矩阵论练习16（内积与标准正交基）

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题目

在 \(V=R_3[x]\) 中定义内积：\(<f(x),g(x)>=\int_{-1}^1 f(x)g(x)dx\)，求 \(V\) 的一组标准正交基。

解答

思路：先找出一组基，再 Schmidt 正交化，然后再标准化即可。

1. 在 \(R_3[x]\) 中选定基 \([\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3]=[1,x,x^2]\)
2. 正交化：
   a. \(\beta_1=\alpha_1=1\)
   b. \(\beta_2=\alpha_2 - \frac{<\alpha_2,\beta_1>}{<\beta_1,\beta_1>}\beta_1 = x\)
   c. \(\beta_3=\alpha_3 - \frac{<\alpha_3,\beta_2>}{<\beta_2,\beta_2>}\beta_2 - \frac{<\alpha_3,\beta_1>}{<\beta_1,\beta_1>}\beta_1 = x^2 - \frac{1}{3}\)

上面省略中间计算步骤，比如要求 \(<\alpha_2,\beta_1>\)， \(<\alpha_2,\beta_1>=\int_{-1}^1 (x\cdot 1) dx=0\).

3. 标准化
   a. \(\gamma_1 = \frac{\beta_1}{\| \beta_1 \|}=\frac{1}{\sqrt{2}}\)
   b. \(\gamma_2 = \frac{\beta_2}{\| \beta_2 \|}=\sqrt{\frac{3}{2}}x\)
   c. \(\gamma_3 = \frac{\beta_3}{\| \beta_3 \|}=\sqrt{\frac{45}{8}}(x^2-\frac{1}{3})\)
   其实就积分，要算 \(\| \beta_1 \|\), \(\| \beta_1 \|=\sqrt{<\beta_1,\beta_1>}=\sqrt{\int_{-1}^1 (1\cdot 1)dx}=\sqrt{2}\)
   其余计算这里就不计算了。

由以上步骤可以看出，内积的定义决定了什么样的基是正交基，同时内积的定义方式也影响向量的长度。

矩阵论练习16（内积与标准正交基）

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