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 是 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=Q−1
正交矩阵的特性:
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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=0当i=j
其中 q i q_i qi 和 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。 -
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。 -
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∥ -
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。
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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 Q−1=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=[cosθsinθ−sinθcosθ]
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 和 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:
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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 和 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。 -
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。 -
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。 -
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 和 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。