施密特正交化例题
在上一节解释了施密特正交化。下面举几个例子进行说明。很遗憾,施密特正交化即难理解,计算量又非常复杂,稍微不细心就会做错。但是,在期末考试或者考研里,必有一题和正交化相关试题,他是线性代数的核心内容。
例题
例 在欧氏空间 R3 中,对于基 β1=(1,1,1) , β2=(1,1,0),β3=(1,0,0) 施行正交化方法,求出 R3 的一个标准正交基。
解 取 γ1=β1=(1,1,1) ,由施米特正交化方法:
γ2=β2−(γ1,γ1)(β2,γ1)γ1=(31,31,−32),γ3=β3−(γ1,γ1)(β3,γ1)γ1−(γ2,γ2)(β3,γ2)γ2=(21,−21,0), 所以 {γ1,γ2,γ3} 是 R3 的一个正交基;
再令
α1=∣γ1∣γ1=(31,31,31),α2=∣γ2∣γ2=(61,61,−62),α3=∣γ3∣γ3=(21,−21,0), 则 {α1,α2,α3} 即为欧氏空间 R3 的一个标准正交基。
此例可以看出欧氏空间中的标准正交基不唯一,对 R3 而言 ε1=(1,0,0),ε2=(0,1,0),ε3=(0,0,1) 也是一个标准正交基。
例将线性无关向量组化为标准正交向量组
α1=(1,1,1,1)T,α2=(1,−2,−3,−4)T,α3=(1,2,2,3)T 解
(1) 正交化
β1β2=α1=(1,1,1,1)T=α2−(β1,β1)(α2,β1)β1=(3,0,−1,−2)T β3=α3−(β1,β1)(α3,β1)β1−(β2,β2)(α3,β2)β2=(141,0,−145,144)T (2)单位化
γ1=∣β1∣1β1=12+12+12+121(1,1,1,1)T=(21,21,21,21)T,γ2=∣β2∣1β2=(143,0,−141,−142)T,γ3=∣β3∣1β3=(421,0,−425,424)T. 则 γ1,γ2,γ3 为所求.
例 设 A=422242224 ,求正交阵 Q ,使得 Q−1AQ=Λ 为对角阵.
解 ∣λE−A∣=λ−4−2−2−2λ−4−2−2−2λ−4=(λ−8)(λ−2)2 ,故 A 的特征值为 λ1=8,λ2=λ3=2 .
当 λ1=8 时,解齐次方程组
(8E−A)X=4−2−2−24−2−2−24x1x2x3=000 得基础解系 ξ1=[1,1,1]T .由于此基础解系只有一个解向量,故无需正交化,只需规范化,得
η1=∥ξ1∥1⋅ξ1=[31,31,31]T. 当 λ2=λ3=2 时,解齐次方程组
(2E−A)X=−2−2−2−2−2−2−2−2−2X=000 得基础解系 ξ2=[−1,1,0]T,ξ3=[−1,0,1]T ,利用施密特正交化方法将其正交化得
β2=ξ2=[−1,1,0]T,β3=ξ3−(β2,β2)(ξ3,β2)⋅β2=−101−21−110=−21−211. 将 β2,β3 单位化,得
η2=∥β2∥1⋅β2=−21210,η3=∥β3∥1⋅β3=−616162. 令 Q=[η1,η2,η3]=313131−21210−61−6162, 则 Q−1AQ=Λ=800020002.