当前位置: 首页 > news >正文

什么是正交矩阵

正交矩阵是线性代数中的一个重要概念。简单来说,一个矩阵是正交矩阵,当它的列向量(或行向量)互相正交,并且每个向量都是单位向量(长度为 1)时。

如果矩阵 Q Q Q 是一个 n × n n \times n n×n 的方阵,则它是一个正交矩阵当且仅当它满足以下条件:
Q T Q = Q Q T = I Q^T Q = Q Q^T = I QTQ=QQT=I

其中:

  • Q T Q^T QT 是矩阵 Q Q Q 的转置矩阵。
  • I I I n × n n \times n n×n 的单位矩阵。

换句话说,正交矩阵的转置矩阵等于它的逆矩阵。即:
Q T = Q − 1 Q^T = Q^{-1} QT=Q1

正交矩阵的特性:

  1. 向量正交性
    正交矩阵的列向量或行向量彼此正交,即:
    q i T q j = 0 当 i ≠ j q_i^T q_j = 0 \quad \text{当} \, i \neq j qiTqj=0i=j
    其中 q i q_i qi q j q_j qj 是矩阵的第 i i i 和第 j j j 列向量。也就是说,矩阵的每一列向量和其他列向量垂直。

  2. 向量归一性
    正交矩阵的每一个列向量(或行向量)都是单位向量,即:
    q i T q i = 1 q_i^T q_i = 1 qiTqi=1
    即每个向量的长度为 1。

  3. 保持长度和角度不变
    正交矩阵的一个重要几何特性是,它保持向量的长度和角度不变。也就是说,如果你将一个向量乘以正交矩阵,它的长度和方向(或角度)不会改变,只会做一个旋转或反射。对于任何向量 v v v
    ∥ Q v ∥ = ∥ v ∥ \| Qv \| = \| v \| Qv=v

  4. 行列式
    正交矩阵的行列式 det ⁡ ( Q ) \det(Q) det(Q) 的值要么是 +1,要么是 -1。具体来说:

    • 如果 det ⁡ ( Q ) = 1 \det(Q) = 1 det(Q)=1,那么这个正交矩阵是一个旋转矩阵
    • 如果 det ⁡ ( Q ) = − 1 \det(Q) = -1 det(Q)=1,那么这个正交矩阵是一个反射矩阵
  5. 逆矩阵的性质
    对于正交矩阵 Q Q Q,其逆矩阵等于它的转置矩阵:
    Q − 1 = Q T Q^{-1} = Q^T Q1=QT

正交矩阵的例子:

1. 旋转矩阵:

一个常见的正交矩阵是二维平面上的旋转矩阵。例如,顺时针旋转角度 θ \theta θ 的二维旋转矩阵为:
Q = [ cos ⁡ θ − sin ⁡ θ sin ⁡ θ cos ⁡ θ ] Q = \begin{bmatrix} \cos \theta & -\sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta \end{bmatrix} Q=[cosθsinθsinθcosθ]

这个矩阵的转置矩阵和它的逆矩阵相同,因此是一个正交矩阵。

2. 单位矩阵:

单位矩阵是最简单的正交矩阵。单位矩阵的所有对角线元素都是 1,其他元素都是 0,例如:
I = [ 1 0 0 1 ] I = \begin{bmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} I=[1001]

它显然满足 I T = I I^T = I IT=I I T I = I I^T I = I ITI=I,因此它是正交矩阵。

正交矩阵的应用:

  1. 奇异值分解(SVD)
    在奇异值分解 (SVD) 中,矩阵被分解为三个矩阵的乘积,其中两个矩阵 U U U V V V 都是正交矩阵。SVD 广泛用于数据压缩、机器学习、信号处理等领域。

  2. 主成分分析(PCA)
    在 PCA 中,数据矩阵通常通过正交矩阵旋转到新的坐标系,以便找到数据的主要方向或主成分。

  3. QR 分解
    QR 分解是一种将矩阵分解为正交矩阵 Q Q Q 和上三角矩阵 R R R 的方法。QR 分解常用于求解线性方程组以及特征值问题。

  4. 保持长度和角度
    正交矩阵的几何性质使其在旋转、反射以及其他几何变换中非常有用,因为它们可以保持向量的长度和角度不变。

正交矩阵与正交向量的关系:

正交向量指的是两个向量互相垂直。正交矩阵的列向量或行向量彼此正交,因此正交矩阵的列向量形成了一个正交基。

假设有两个向量 x x x y y y,如果它们满足:
x T y = 0 x^T y = 0 xTy=0

则这两个向量是正交的。正交矩阵的列或行满足这一性质。

总结:

  • 正交矩阵是线性代数中非常重要的一类矩阵,具有良好的几何性质和数值稳定性。
  • 它的转置矩阵等于它的逆矩阵,列向量或行向量彼此正交且归一化。
  • 正交矩阵在数据分析、信号处理、机器学习等众多领域中有广泛应用,尤其是在矩阵分解、数据降维等问题中。

http://www.mrgr.cn/news/37420.html

相关文章:

  • 【JAVA开源】基于Vue和SpringBoot的网上租赁系统
  • 蚂蚁集团在大模型推荐上的算法和应用
  • 【LeetCode】动态规划—63. 不同路径 II(附完整Python/C++代码)
  • openpnp - 散料飞达不要想着做万能版本,能够贴合现有的物料就好
  • 【1分钟学会】更好的 Git 分支命名技巧
  • 解决curl: (60) Peer‘s Certificate issuer is not recognized.错误
  • uniapp使用navigator标签不支持flex布局
  • 为什么很多人不推荐你用JWT?
  • Web APIs 4:日期对象、时间戳、节点操作、swiper插件
  • 2-carla安装
  • MySql数据库---判断函数,和窗口结合的函数,窗口函数
  • Vue2配置环境变量的注意事项
  • 华为仓颉语言入门(6):if条件表达式
  • 在使用 Docker 时,用户可能会遇到各种常见的错误和问题
  • Windows开发工具使用技巧
  • OpenCV视频I/O(3)视频采集类VideoCapture之获取当前使用的视频捕获 API 后端的名称函数getBackendName()的使用
  • 备份和迁移MySQL数据库
  • PCI数据采集卡500K频率32路模拟量采集 DIO各16路 DAQ卡——PCI8735
  • Python每次for循环向list中添加多个元素
  • 【Linux】环境变量(初步认识环境变量)