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二次型的重要工具。

一、定义

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

其中 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

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 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

,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。

参见相似矩阵与矩阵可对角化的条件

七、与二次型的连接

二次型

是实对称矩阵,令 ,则

,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