xcos⁡x\boldsymbol{A}^T = \begin{bmatrix} \cos x & -\sin x \\ \sin x & \cos x \end{bmatrix}AT=cosxsinx−sinxcosx

因此,
A⋅AT=cos⁡xsin⁡x−sin⁡xcos⁡x⋅cos⁡x−sin⁡xsin⁡xcos⁡x\boldsymbol{A} \cdot \boldsymbol{A}^T = \begin{bmatrix} \cos x & \sin x \\ -\sin x & \cos x \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} \cos x & -\sin x \\ \sin x & \cos x \end{bmatrix}A⋅AT=cosx−sinxsinxcosx⋅cosxsinx−sinxcosx

展开计算:
A⋅AT=cos⁡2x+sin⁡2xsin⁡xcos⁡x−sin⁡xcos⁡xcos⁡xsin⁡x−cos⁡xsin⁡xsin⁡2x+cos⁡2x\boldsymbol{A} \cdot \boldsymbol{A}^T = \begin{bmatrix} \cos^2 x + \sin^2 x & \sin x \cos x - \sin x \cos x \\ \cos x \sin x - \cos x \sin x & \sin^2 x + \cos^2 x \end{bmatrix}A⋅AT=cos2x+sin2xcosxsinx−cosxsinxsinxcosx−sinxcosxsin2x+cos2x

化简后:
A⋅AT=1001\boldsymbol{A} \cdot \boldsymbol{A}^T = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}A⋅AT=1001

这是单位矩阵。

因此,A\boldsymbol{A}A是一个2阶正交矩阵的示例。

3×3正交矩阵示例

考虑三维旋转矩阵,即3×3矩阵
A=1000cos⁡(θ)−sin⁡(θ)0sin⁡(θ)cos⁡(θ)\boldsymbol{A} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & \cos(\theta) & -\sin(\theta) \\ 0 & \sin(\theta) & \cos(\theta) \end{bmatrix}A= 1000cos(θ)sin(θ)0−sin(θ)cos(θ)

要验证该矩阵是正交矩阵,需满足以下两点:

验证矩阵的每一列和每一行都是单位向量 (即模长为1的向量);

验证列与列、行与行之间两两正交(即任意两行或两列的点积为0)。

从矩阵中提取列向量:

列1:100\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} 100

列2:0cos⁡(θ)sin⁡(θ)\begin{bmatrix} 0 \\ \cos(\theta) \\ \sin(\theta) \end{bmatrix} 0cos(θ)sin(θ)

列3:0−sin⁡(θ)cos⁡(θ)\begin{bmatrix} 0 \\ -\sin(\theta) \\ \cos(\theta) \end{bmatrix} 0−sin(θ)cos(θ)

验证列向量为单位向量 :

列1的模长:∥100∥=12+02+02=1\left\Vert \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \right\Vert = \sqrt{1^2 + 0^2 + 0^2} = 1 100 =12+02+02 =1

列2的模长:∥0cos⁡(θ)sin⁡(θ)∥=02+cos⁡2(θ)+sin⁡2(θ)=1\left\Vert \begin{bmatrix} 0 \\ \cos(\theta) \\ \sin(\theta) \end{bmatrix} \right\Vert = \sqrt{0^2 + \cos^2(\theta) + \sin^2(\theta)} = 1 0cos(θ)sin(θ) =02+cos2(θ)+sin2(θ) =1

列3的模长:∥0−sin⁡(θ)cos⁡(θ)∥=02+sin⁡2(θ)+cos⁡2(θ)=1\left\Vert \begin{bmatrix} 0 \\ -\sin(\theta) \\ \cos(\theta) \end{bmatrix} \right\Vert = \sqrt{0^2 + \sin^2(\theta) + \cos^2(\theta)} = 1 0−sin(θ)cos(θ) =02+sin2(θ)+cos2(θ) =1

因此,每一列都是单位向量。

验证列向量两两正交 :

以列1和列2的点积为例:
100⋅0cos⁡(θ)sin⁡(θ)=1⋅0+0⋅cos⁡(θ)+0⋅sin⁡(θ)=0\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} 0 \\ \cos(\theta) \\ \sin(\theta) \end{bmatrix} = 1 \cdot 0 + 0 \cdot \cos(\theta) + 0 \cdot \sin(\theta) = 0 100 ⋅ 0cos(θ)sin(θ) =1⋅0+0⋅cos(θ)+0⋅sin(θ)=0

类似地,可验证其他列之间的点积也为0。

因此,该矩阵满足正交矩阵的所有条件。

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