正交矩阵
核心直觉
正交矩阵表示“只旋转/翻折,不拉伸”的线性变换。它保持长度、夹角和内积,是连接向量的长度、R的n次方的标准正交基、矩阵的特征值和特征向量与二次型的重要工具。
一、定义
若 阶方阵 满足
则称 为正交矩阵。
等价地:
也就是说,正交矩阵的逆矩阵就是它的转置。
二、列向量与行向量的含义
设
其中 是 的列向量。则
等价于
因此,正交矩阵的列向量组是一组标准正交基;行向量组也是一组标准正交基。
三、保持长度与内积
对任意向量 ,有
证明:
更一般地,对任意 :
所以正交变换保持:
- 向量长度;
- 向量夹角;
- 正交关系;
- 距离。
四、行列式与几何意义
若 是正交矩阵,则
- :通常对应旋转。
- :通常对应反射或包含反射的变换。
二维旋转矩阵:
五、正交相似
若存在正交矩阵 ,使
则称 与 正交相似。
因为 ,所以正交相似也是一种特殊的相似变换:
正交相似保留特征值,同时又保持坐标系的长度和角度,因此比一般相似变换更适合几何理解。
六、实对称矩阵的正交对角化
若 ,则存在正交矩阵 ,使得
其中 是对角矩阵,对角元是 的特征值。
这说明:
- 实对称矩阵一定可对角化;
- 不同特征值对应的特征向量正交;
- 可选取一组标准正交特征向量作为 的列向量。
七、与二次型的连接
二次型
若 是实对称矩阵,令 ,则
若 ,则
这就是用正交变换把二次型化为标准形。
八、做题检查表
- 判断正交矩阵:算 是否等于 。
- 已知列向量:检查列向量是否两两正交且长度为 。
- 求逆矩阵:若 正交,直接写 。
- 实对称矩阵对角化:求特征值 → 求特征向量 → 单位化并正交化 → 按列组成 。