第8章 内积空间
第8.1节 内积
整章我们只考虑实或复向量空间, 即实数域或复数域上的向量空间. 我们的主要目的在于研究可以讨论向量长度和夹角的向量空间. 我们将研究一类特定的标量值函数, 其定义于向量的序对之上, 被称为内积. 内积的一个例子是中的标量积或者说点积. 中的向量的标量积是实数从几何上说, 这个点积是的长度, 的长度, 以及和的夹角的余弦之积. 因此, 藉由代数地定义的标量积来定义中的长度和夹角这样的几何概念完全是可能的.
向量空间上的内积是性质与中的点积类似的函数, 而基于这样的内积我们又可以定义长度和角度. 我们关于角度的一般概念的注记将仅限于向量的垂直性 (或者说正交性). 第一节我们将定义何谓内积, 考虑一些实际的例子, 并建立内积的一些基本性质. 之后, 我们将回到讨论长度和正交性的任务上来.
定义. 令
是实数域或复数域,
是域
上的一个向量空间.
上的一个内积是一个函数
满足对于任意的
和任意的标量
有
- ;
- ;
- , 一横代表复共轭;
- 如果, 那么.
读者应该注意到条件a, b, c可以推出条件e:另一点值得说明的是, 当是实数域时, 条件c和e中的复共轭是多余的. 然而, 在复数域的情况下, 为了条件的一致性, 复共轭则是必要的. 若是没有这些复共轭, 我们就会得到以下矛盾:
在本章的剩余部分里, 要么代表实数域, 要么代表复数域.
例子1. 上存在一个内积, 我们称之为标准内积. 对于向量和, 其标准内积被定义为当时, 这也可以记成在实数域的情形下, 标准内积常被称为点积或者标量积, 并记为.
例子2. 对于中的向量和, 令既然, 可直接推得时有. 内积定义中的条件a, b, c则是容易验证的.
例子3. 令是, 那么以自然的方式同构于, 因而由例子1可知定义了上的一个内积. 而且, 如果我们引入共轭转置矩阵, 其由定义, 那么我们可以基于迹函数来表达内积:这是因为
例子4. 令是一个可逆矩阵, 对于, 置注意到我们这里将右边的矩阵与其唯一的元素等同起来了. 当为恒等矩阵时, 这个内积本质上和例子1是相同的, 我们将其称为上的标准内积. 读者应该注意到术语"标准内积"在两种特定的上下文中使用. 对于一般的域上的有限维向量空间, 并不存在显然可称之为标准的内积.
例子5. 令是所有类型为的连续函数构成的向量空间, 那么是上的一个内积. 可能读者更熟悉单位区间上的实值连续函数构成的向量空间, 此时上的复共轭是可以省略的.
例子6. 这实际上是一类例子. 读者可以通过以下方法根据已有的内积构造出新的内积来. 令
和
是域
上的向量空间, 设
是
上的一个内积. 如果
是一个从
到
的非奇异线性变换, 那么
定义了
上的一个内积
. 例子4中的内积可以被视为这个的一种特殊情形, 以下同样也是特殊情形.
- 令是一个有限维向量空间, 令是的一个有序基. 令是的标准有序基, 令是由定义的从到的线性变换. 换言之, 令是由确定的从到的"自然"同构. 如果我们取上的标准内积, 那么因此, 对于的任意的有序基, 都存在一个具有性质的内积. 实际上, 很容易表明恰存在一个这样的内积. 之后我们将证明上的每个内积都可根据某个有序基按照以上方式确定.
- 让我们再次检视例子5, 令是单位区间上的所有连续函数构成的空间, 取. 令是"乘上"的线性算子, 即. 容易验证是线性的. 而且, 也是非奇异的. 这是因为, 设, 那么对于有, 因而时. 鉴于是连续的, 我们也有, 于是. 现在使用例子5的内积, 我们可以构造上的一个新的内积
我们现在开始检视内积的一些一般性质. 设是一个带有内积的复向量空间, 那么对于, 我们有其中和分别是复数的实部和虚部. 如果是一个复数, 那么, 这可以推出因此, 按照内积完全可由其"实部"确定.
偶尔知道实或复向量空间上的内积可由另一种函数确定是很有用的, 这种函数即所谓的二次形式. 为了定义二次形式, 我们首先以代表的正平方根; 被称为相对于内积的范数. 通过考察上由标准内积导出的范数, 读者应该说服自己将的范数想成是的长度是很贴切的. 由内积决定的二次形式是函数. 根据内积的性质, 我们可以推出, 对于任意的向量和有因此, 在实数域的情形下, 我们有在复数域的情形下, 我们得到的是更复杂的表达式这两个公式都被称为极化恒等式, 我们也应该注意到在复数域的情形下其也可以写成以下形式:
刚才我们所得到的性质对于任意的实或复向量空间上的内积均成立, 不论其维数如何. 现在我们转向是有限维向量空间的情形. 正如读者可能会猜到的, 有限维向量空间上的内积总是可以基于一个有序基由矩阵刻画.
设是有限维的, 令是的一个有序基, 并且给定上的一个特定的内积. 我们将表明, 这个内积完全由以下的这些值决定. 如果且, 那么其中和分别是和在有序基下的坐标矩阵, 而是以为元素的矩阵. 我们称为内积在有序基下的矩阵. 根据定义, 是一个Hermite矩阵, 即. 然而, 是一种相当特殊的Hermite矩阵, 因为其必须满足附加的条件特别地, 必须是可逆的. 否则的话, 存在一个使得, 那么对于这样的就不能满足以上要求了. 更显式地说, 以上的条件即对于任意不全为零的标量有从中我们立即可以看出的每个对角线元素都必然是正数. [译注: 提及正数, 一定是实数.] 然而, 这个施加于对角线元素上的条件并不足以保证, 之后我们将给出使其成立的充分条件. [译注: 这个施加于Hermite矩阵上的条件一般被称为"正定"条件.]
以上这样的过程是可逆的, 即若任意的Hermite矩阵满足, 那么是上的一个内积在有序基下的矩阵. 这个内积是由公式给定的, 其中和分别是和在有序基下的坐标矩阵.
练习1. 令
是一个向量空间而
是
上的一个内积.
- 证明对于任意的有.
- 证明若对于任意的有, 那么.
练习2. 令是域上的一个向量空间. 证明上的两个内积之和仍然是上的一个内积. 两个内积之差是内积吗? 证明一个内积的正倍数仍然是一个内积.
练习3. 显式描述和上的所有内积.
练习4. 验证上的标准内积的确是一个内积.
练习5. 令
是
上的标准内积.
- 令, 如果向量满足且, 求出.
- 证明对于任意的, 我们有.
练习6. 令是上的标准内积, 而是上的线性算子. 现在是"逆时针旋转90度"的变换, 并且对于所有的, 都有. 找出所有这样的上的内积, 其对于每个向量有.
练习7. 令是上的标准内积, 证明不存在非零的上的线性算子使得对于每个有. 推广这个结果.
练习8. 令, 定义映射为证明是上的一个内积当且仅当.
练习9. 令是一个带有的内积的实或复向量空间, 证明由内积确定的范数满足平行四边形定律
练习10. 找出例子2中的内积在的标准有序基下的矩阵.
练习11. 证明公式定义了上的一个内积. 令是次数小于等于的多项式构成的子空间. 限制以上内积于, 找出其相对于有序基的矩阵. (提示: 为了表明这个公式的确定义了一个内积, 观察到然后处理这个积分表达式.)
练习12. 令是一个有限维向量空间, 是的一个有序基, 是上的一个内积. 如果是任意的个标量, 那么恰存在一个向量使得.
练习13. 令
是一个复向量空间. 一个函数
被称为一个
共轭 (conjugation), 如果
, 其中
是任意的标量而
. 如果
是一个共轭, 证明:
- 相对于中所定义的运算可以被视为域上的一个向量空间.
- 对于每个, 存在唯一的向量使得.
练习14. 令
是一个复向量空间,
是一个满足以下性质的
的子集:
- 相对于中所定义的运算, 可以被视为一个实向量空间.
- 对于每个, 存在唯一的向量满足.
证明
定义了
上的一个共轭, 其满足
当且仅当
. 另外, 证明
是
上唯一带有此性质的共轭.
练习15. 找出和上的所有共轭.
练习16. 令是复向量空间的一个有限维实子空间. 证明满足练习14的条件b当且仅当的每个基也是的一个基.
练习17. 令
是一个复向量空间,
是
上的一个共轭,
是
的一个实子空间,
是
上的一个内积, 证明:
- 存在唯一的上的内积使得对于任意的有.
- 对于所有的, .
以上的部分a是在说
和
(或者
和
) 上的标准内积之间的什么关系?
第8.2节 内积空间
既然现在我们已经对于内积有所了解, 那么我们将注意力转移到向量空间与其上的某个特定内积结合产生的代数结构上来. 具体来说, 我们将建立由内积赋予向量空间的"长度"和"正交性"的概念的基本性质.
定义. 一个内积空间是一个其上带有特定内积的实或复向量空间.
一个有限维的实内积空间常被称为一个Euclid空间. 一个复内积空间经常被称为一个酉空间.
定理1. 如果
是一个内积空间, 那么对于任意的向量
和标量
, 我们有
- ;
- 对于, ;
- ;
- .
证明. 陈述i和ii几乎可由定义直接推出. iii中的不等式在
时是显然成立的. 若
, 置
那么
, 然后
因此,
, 再开根即可. 现在使用iii, 我们可以推出
于是,
.
iii被称为Cauchy-Schwarz不等式, 其有着各种各样的应用. 根据刚才我们的证明, 如果, 那么除非该不等式严格成立. 也就是说, Cauchy-Schwarz不等式取等号当且仅当和线性相关.
例子7. 如果我们将Cauchy-Schwarz不等式应用于例子1, 2, 3, 5中给出的内积, 那么我们就会得到以下结果:
定义. 令和是内积空间中的向量, 那么正交于, 如果. 既然这能推出正交于, 我们常就简单说和是正交的. 对于的一个子集, 我们称是一个正交集合, 若其中不同向量之间均是正交的. 如果对于正交集合的每个向量有, 那么我们就称是一个规范正交集合.
零向量正交于中的每个向量, 而且是唯一具有此性质的向量. 另外, 读者应该将规范正交集合想成是由长度为且相互垂直的向量构成的集合.
例子8. 的标准基相对于其上的标准内积是一个规范正交集合, 也是如此.
例子9. 中的向量相对于标准内积与正交, 因为然而, 如果装备的是例子2中的内积, 那么和正交当且仅当
例子10. 令是, 是仅第行列为其余均为的矩阵, 那么所有这样的矩阵构成的集合相对于例子3中给出的内积是规范正交的, 因为
例子11. 令是区间上的连续复值 (或者实值) 函数构成的向量空间, 并定义其上的内积为设且, 那么构成了一个无穷的规范正交集合. 在复情形下, 我们也可以构造以下线性组合以这种方式, 我们构造了一个新的规范正交集合, 其由所有具有形式的函数构成. 将常函数加入得到的集合也是规范正交的. 我们假定读者熟悉以上内容所牵涉的积分计算.
以上例子给出的规范正交集合均是线性无关的, 现在我们将表明诚然如此.
定理2. 由非零向量构成的正交集合是线性无关的.
证明. 令
是某给定内积空间中由非零向量构成的有限或无限的正交集合, 设
是
中的不同向量, 并且
那么
既然
, 这可以推出
因此, 当
时, 每个
, 即
是线性无关的集合.
推论. 如果一个向量是由非零向量构成的一个正交序列的线性组合, 那么必然是以下特定的线性组合
以上的推论是定理的证明的直接结果. 另外, 还有一个应该提及的显然推论. 如果是某个有限维内积空间中由非零向量构成的正交集合, 那么. 这是在说中相互正交的方向的数目不可能超过的由代数定义的维数. 中相互正交的方向的最大数目可以被理解为的几何维数, 并且我们刚才看到其不会大于代数维数. 这两种维数相等的事实是以下结果的一个特定推论.
定理3. 令是一个内积空间, 而是中线性无关的向量, 那么我们可以构造中相互正交的向量使得对于每个, 集合是由张成的子空间的一个基.
证明. 向量
可由一种被称为
Gram-Schmidt正交化过程的构造方式得到. 首先, 令
, 而其他向量则按以下方法由归纳给定: 设已经挑选了
使得对于每个
有
是由
张成的
的子空间的一个正交基, 其中
. 为了构造下一个向量
, 令
那么
, 因为否则的话
就是
的线性组合了, 也就是
的线性组合. 而且, 如果
, 那么
因此,
是由
个非零向量构成的正交集合, 并且它们都在由
张成的子空间之中. 根据定理2, 其的确是该子空间的一个基. 换言之, 向量
可按以上公式一个接着一个地构造出来. 特别地, 当
时, 我们有
推论. 每个有限维内积空间都拥有一个规范正交基.
证明. 令
是一个有限维内积空间, 而
是
的一个基. 应用Gram-Schmidt过程, 我们可以构造一个正交基
. 那么, 为了获得一个规范正交基, 我们仅需将每个向量
替换以
就够了.
规范正交基相较于其他任意的基的一个主要优势在于牵涉坐标的计算会更加简单. 为了澄清这个断言, 设是一个有限维内积空间. 那么, 根据上一节的讨论, 我们可以构造这个内积相对于的某个有序基的矩阵, 其由定义, 然后便可基于坐标来计算内积. 若是一个规范正交基, 那么就是恒等矩阵, 而对于任意的标量和, 我们有因此, 基于规范正交基, 中的内积看起来就像是中的标准内积.
尽管实际计算上的用途有限, 但有趣的是, Gram-Schmidt过程也可以用来判定是否线性相关. 设是中线性相关的向量, 排除的平凡情况. [译注: 其实不排除也可以, 只是对于极端情况需要一些说明.] 令是使得能够线性无关的最大整数, 那么. 若是施行正交化过程于得到的向量, 那么必然为. 这是因为, 在由张成的子空间之中并且正交于这些向量, 因而根据定理2的推论可知. 也就是说, 是的线性组合, 即的线性组合, 那么是线性相关的.
例子12. 对于装备有标准内积的, 考虑向量施行Gram-Schmidt过程于, 我们就得到了以下向量.这些向量显然是非零的且相互正交, 因而是的一个正交基. 为了将中任意的向量表达为的线性组合, 我们无需求解任何线性方程组, 运用定理2的推论即可. 因此, 我们就有例如, 可以被表示为线性组合实际上, 我们可以换个角度陈述以上的结果: 对偶于基的的基可由以下公式所显式定义当然, 这些公式可以写成以下更为一般的形式最后一点, 注意到从中我们可以得到规范正交基
例子13. 令是一个复矩阵, 置和, 并设. 如果我们使用上的标准内积对于施行正交化过程, 就会得到以下向量:之前的一般理论告诉我们当且仅当线性无关. 另一方面, 的公式告诉我们当且仅当.
从本质上说, Gram-Schmidt过程就是不断重复应用一种被称为正交投影的基本几何操作. 并且, 从这一角度理解正交化过程最为恰当. 在解决近似问题时, 正交投影也会自然出现.
设是内积空间的一个子空间, 令是中的任意一个向量. 我们的问题在于找出中对于的最佳的可能近似. 这意味着在向量属于的限制下寻找使得尽可能小的向量. 让我们用更加精确的语言来陈述这件事情.
以中的向量对于进行的最佳近似是这样一个向量, 其满足对于每个向量, 我们都有
通过检视这个问题在或者中的情况, 读者从直觉上可以感受到以的向量对于的最佳近似应该是使得垂直 (或者说正交) 于的向量. 而且, 这样的应该恰只有一个. 这些直觉性的想法对于有限维子空间是正确的, 而仅对于部分而不是全部的无限维子空间成立. 鉴于精确的情况太过复杂而难以在这里处理, 我们将只证明以下的结果.
定理4. 令
是内积空间
的一个子空间, 并设
是
中的一个向量.
- 向量是以中的向量对于进行的最佳近似当且仅当正交于中的每个向量.
- 如果以的向量对于进行的最佳近似存在, 那么其是唯一的.
- 如果是有限维的并且是的任意的正交基, 那么向量是以的向量对于的(唯一的)最佳近似.
证明. 首先, 注意到如果
是
中的任意向量, 那么
, 而且
现在设
正交于
中的每个向量, 如果
且
, 那么既然
, 我们可以推出
反过来, 设对于每个
有
, 那么根据上面的第一个等式, 这可以推出
对于每个
成立. 鉴于
, 实际上其等价于
对于每个
成立. 对于非零的
, 我们可以构造向量
代入即得
于是,
. 换言之,
正交于
中的每个向量. 到目前为止, 我们完成了对于i的证明. 不过, 根据上面的讨论, 若存在
中的向量满足最佳近似的条件, 那么显然至多只有一个这样的向量. 也就是说, ii的确成立.
现在设
是
的一个有限维子空间, 那么我们知道, 根据定理3,
的确拥有正交基. 令
是
的任意的正交基, 按照iii的方式定义
. 然后, 根据定理3的证明中的计算, 我们知道
正交于每个
. 换言之,
正交于
中的每个向量. 根据已经证明了的i, 我们可以断言
是以
中的向量对于
的最佳近似.
定义. 令是一个内积空间, 是的一个子集, 那么的正交补被定义为
的正交补是零子空间. 反过来, . 如果是的任意子集, 那么其正交补总是的子空间. 这是因为, 首先是非空的, 鉴于其总是包含; 其次, 每当而是任意的标量, 对于每个, 我们有因而. 在定理4中, 最佳近似的特征性质在于其是中唯一使得的向量.
定义. 每当定理4中的向量存在, 其被称为在上的正交投影. 如果中的每个向量都在上具有正交投影, 那么赋的向量以其在上的正交投影的确是一个映射, 这被称为在上的正交投影.
根据定理4, 内积空间在有限维子空间上的正交投影总是存在的. 但是, 定理4也能推出以下结果.
推论. 令是一个内积空间, 是其一个有限维子空间, 是在上的正交投影, 那么映射是在上的正交投影.
证明. 对于任意的向量
, 根据
的定义和定理4, 我们知道
. 然后, 既然
而又根据
的定义,
中的向量总是正交于
的每个向量, 于是
也正交于
的每个向量. 换言之,
是
在
上的正交投影.
例子14. 给定装备有标准内积的, 那么在由张成的子空间上的正交投影为在上的正交投影为的秩显然为, 因而的零化度为. 另一方面,当且仅当, 而这等价于. 因此, 是的零空间, 而. 通过计算我们知道在上的正交投影为
例子14中的观察将以如下形式得到泛化.
定理5. 令是内积空间的一个有限维子空间, 设是在上的正交投影, 那么是上的一个幂等线性算子. 而且, 是的像, 是的零空间, 于是
证明. 对于每个
, 既然
, 那么
是显然的. 换言之,
, 即
是幂等的. 现在我们需要证明
是线性的. 对于
, 我们知道
. 设
是任意的标量, 那么
其中
. 换言之, 即
, 由此
是线性算子.
只需稍微检视一下正交投影的定义, 便可知
的像是
. 另外, 根据定理4的推论,
是
在
上的正交投影. 而且,
的像是
. 现在让我们回忆一下第6章的定理9及其之前的讨论, 就知道
的零空间是
, 于是
.
推论. 在定理5的条件下, 是在上的正交投影. 而且, 是上的幂等线性算子, 其以为像而为零空间.
现在我们可以按照如下方式几何地陈述Gram-Schmidt过程了. 给定内积空间和线性无关的向量, 令是在由张成的子空间的正交补上的正交投影, 并设, 那么应用正交化过程于得到的向量可由定义.
定理5也可以推出所谓的Bessel不等式.
推论. 令是内积空间中由非零向量构成的正交集合, 如果, 那么并且, 此不等式取得等号当且仅当
证明. 设
是由
张成的子空间, 那么
是以
中的向量对于
的最佳近似. 并且, 若令
, 则
, 因而
, 故
显然, 此不等式取得等号当且仅当
, 即
. 证明就结束了.
在为规范正交集的特殊情况下, Bessel不等式就变成了当然, 若是的一个规范正交基, 那么Bessel不等式总是取等号, 而此时在有序基下的坐标的第个分量为.
例子15. 若我们将上述推论应用于例子11中所描述的规范正交集合, 就会发现
练习1. 考虑装备了标准内积的, 令子空间其中而, 找出的一个基.
练习2. 应用Gram-Schmidt过程于向量, , 以得到装备有标准内积的的一个规范正交基.
练习3. 考虑装备有标准内积的, 找出由和张成的子空间的一个规范正交基.
练习4. 令
是一个内积空间, 两个向量
和
之间的
距离由
定义, 证明
- ;
- 当且仅当;
- ;
- .
练习5. 令是一个内积空间而, 那么当且仅当对于每个有.
练习6. 给定装备有标准内积的
, 令
是由
张成的子空间,
是
在
上的正交投影, 找出
- 的公式;
- 标准有序基下的矩阵;
- ;
- 使得由矩阵表示的一个规范正交基.
练习7. 令是一个内积空间, 其向量空间为, 而其内积的二次形式由定义. 令是在由张成的子空间上的正交投影, 现在回答练习6的四个问题.
练习8. 找出上的一个内积使得.
练习9. 令
是
的次数至多为
的多项式构成的子空间, 其上装备的内积为
- 找出由所有标量多项式构成的子空间的正交补.
- 应用Gram-Schmidt过程于基.
练习10. 令是向量空间, 设其上的内积为, 找出由所有对角矩阵构成的子空间的正交补.
练习11. 令是一个有限维内积空间, 是的一个规范正交基, 证明对于任意的, 我们都有
练习12. 令是内积空间的一个有限维子空间, 是在上的正交投影, 证明对于所有, .
练习13. 令是内积空间的一个子集. 证明包含由张成的子空间. 当是有限维的时候, 证明就是由张成的子空间.
练习14. 令是一个有限维内积空间而是的一个规范正交基. 令是上的一个线性算子而是在有序基下的矩阵. 证明
练习15. 设
而
和
分别是
和
上的内积. 证明存在唯一的
上的内积
使得
- ;
- 对于, 有.
练习16. 令是一个内积空间而是的一个有限维子空间, 一般存在许多以为像的投影. 其中一种当然是上的正交投影, 它具有对于每个, 的性质. 证明如果是一个以为像的投影且对于每个有, 那么是上的正交投影. [译注: 这个不等式和Bessel不等式差不多.]
练习17. 令是一个实内积空间, 其由区间上的所有连续实值函数构成, 而内积为令是所有奇函数构成子空间, 找出的正交补.
第8.3节 线性泛函和伴随
本节的第一部分处理内积空间上的线性泛函以及其与内积的关系. 基本的结果在于有限维内积空间上任意的线性泛函就是"固定一个向量的内积", 即对于某个固定的, 具有的形式. 我们使用这个结果证明了上的线性算子的"伴随"的存在性, 其是一个对于每个有的线性算子. 通过规范正交基的使用, 线性算子上的伴随操作 (从到) 就相当于构造一个矩阵的共轭转置. 我们稍微探索了一下伴随操作和复数的共轭之间的类似之处.
令是任意的内积空间, 是一个固定的向量, 我们定义从到标量域的函数为函数是上的一个线性泛函, 这是因为根据内积的定义, 作为的函数是线性的. 如果是有限维的, 那么上的每个线性泛函都可由某个以这种方式产生.
定理6. 令是一个有限维内积空间, 而是上的一个线性泛函, 那么存在唯一的向量使得对于每个有.
证明. 令
是
的一个规范正交基, 置
令
是由
定义的线性泛函, 那么
既然这对于每个基向量
成立, 于是
. 现在设
满足
, 那么
换言之,
, 即
. 因此, 恰存在一个向量
按照以上陈述的方式确定了线性泛函
.
这个证明可以使用基下的线性泛函的表示的语言稍微重述一下. 如果我们选定了的一个规范正交基, 那么和的内积为如果是上任意的线性泛函, 那么具有的形式, 其中是由基确定的一些固定标量. 当然, . 如果我们希望找到一个向量使得对于每个有, 那么显然的坐标分量必须满足, 或者说. 据此, 可知就是我们所要的向量.
现在应该作出一些更加深刻的评注. 刚才我们所给出的对于定理6的证明相当简短, 然而它却没能强调一个基本的几何事实, 即位于的零空间的正交补之中. 令是的零空间, 那么, 并且完全由其在上的值所确定. 实际上, 如果是在上的正交投影, 那么对于每个成立. 设, 那么的秩为而. 如果是中任意的非零向量, 那么对于所有成立, 因此换言之, .
例子16. 我们应该给出一个例子以表明定理6若缺少是有限维空间的条件则并不成立. 令是复数域上的多项式的向量空间, 而内积为这个内积也可以被代数地定义. 如果而, 那么令是一个固定的复数, 是"在处求值"的线性泛函:存在一个多项式使得对于每个有吗? 答案是否定的, 以下是我们的推理. 设存在多项式满足对于每个多项式成立. 令, 那么对于任意的我们有, 于是特别地, 这个等式在时也成立, 以至于这可以推出. 鉴于, 必然有. 可是, 并非零线性泛函, 即这样的不存在.
读者可以稍微推广一下这个例子. 设我们选定了标量和不同的复数, 令那么是上的一个线性泛函, 但是除非, 并不存在多项式使得. 读者只需重复上述的论证以.
现在我们将注意力转到线性算子的伴随的概念上来.
定理7. 对于有限维内积空间上任意的线性算子, 存在唯一的上的线性算子使得对于每个有
证明. 令
是
中任意的一个向量, 那么
是
上的一个线性泛函. 根据定理6, 存在唯一的
使得对于每个
有
. 令
是映射
, 我们知道
对于所有
成立, 那么剩下来的工作就是要验证
的确是一个线性算子. 令
而
是一个标量, 对于任意的
, 我们有
因此,
, 即
是线性的.
的唯一性是显然的. 对于任意的向量
, 向量
由以下条件所唯一刻画:
定理8. 令是一个有限维内积空间而是的一个(有序)规范正交基, 令是上的一个线性算子而是在有序基下的矩阵, 那么.
证明. 既然
是一个规范正交基, 我们有
鉴于矩阵
由
定义, 而
我们有
.
推论. 令是一个有限维内积空间而是上的一个线性算子, 那么在的任意的规范正交基下, 的矩阵是的矩阵的共轭转置.
证明. 令
是
的一个规范正交基, 设
而
. 根据定理6, 我们有
根据
的定义, 可以推出
例子17. 令是一个有限维内积空间, 是在其一个子空间上的正交投影, 那么对于任意的, 我们可以推出根据算子的唯一性, 我们知道. 现在考虑例子14所描述的投影, 那么是在标准规范正交基下的矩阵. 根据之前的推论, 应该有, 的确如此. 另一方面, 设那么是一个基, 并且既然, 在基下的矩阵为在这种情况下, , 而且也不是在基下的矩阵. 应用以上推论, 我们可以得出不是规范正交基. 当然, 这不论如何都是很显然的.
定义. 令是内积空间上的一个线性算子, 那么我们称在上具有一个伴随, 如果存在上的一个线性算子使得对于所有成立.
根据定理7, 有限维内积空间上的每个线性算子都在上具有伴随. 在无限维的情形下, 并不总是如此. 但是, 不论如何, 至多只有一个这样的算子. 当它存在时, 我们将其称为的伴随.
关于有限维的情形, 有两点评注值得一说.
- 的伴随不仅依赖于, 也依赖于内积的定义.
- 正如例子17所显示的那样, 对于任意而非规范正交的有序基, 和之间的关系要比以上推论所描述的更加复杂.
例子18. 令是而内积为. 如果, 那么线性算子的伴随是线性算子, 因为读者应该发现这是前述推论的一个特殊情形.
例子19. 这个例子类似于例子18. 令是而内积为. 令, 那么左乘的伴随是左乘. 当然, 左乘指的是线性算子.因此, . 以上计算中, 我们用到了迹函数的一个特有性质: .
例子20. 令是复数域上的多项式的向量空间, 而其上的内积为考虑线性算子"乘以", 即, 那么这个算子具有一个伴随, 即乘以, 这是因为于是.
例子21. 在例子20里, 我们看到某些无限维向量空间上的线性算子的确也有伴随. 正如之前所说, 这种线性算子并不总是具有伴随. 令是例子20中的内积空间, 而是上的形式微分算子, 那么分部积分表明让我们固定, 并检视何时存在一个多项式使得对于所有的都有. 如果这样的一个存在的话, 我们有或者在固定的情况下, 就成为例子16中所考虑的那种类型的线性泛函. 除非, 其就不可能具有的形式. 如果存在, 那么令, 我们就有, 于是. 也就是说, 适合的的存在可以推出. 反过来, 若, 多项式满足对于所有的, . 如果我们选择了任意的使得或, 那么就不可能定义合适的. 我们总结一下, 即没有伴随.
我们希望这些例子能够加深读者对于线性算子的伴随的理解. 我们看到, 从到的伴随操作表现得有些类似于复数上的共轭. 以下的定理强调了这种类比.
定理9. 令
是一个有限维内积空间,
和
是
上的线性算子,
是任意的标量, 那么
- ;
- ;
- ;
- .
证明. 为了证明i, 令
, 那么
根据伴随的唯一性, 我们得到了
. 我们将ii的证明留给读者. 我们从以下关系
和
可以得到iii和iv.
定理9经常被重述为伴随是一个周期为的共轭线性的反同构. 我们上面提及的伴随与复共轭的类似之处当然是复共轭具有, , 的性质. 对于乘积的伴随, 读者必须小心顺序是相反的: . 当我们继续研究内积空间上的线性算子时, 我们将提及以上类比的一些扩展. 现在, 我们就要沿着之前的路线提及一点. 一个复数是实数当且仅当. 读者可能会设想满足的线性算子在某种意义上表现得与实数类似, 实际上的确如此. 例如, 若是有限维复内积空间上的一个线性算子, 那么其中而. 因此, 也拥有某种"实部"和"虚部". 这样的算子和是唯一的, 由给定.
满足的线性算子被称为是自伴的, 或者Hermite的. 若是的一个规范正交基, 那么于是, 是自伴算子当且仅当其在每个规范正交基下的矩阵表示都是自伴的. 自伴算子是重要的, 不仅在于其提供了一般线性算子在某种意义下的实部和虚部, 还出于以下原因:
- 自伴算子具有许多特殊的性质. 例如, 对于这样的一种线性算子, 存在一个由其特征向量构成的规范正交基.
- 许多实践中出现的线性算子都是自伴的.
之后我们将考虑自伴算子的特殊性质.
练习1. 令是带有标准内积的向量空间, 是由和定义的线性算子. 如果, 找出.
练习2. 令是上的线性算子, 由和定义. 使用标准内积, 找出在标准有序基下的矩阵. 与交换吗?
练习3. 令是带有标准内积的, 是上的线性算子, 其在标准有序基下的矩阵由定义, 其中是虚数单位. 找出的零空间的一个基.
练习4. 令是一个有限维内积空间, 是上的一个线性算子, 证明的像是的零空间的正交补.
练习5. 令是一个有限维内积空间, 是上的一个线性算子. 如果是可逆的, 证明也是可逆的, 并且.
练习6. 令是一个内积空间, 而和是中固定的向量. 证明定义了上的一个线性算子. 证明具有伴随, 并显式描述.
现在设是带有标准内积的, 而. 在标准有序基下的矩阵的第行列的元素是什么? 这个矩阵的秩是多少?
练习7. 证明两个自伴算子之积是自伴的当且仅当这两个算子交换.
练习8. 令是上次数小于等于的多项式构成的向量空间, 而内积为如果是一个实数, 找出多项式使得对于每个都有.
练习9. 令是练习8的内积空间, 是上的形式微分算子, 找出.
练习10. 令是, 其上的内积为. 令是一个固定的可逆矩阵, 而是上的线性算子. 找出的伴随.
练习11. 令是一个有限维内积空间, 是上的一个幂等线性算子, 证明是自伴的当且仅当.
练习12. 令是一个有限维复内积空间, 是上的一个线性算子, 证明是自伴的当且仅当对于每个, 是实数.
第8.4节 酉算子
在本节中, 我们将考虑两个内积空间之间的同构的概念. 如果和是向量空间, 那么从到的同构是一个从到的双射的线性变换, 即"保持"向量空间运算的从到的一一对应. 既然内积空间不仅包含包含向量空间, 还具有一个给定的内积, 那么当和是内积空间时, 我们要求从到的内积不仅保持线性运算, 还应该保持内积. 内积空间上的自同构被称为"酉算子". 我们将考虑酉算子的各种例子并建立其基本性质.
定义. 令和是相同的域上的内积空间, 是从到的线性变换, 那么我们称保持内积, 如果对于每个都有. 从到的同构是保持内积的从到的向量空间的同构.
如果保持内积, 那么, 于是必然是非奇异的. 因此, 从到的同构也可以被定义为保持内积的从到的满射的线性变换. 若是从到的同构, 那么是从到的同构. 当这样的一个存在时, 我们就称和是同构的. 当然, 内积空间之间的同构是一个等价关系.
定理10. 令
和
是相同的域上的
维内积空间, 如果
是从
到
的线性变换, 那么以下条件是等价的.
- 保持内积.
- 是一个(内积空间的)同构.
- 将的每个规范正交基映射为的规范正交基.
- 将的某个规范正交基映射为的规范正交基.
证明. 由i推出ii: 如果
保持内积, 那么对于每个
,
. 因此,
是非奇异的. 既然
, 我们知道
是一个向量空间的同构.
由ii推出iii: 设
是一个同构. 令
是
的一个规范正交基. 既然
是一个向量空间的同构, 那么
是
的一个基. 鉴于
也保持内积,
.
由iii推出iv: 不言自明.
由iv推出i: 令
是
的一个规范正交基, 其使得
是
的一个规范正交基, 那么
对于
中任意的向量
和
, 我们有
于是,
保持内积.
推论. 令和是相同的域上的有限维内积空间, 那么和同构当且仅当它们具有相等的维数.
证明. 如果
是
的一个规范正交基而
是
的一个规范正交基, 令
是由
定义的从
到
的线性变换, 那么
是从
到
的同构.
例子22. 如果是一个维内积空间, 那么每个有序规范正交基都确定了一个从到带有标准内积的的同构, 这个同构即还有一个由确定的从到带有标准内积的的同构, 其仅与前述例子在表面上有所不同, 此即也就是将送至其在有序基下的坐标矩阵的变换. 对于任意的有序基而言, 这都是一个向量空间的同构. 然而, 这是两个内积空间之间的同构当且仅当是一个规范正交基.
例子23. 现在我们给出一个不那么浮浅的例子. 令是上的所有的斜对称矩阵 (即) 构成的向量空间. 我们装备以内积, 这里的只是为了方便而插入的. 令是带有标准内积的. 令是从到的线性变换, 由定义, 那么是一个满射. 置我们有因此, 而是一个内积空间之间的同构. 注意到将标准基送至规范正交基
例子24. 基于规范正交基描述同构实际上并不总是最方便. 例如, 设, 其中是一个的可逆复矩阵. 令是向量空间, 带有内积. 令是相同的向量空间, 但是带有标准内积. 我们知道和是同构的内积空间. 似乎刻画一个和之间的同构的最简单方式如下: 令从到的线性变换, 那么因而是一个同构.
例子25. 令是单位区间上的实值连续函数的空间, 带有内积令是相同的向量空间, 带有内积令是从到的线性变换, 由给定, 那么, 于是保持内积. 然而, 并非从到的同构, 因为不是满射. 当然, 这会发生仅是因为作为基础的向量空间不是有限维的.
定理11. 令和是相同的域上的内积空间, 是从到的线性变换, 那么保持内积当且仅当对于每个, .
证明. 如果
保持内积, 那么当然
"保持范数". 设对于每个
有
, 那么
. 现在根据实或复选择相应的极化恒等式, 再加上
具有线性性质的事实, 很容易得到对于每个
, 我们有
.
定义. 一个内积空间上的一个酉算子是一个从此空间到自身的同构.
两个酉算子之积仍然是酉算子, 因为如果和是酉算子, 那么是可逆的, 并且对于每个有. [译注: 作者这里提及可逆时, 指的是作为映射的可逆, 或者是作为线性变换的可逆, 但肯定不是作为内积空间同态的可逆, 因为那样的话就不需要说明了.] 当然, 酉算子的逆也是酉算子, 鉴于可以推出, 其中. [译注: 这个逆当然说的是作为映射的逆.] 既然恒等算子显然是一个酉算子, 我们看到一个内积空间上的所有酉算子构成的集合在复合运算下是一个群.
如果是一个有限维内积空间而是上的一个线性算子, 那么定理10告诉我们是酉算子当且仅当对于每个, ; 或者, 当且仅当对于某个 (或者每个) 规范正交基, 也是规范正交基.
定理12. 令是内积空间上的一个线性算子, 那么是酉算子当且仅当的伴随存在并且.
证明. 设
是酉算子, 那么
是可逆的, 并且
对于任意的
成立, 因而
是
的伴随.
反过来, 设
存在并且
, 那么
是可逆的, 而
. 于是, 剩下来我们要做的事情就只是证明
保持内积. 对于任意的
, 我们有
例子26. 考虑带有标准内积的, 令是域上的一个矩阵, 是由定义的线性算子, 那么对于每个有因此, 是酉算子当且仅当.
定义. 一个的复矩阵被称为酉矩阵, 如果. [译注: 这里提及了复矩阵, 也就包括了实矩阵的情况, 鉴于实数域是复数域的子域.]
定理13. 令是一个有限维内积空间而是上的一个线性算子, 那么是酉算子当且仅当在某个 (或者每个) 有序规范正交基下的表示是酉矩阵.
证明. 在当前阶段, 这不太算是一个定理, 我们陈述该定理主要是为了强调一下. 如果
是
的一个有序规范正交基, 而
是
相对于
的矩阵, 那么
当且仅当
. 现在这个结果可由定理12直接推出.
令是一个的复矩阵, 那么陈述为酉矩阵即意味着或者换言之, 的列相对于标准内积构成了一个规范正交集合. 既然当且仅当, 我们看到是酉矩阵恰当的行在带有标准内积的中构成了一个规范正交集合. [译注: 在本书中, 作者将和视为完全相同的.] 因此, 使用标准内积, 是酉矩阵当且仅当的行和列都构成了规范正交集合. 这里读者看到了展现矩阵的单边逆也是双边逆这个定理的威力的一例. 按照以上方式应用该定理于实矩阵, 我们得到了以下结果: 设我们有一个实方阵, 其每一行的元素的平方和为而不同的行是正交的, 那么每一列的元素的平方和也为, 并且不同的列是正交的. [译注: 相对于标准内积而言. 当然, 这本质上只是对于实数域上的方阵重复了一下刚才的结果.] 若是读者对于的情形写下证明而不诉诸于任何矩阵的知识, 那么他应该会对于矩阵的单边逆可以推出双边逆印象深刻.
定义. 一个实或复的矩阵被称为是正交矩阵, 如果.
一个实正交矩阵是酉矩阵; 并且, 一个酉矩阵是正交矩阵当且仅当其每个元素都是实数.
例子27. 我们给出一些酉矩阵和正交矩阵的例子.
- 的矩阵是正交矩阵当且仅当, 是酉矩阵当且仅当. 后一个条件即, 或者, 其中是实数.
- 令那么是正交矩阵当且仅当显然, 任何正交矩阵的行列式都是. 因此, 是正交矩阵当且仅当或者其中. 这两种情形由的值区分.
- 三角函数之间的关系表明是正交矩阵. 如果是一个实数, 那么即平面上逆时针旋转的线性变换在的标准有序基下的矩阵. 此时, 鉴于是一个实正交矩阵, 因而是一个酉矩阵, 那么是一个酉算子, 即保持点积.
- 令那么是酉矩阵当且仅当酉矩阵的行列式具有绝对值, 因而是一个具有形式的复数, 其中是实数. 于是, 是酉矩阵当且仅当其中是一个实数而和是满足的复数.
正如我们之前所注意到的, 一个内积空间上的酉算子构成了一个群. 根据这个观察以及定理13, 我们可以推出由所有的酉矩阵构成的集合也是一个群. 因此, 酉矩阵的逆和两个酉矩阵之积都是酉矩阵. 当然, 直接看出来也是很简单的. 一个的复矩阵是酉矩阵当且仅当. 因此, 如果是酉矩阵, 我们有. 如果和是的酉矩阵, 那么. [译注: 似乎直接按照酉矩阵的定义进行证明反而更简单.]
中的Gram-Schmidt过程对于牵涉群的矩阵具有一个有趣的推论.
定理14. 对于每个的可逆复矩阵, 存在唯一的主对角线元素皆为正数的下三角矩阵使得是酉矩阵.
证明. 的行
构成了
的一个基. 应用Gram-Schmidt过程于
, 我们得到了
的一个正交基
, 其中
因此, 对于每个
, 存在唯一的标量
使得
令
是以
为行的酉矩阵, 而
是由
定义的矩阵. 那么,
是下三角矩阵 (意即主对角线的上面的元素均为
),
的主对角线上的元素均大于
, 并且
此即是说
为了证明
的唯一性, 令
代表所有主对角线元素均为正数的下三角矩阵构成的集合. 设
满足
, 那么因为
是一个群, 我们有
另一方面, 虽然并不全然明显, 但是
在矩阵乘法下也是一个群. 一种看出这点的方法是考虑列矩阵的空间上的线性变换
的几何性质. 因此,
. 但是, 既然
, 我们知道
. 鉴于任何下三角矩阵的转置或者共轭转置都是上三角矩阵, 所以
既是上三角矩阵又是下三角矩阵. 换言之, 就是对角矩阵. 一个对角矩阵是酉矩阵当且仅当其每个对角线元素均具有绝对值
; 若是对角线元素都为正数, 那么它们只能全等于
. 因此,
, 即
.
令代表所有的可逆复矩阵构成的集合, 那么在矩阵乘法下也是一个群. 这个群被称为一般线性群. 定理14等价于以下结果.
推论. 对于每个, 存在唯一的和使得
证明. 根据定理14, 存在唯一的矩阵
使得
. 令
而
, 那么
而
. 另一方面, 若
和
满足
, 那么
, 其中
即是由定理14刻画的唯一的矩阵
. 而且,
必然为
.
例子28. 令和是满足的实数, 并且. 令应用Gram-Schmidt过程于的行, 我们会得到向量令是以为行的矩阵, 那么是酉矩阵, 并且现在左乘的逆, 我们得到
现在让我们来简要考虑一下内积空间的坐标变换. 设是一个有限维内积空间, 和是的两个规范正交基, 那么存在唯一的(必然可逆的)矩阵使得对于每个成立. 如果是由定义的唯一的上的线性算子, 那么是在有序基下的矩阵:既然和都是规范正交基, 那么是一个酉算子而是一个酉矩阵. 如果是上的一个线性算子, 那么
定义. 令和是的复矩阵. 我们称酉等价于, 如果存在一个的酉矩阵使得. 我们称正交等价于, 如果存在一个的正交矩阵使得.
根据这个定义, 我们可以重新表述以上的观察如下: 如果和是的两个规范正交基, 那么酉等价于. 在是实内积空间的情形下, 这些矩阵是正交等价的, 通过一个实正交矩阵.
练习1. 找出一个不是正交矩阵的酉矩阵, 以及一个不是酉矩阵的正交矩阵.
练习2. 令是, 带有通常内积. 对于每个, 令是上的线性算子. 证明是一个酉算子当且仅当是一个酉矩阵.
练习3. 令
是被当作
实向量空间的复数域.
- 表明定义了一个上的内积.
- 找出一个从到带有标准内积的的(内积空间的)同构.
- 对于每个, 令是上的线性算子, 证明.
- 对于什么样的复数, 是自伴算子?
- 对于什么样的复数, 是酉算子?
- 对于什么样的复数, 是正定算子? [译注: 正定算子的定义见第9.3节.]
- 是多少?
- 找出在基下的矩阵.
- 如果是上的一个线性算子, 找出存在使得的充要条件.
- 找出一个上的酉算子, 但是不存在使得.
练习4. 令
是带有标准内积的
. 如果
是
上的一个酉算子, 证明
在标准有序基下的矩阵是
其中
. 令
是在标准有序基下以
为矩阵表示的线性算子, 即
是逆时针旋转
的变换. 现在读者应该说服自己,
上的每个酉矩阵, 要么是一个旋转, 要么是一个关于
轴的反射接着一个旋转. [译注: 对于后一种变换, 另外一种描述方法是关于角度为
的轴的反射.]
- 是什么?
- 表明.
- 令是一个固定的实数, 是由经过逆时针旋转得到的规范正交基, 即. 如果是另一个实数, 那么在有序基下的矩阵是什么?
练习5. 令是带有标准内积的. 令是由和张成的平面. 令是按照以下方式几何地定义的线性算子: 是关于过原点正交于的直线旋转的变换. 实际上存在两种这样的旋转, 选择一个即可. 找出在标准有序基下的矩阵. (这里给出一种可行的方法. 找到的一个规范正交基和. 令是正交于且范数为的向量. 找出在基的矩阵. 施行一次基变换.)
练习6. 令
是有限维的内积空间,
是
的一个子空间, 那么
, 即每个
都可以唯一地被表示为
的形式, 其中
而
. 我们定义线性算子
.
- 证明既是自伴算子又是酉算子.
- 如果是带有标准内积的而是由张成的子空间, 找出在标准有序基下的矩阵.
练习7. 令
是一个复内积空间而
是
上的一个自伴线性算子, 证明
- .
- 当且仅当.
- 是非奇异的.
- 是非奇异的.
- 现在设是有限维的, 证明是一个酉算子. 被称为的Cayley变换. 在某种意义上说, 令, 那么.
练习8. 如果是一个实数, 证明是酉等价的.
练习9. 令是一个有限维内积空间而是上的一个正定算子. 令是上的内积. 令是上的一个线性算子而是其相对于的伴随. 证明是相对于内积的酉算子当且仅当.
练习10. 令
是一个有限维内积空间, 对于每个
, 定义
上的线性算子
, 证明以下命题.
- .
- .
- .
- 在何种条件下是自伴算子?
练习11. 令是域上的一个维内积空间, 是上的所有线性算子构成的空间, 证明上存在唯一的一个内积使得对于任意的, , 其中是练习10中那样定义的线性算子. 找到一个带有此内积的和带有内积的空间之间的同构.
练习12. 令是一个有限维内积空间. 在练习6中, 我们展示了如何构造一个上既自伴又酉的算子. 现在证明对于每个上的自伴酉算子, 都存在一个子空间使得这个算子可由练习6中所描述的方法构造出来.
练习13. 令
和
是有限维内积空间,
是从
到
的同构, 证明
- 映射是从向量空间到向量空间的同构.
- 对于每个, .
- , 其中于练习10中被定义.
- .
- 如果我们装备以内积, 并以类似的方式定义上的内积, 那么是一个内积空间的同构.
练习14. 如果
是一个内积空间, 那么
刚体运动是满足对于每个
有
的映射
, 其中
不必是线性变换. 酉算子是刚体运动的一个例子. 另外一个例子是平移一个固定的向量
:
- 令是带有标准内积的, 设是的一个刚体运动, 并且, 证明是线性的, 而且是一个酉算子.
- 使用a的结果证明每个的刚体运动都是由一个平移接着一个酉算子复合而成的.
- 现在证明的刚体运动要么是一个平移接着一个旋转, 要么是一个平移接着一个反射接着一个旋转.
练习15. (带有标准内积) 上的酉算子不过就是保持二次形式
的线性算子, 即对于每个
满足
的线性算子
. 在相对论的特定部分中, 寻找保持形式
的线性算子
是令人感兴趣的.
并不来源于内积, 而是某种被称为"Lorentz度量"的东西 (我们不会深入讨论这个). 出于这种原因,
上的线性变换
, 若满足对于每个
都有
, 则被称为
Lorentz变换.
- 说明由定义的函数是从到由所有的自伴复矩阵构成的实向量空间的同构.
- 说明.
- 设是上的一个(实)线性算子, 说明是上的线性算子.
- 令是任意的复矩阵, 说明定义了一个上的线性算子. (一定要检查的确将映入.)
- 如果满足, 说明是上的一个Lorentz变换.
- 找到一个这样的Lorentz变换, 不存在使得.
第8.5节 正规算子
本节的主要目标在于解决以下问题. 如果是有限维内积空间上的一个线性算子, 在何种条件下拥有一个由的特征向量构成的规范正交基? 换言之, 何时存在的一个规范正交基使得在下的表示是一个对角矩阵.
我们先来推导一些上的必要条件, 之后我们将逐步证明这些条件也是充分的. 设是的一个规范正交基, 并且满足性质这不过就是在说在有序基下的表示是以为对角线元素的对角矩阵. 伴随算子在相同的有序基下的表示是该矩阵的共轭转置, 即以为对角线元素的对角矩阵. 如果是一个实内积空间, 标量都是实数, 因而必然有. 换言之, 对于有限维实内积空间和其上的线性算子, 若存在一个全由的特征向量构成的规范正交基, 那么必然是自伴算子. 如果是复内积空间, 那么标量不必是实数, 也就不必是自伴的了. 但是, 我们应该注意到必然满足这是因为, 任意的两个对角矩阵都是交换的, 而和同时在有序基下由对角矩阵表示. [译注: 读者可以回忆一下第6.5节的内容, 交换是同时对角化的充要条件.] 有趣的是, 在复情形下, 交换的条件实际上足以推出全由特征向量构成的规范正交基的存在性.
定义. 令是一个有限维内积空间而是上的一个线性算子, 我们称为正规算子, 如果其与它的伴随交换, 即.
任意的自伴算子都是正规算子, 任意的酉算子也是正规算子. 正规算子的任意标量倍数都是正规的; 然而, 正规算子之和与积并不一定是正规的. 尽管并非必要, 我们将从考虑自伴算子开始我们对于正规算子的研究.
定理15. 如果是一个内积空间而是上的一个自伴算子, 那么的特征值均为实数, 且不同的特征值所对应的特征向量之间是正交的.
证明. 设
是
的一个特征值, 那么存在
使得
, 于是
鉴于
, 我们必然有
. 现在设我们也有
满足
, 那么
如果
, 那么
.
应该指出的是, 定理15并没有断言特征值或者说特征向量一定存在.
定理16. 在有限维内积空间上 (除开仅包含零向量的平凡空间), 每个自伴算子都拥有一个特征向量.
证明. 令
是一个
维内积空间, 其中
, 而
是
上的一个自伴算子. 挑选
的一个规范正交基
而令
, 既然
, 我们有
. 现在令
是带有标准内积的
, 那么
定义了一个
上的自伴算子. 对于特征多项式
, 我们知道其在域
上至少拥有一个根
. 鉴于
是自伴算子, 根据定理15,
是实数. 换言之, 存在
使得
是奇异的. 若
是复内积空间, 那么证明算是结束了, 因为
是奇异的. 而对于实内积空间
, 我们最好回忆一下第1章关于线性方程组的观察. 也就是说, 如果以
为系数矩阵的齐次线性方程组在复数域上有非平凡解, 那么其在实数域上也应该有非平凡解, 即
在实数域上当然也是奇异的. 因此,
是奇异的, 存在非零的向量
使得
.
关于这个证明, 我们应该作出数条评注.
- 在复情形下, 即便不是Hermite矩阵 (或者说自伴矩阵), 也不影响具有特征值和特征向量. 但是, 在实情形下, 自伴的条件就显得非常重要了, 因为它可以告诉我们的特征多项式在域上的根均为实数.
- Hermite矩阵的特征多项式的系数一定是实数, 即便矩阵的各个元素可能不都是实数.
- 对于是有限维空间的假设是必要的, 无限维内积空间上的自伴算子可能没有特征值.
例子29. 令是单位区间上的连续复值 (或者实值) 函数构成的向量空间, 带有内积"乘上"的算子是自伴的. 让我们设, 那么于是, 时. 鉴于是连续的, , 因而没有特征值.
定理17. 令是一个有限维内积空间, 是上任意的线性算子. 设是一个不变子空间, 那么的正交补在下不变.
证明. 设
, 对于每个
, 因为
在
下不变, 所以
, 那么
换言之,
, 即
在
下不变.
定理18. 令是一个有限维内积空间, 是上的一个自伴算子, 那么存在一个全由的特征向量构成的的规范正交基.
证明. 不妨设
. 根据定理16,
拥有一个特征向量
. 令
, 那么
也是
的一个特征向量, 并且
. 如果
, 证明就结束了. 不然的话, 我们对于
的维数施行归纳. 设定理对于维数小于
的内积空间成立. 令
是由
张成的一维子空间. 既然
是
的特征向量, 那么
在
下不变. 根据定理17, 正交补
在
下不变. 现在
在继承自
的内积下成为了一个
维的内积空间. 令
是
在
上由限制导出的算子, 那么
是自伴的. 根据归纳假设,
拥有一个以
的特征向量构成的规范正交基
. 当然,
的特征向量自然也是
的特征向量. 因此, 我们可以断言
即是我们所要的
的基.
推论. 令是一个的Hermite矩阵 (自伴矩阵), 那么存在一个酉矩阵使得是对角矩阵. (或者说, 酉等价于一个对角矩阵.) 若是一个实对称矩阵, 那么存在一个实正交矩阵使得成为对角矩阵.
证明. 令
是带有标准内积的
, 而
是在标准有序基下由
表示的线性算子. 既然
, 我们有
. 令
是一个全由
的特征向量构成的
的规范正交基, 我们设
. 如果
, 那么
是以
为对角线元素的对角矩阵. 考虑由
定义的线性算子
, 令
是
在标准有序基下的表示. 那么,
是一个酉矩阵, 并且
.
对于推论的后半部分, 实际上取
为带有标准内积的
然后重复前述论证即可. 在此情形下,
仍然是一个酉矩阵, 只是其元素都是实数, 因而也是一个正交矩阵.
将定理18与本节开头的评注相结合, 我们就得到了以下结果: 如果是一个有限维实内积空间, 而是上的一个线性算子, 那么拥有一个全由的特征向量构成的规范正交基当且仅当是自伴算子. 等价地, 如果是一个的实矩阵, 那么存在实正交矩阵使得为对角矩阵当且仅当. 对于复对称矩阵我们没有这样的结果. 换言之, 对于复矩阵而言, 条件和有着显著的不同之处.
解决了自伴的情况, 我们现在回到对于正规算子的一般性研究上来. 我们将在复情形下对于正规算子证明定理18的类似物. 之所以我们要限制于复情形, 一个原因在于实内积空间上的正规算子可能压根就没有任何特征向量. 例如, 中的旋转, 除开旋转度和度这两种特殊情况.
定理19. 令是一个有限维内积空间, 是上的一个正规算子. 设非零向量, 那么是在特征值下所对应的特征向量当且仅当是在特征值下所对应的特征向量.
证明. 设
是
上任意的正规算子, 根据
, 我们可以推出
换言之,
. 如果
是任意的标量, 那么
. 我们很容易验证
的确是一个正规算子, 于是
因而
当且仅当
, 证明就结束了.
定义. 一个的复矩阵被称为正规矩阵, 如果.
理解正规矩阵或者正规算子究竟具有什么意义并不容易. 然而, 为了建立一点对于这个概念的感觉, 或许读者知道{一个三角矩阵是一个正规矩阵当且仅当其是一个对角矩阵}是有用的.
定理20. 令是一个有限维内积空间, 是上的一个线性算子, 是的一个规范正交基. 设在下的矩阵是上三角的, 那么是一个正规算子当且仅当是一个对角矩阵.
证明. 既然
是规范正交基, 那么
是
在
下的矩阵. 若
是对角矩阵, 那么显然
, 这可以推出
. 反过来, 设
是正规算子而
. 既然
是上三角矩阵, 那么
. 根据定理19,
. 另一方面, 我们有
因此, 对于每个
,
. 特别地,
. 鉴于
是上三角矩阵, 可以推出
因而
, 于是对于
,
. 按照这种手段继续下去, 我们最终可以证明
的确是一个对角矩阵.
定理21. 令是一个有限维的复内积空间, 是上的一个线性算子, 那么存在规范正交基使得在其下的矩阵为上三角的.
证明. 设
. 当
时, 这个定理显然成立. 我们对于
施行归纳, 假设结果对于
维的复内积空间上的线性算子成立. 既然
是一个有限维复内积空间, 那么对于伴随
而言, 存在标量
和单位向量
使得
令
是由
张成的子空间的正交补, 根据定理17,
在
下不变. 设
是
由限制于
上导出的算子. 既然
是
维的, 归纳假设告诉我们存在
的一个规范正交基
使得
在其下的矩阵是上三角的. 令
, 那么
是
的一个规范正交基, 并且
在其下的表示是一个上三角矩阵.
这个定理推出了以下的矩阵版本.
推论. 对于每个的复矩阵, 存在一个酉矩阵使得是上三角矩阵.
现在将定理20和定理21相结合, 我们就立即得到了定理18对于正规算子而言的类似物.
定理22. 令是一个有限维复内积空间, 是上的一个正规算子, 那么存在一个全由的特征向量构成的的规范正交基.
当然, 这个定理也有一个矩阵解释.
推论. 对于每个的(复)正规矩阵, 存在一个酉矩阵使得是对角矩阵.
练习1. 对于以下每个实对称矩阵, 找出一个实正交矩阵使得成为对角矩阵.
练习2. 复对称矩阵是自伴的吗? 是正规的吗?
练习3. 对于存在实正交矩阵使得是一个对角矩阵. 找出一个这样的对角矩阵.
练习4. 令是带有标准内积的, 是上在标准有序基下由矩阵表示的线性算子. 证明是正规算子, 并找到的一个全由的特征向量构成的规范正交基.
练习5. 给出一个的矩阵的例子, 是正规的, 但是不是正规的.
练习6. 令
是有限维复内积空间上的一个正规算子, 证明
- 如果的每个特征值都是实数, 那么是一个自伴算子.
- 如果的每个特征值都是正数, 那么是一个正定算子.
- 如果的每个特征值的绝对值均为, 那么是一个酉算子.
练习7. 令是有限维内积空间上的一个线性算子, 设既是正定算子又是酉算子, 证明.
练习8. 证明有限维复内积空间上的线性算子是正规的当且仅当存在交换的自伴算子和使得.
练习9. 证明实对称矩阵具有实对称立方根, 即若为实对称矩阵, 则存在实对称的满足.
练习10. 证明每个正定矩阵都是某个正定矩阵的平方.
练习11. 设是有限维复内积空间上的一个线性算子, 若既是正规算子也是幂零算子, 那么.
练习12. 如果是有限维内积空间上的一个正规算子, 证明的不同特征值所对应的特征向量之间是正交的.
练习13. 令是有限维复内积空间上的一个正规算子, 证明存在复数域上的多项式使得. (表示以对角矩阵, 看看必须是什么.)
练习14. 如果有限维复内积空间上的两个正规算子交换, 证明它们的积也是正规算子.