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用顺其自然的正交化向量终结Gram-Schmidt长久以来正交化的繁琐步骤
心情隨筆心情日記 2022/01/30 00:22:36

     

                          鄧天錫顺其自然的正交化向量终结  

                      Gram-Schmidt长久以来正交化的繁琐步骤

                                  作者: 遠東科技大學 鄧岱松

克紹箕裘,子承父業..鄧天錫基底向量正交化定理:

    設{a1,,an}為布於複數域內積向量空間n個線性無關之向量,

簡稱基底向量.

aij=aiajai,aj之內積,aji=ajai=a¢ijaij之共軛複數.

aii=aiai>0,b1=a1, b22向量行列,

[a11, a1]b21, [a21, a2]b22,,

bnn向量行列,[a11,a12,,a1(n-1),a1]bn1,,

[an1,an2,,an(n-1),an]bnn.行列式之運算規

b1b1=a11>0,b2b1=0,b2b2>0,,  

bnb1==bnbn-1=0, bnbn>0.

{b1, b2}為基底向量{a1,a2}正交基底,,

{b1, b2,, bn}為基底向量{a1,a2,,an}正交基底.

由於鄧天錫之基底向量正交化定理本乎自然,一以貫之,

其證明渾然天成,稱之為自然正交化定理.

相較於(Gram-Schmidt¢s 合力創設的orthogonalization 正交化),

既難懂又難學.長久以來,欺世盜名.瓦釜雷鳴,莫此為甚.

竟以驟混充證明.謹代為證明如下:

 {a1,,an}為布於複數域內積向量空間之一組基底向量.b1=a1,

假定{b1,,bk-1}{a1,,ak-1}之正交基底,1<k£n.

bii=bibi>0,i¹j,bij=bibj=0.I£i<k, I£j<k,.

Pik=biak,Pki=akbi,I£i<k, I£j<k.

bk=ak-{(Pk1b11)b1+(Pk2b22) b2++

       (Pk(k-1)b(k-1)(k-1))b(k-1)}.

{b1,,b(k-1),bk}{a1,,a(k-1),ak}之正交基底

 

 cbkk階向量行列,[b11,,0,b1]cbk1,,

 [0,,b (k-1)(k-1),b(k-1)]cbk(k-1),,

 [Pki,, Pk (k-1),ak]cbkk,1<k£n.c¹0,c為常數.

 Pki=P¢ikPik之共軛複數.b1=a1,   

 {b1,,b(k-1)}{a1,,a(k-1)}之正交基底,1<k£n.

{a1,,a(k-1),ak}為線性無關,  

{b1,,b(k-1),ak}亦必為線性無關.®

cbkak=Bkk階數字行列,                                    

[b11,,0, P1k]cbkak=Bk1,

 [0,,b (k-1)(k-1),P(k-1)k]cbkak=Bk(k-1),,

 [Pki,, Pk (k-1),akk]cbkak=Bkk.

 cbkbik階數字行列,[b11,,0, b1i]cbkbi1,,

[0,, b (k-1)(k-1), b(k-1)i]cbkbi(k-1),

 [Pki,, Pk(k-1), P ki]cbkbik,

 bii=bibi>0,bij=bibj=0,i¹j,"1£i<k,1£j<k.

 cbkbi=0,1£i<k.®bkbi=0,即得

 {b1,,b(k-1),bk}{a1,,a(k-1),ak}之正交基底.

cbk=B1kb1+B2kb2++Bk-1kbk-1+Bkkak

Bik=(-1)i+kik行列cbkBkik行的因式.

ik(k-1)行列,[b11,0,,0,0]ik1, 

[0,b22,0,,0]ik2, 

[0,0,,b (i-1)(i-1),0]ik(i-1),

[0,0,,b (i+1)(i+1),0]iki, ……     

[0,0,,0,0,0,b (k-1)(k-1)]ik(k-2),

[Pk1,Pk2,,Pk(i-1),Pki,Pk(i+1),Pk(k-1)]ik(k-1),

行列式之運算規則,

ik=(-1)(k-1)+i Pkib11b(i-1)(i-1)b(i+1)(i+1)

      b(k-1)(k-1),

Bik=(-1)i+kik=(-1)i+k(-1)(k-1)+i                                     

Pkib11b(i-1)(i-1)b(i+1)(i+1)b(k-1)(k-1)

=-b11b(i-1)(i-1)Pkib(i+1)(i+1)b(k-1)(k-1

=-(Pki Bkkbii),1£i<k.

cbk=B1kb1+B2kb2++Bk-1kbk-1+Bkkak,c=Bkk>0.®

bk=B1kb1+B2kb2++Bk-1kbk-1+ak=ak-(Pki bibii).

即得{b1,,b(k-1),bk}{a1,,a(k-1),ak}之正交基底.

Gram-Schmidt¢s正交化基底的步驟.

1.

  設a1=[1,1,0], a2=[1,2,0], a3=[0,1,2].  

{a1, a2, a3}之正交基底.

解一:由基底向量之自然正交化

a11=a1a1=2,a21=a12=a1a2=3, a22=a2a2=5,   

a13=a31=a3a1=1,a32=a3a2=2.®  

b1=a1=[1,1,0],b2為由[2,a1],[3,a2]組成之2階行列.

行列式之運算規則,

b2=2a2-3a1=2[1,2,0]-3[1,1,0]=[-1,1,0],   

cb3為由[2,3,a1],[3,5,a2],[1,2,a2]組成之3階行列.

行列式之運算規則, 

cb3=a1-a2+a3=[1,1,0]-[1,2,0]+[0,1,2]=[0,0,2]

=2[0,0,1]=2b3.c=2.®b3=[0,0,1].

{b1=[1,1,0],b2=[-1,1,0],b3=[0,0,1]}

{{a1, a2, a3}}之正交基底.

解二:Gram-Schmidt基底向量之正交化步骤                   

   設a1=[1,1,0], a2=[1,2,0], a3=[0,1,2]

b1=a1=[1,1,0],b11=a1a1=2, P21=a2b1=3.®

cb2=a2-(p21b11)b1=[1,2,0]-(32)[1,1,0

=[-12,12,0]=-(12)[-1,1,0].

c=12.® b2=[-1,1,0].b22=b2b2=2.

P31=a3b1=1, P32=a3b2=1.®

cb3=a3-(p31b11)b1-(p32b22)b2

=[0,1,2]-(12)[1,1,0]-(12)[-1,1,0]=[0,0,2].

c=2.®b3=[0,0,1]. 

{b1=[1,1,0],b2=[-1,1,0],b3=[0,0,1]}

{{a1, a2, a3}}之正交基底.

2.

  a=[a1,a2,a3,a4],b=[b1,b2,b3,b4]布於複數域

4維內積向量空間中向量: 

定義 ab=a1b¢1+a2b¢2+a3b¢3+a4b¢4為二向a, b內積.

a1=[-1,0,i,1], a2=[1,i,0,1+i], a3=[-i,0,i,0].

{a1,a2,a3}之正交基底.

解一:由基底向量之自然正交化

  由a1=[-1,0,i,1], a2=[1,i,0,1+i], a3=[-i,0,i,0].

a11=a1a1=3,  a12=a1a2=-i, a21=i, a22=a2a2=4,   

a13=a1a3=1-i,a31=a3a1=1+i,a23=a2a3=i.

a32=a3a2=-i.a33=a3a3=2.®

b1=a1, b1b1=b11=3,

b2為由[3, a1],[i,a2]組成之2階行列式.

行列式之運算規則,

b2=3a2-ia1=3[1,i,0,1+i]-i[-1,0,i,1]  

=[3+i,3i,1,3+2i],  

b2b2=33.                      

b3為由[3,-i,a1],[i,4, a2],[1+i,-i, a3]組成之3階行列式.

行列式之運算規則,

b3=(-3-4i)a1+(1+2i)a2+11a3

=(-3-4i)[-1,0,i,1]+(1+2i)[1,i,0,1+i]+11[-i,0,i,0]

=[4-5i,-2+i,4+8i,-4-i],

b3b3=b33=143.

{b1, b2, b3}{a1, a2,a3}之正交基底.

b1b1+b2b2+b3b3=(b1+b2+b3)(b1+b2+b3)=179.

解二:Gram-Schmidt基底向量之正交化步骤

  a1=[-1,0,i,1], a2=[1,i,0,1+i],a3=[-i,0,i,0].

b1=a1=[-1,0,i,1],b11=a1a1=3, P21=a2b1=i.

cb2=a2-(p21b11)b1=[1,i,0,1+i]-(i3)[-1,0,i,1]

=[1+(i3),i,(13),1+(2i3)].

cb2=[1+(i3),i,(13),1+(2i3)].

c=13.®b2=[3+i,3i,1,3+2i].b22=b2b2=33,

P31=a3b1=1+i, P32=a3b2=-1-2i,®

(p31b11)=(1+i)3),p32b22)=(-1-2i)33).® 

 cb3=a3-(p31b11)b1-(p32b22)b2

 =[-i,0,i,0]-(1+i)3)[-1,0,i,1]           

  -(-1-2i)33)[3+i,3i,1,3+2i]

c=133.®

b3=33[-i,0,i,0]-11(1+i)[-1,0,i,1]+(1+2i) [3+i,3i,1,3+2i]

=[12-15i,-6+3i,12+24i,-12-3i]. b33=b3b3=1287.

b1+b2+b3=[14-14i,-6+6i,13+25i,-8-i].

{b1, b2, b3}{a1, a2,a3}之正交基底. 

b1b1+b2b2+b3b3=(b1+b2+b3)(b1+b2+b3)=1323.

例3.譯自基礎線性代數教科書   

  於多項式內積向量空P(x):P=p(x),Q=p(x),

 PQ為二向量P, Q之內積.

PQ=p(x)q(x)dx(-1®1)-11之定積分.

a1=1,a2=x,a3=x2.

{a1,a2,a3}為線性無關.{a1,a2,a3}之正交基底.

 解一:由基底向量之自然正交化

   a11=a1a1=dx(-1®1)=2, a21=a12=a1a2=xdx(-1®1)=0,

 a22=a2a2=a13=a1a3=a31=a3a1=x2dx(-1®1)=23,

 a23=a2a3=a32=a3a2=x3dx(-1®1)=0,

a33=a3a3=x4dx(-1®1)=25.®

b1=a1=1, b1b1=b11=2,

cb2為由[2,1],[0, x]組成之2階行列式.

行列式之運算規則,

cb2=2a2=2x,c=2.®b2=x,bb2=b22=(23).

cb3為由[2,0,1],[0,23,x],[23,0,x2]組成之3

行列式. 由行列式之運算規則,

cb3=(49)(3x2-1).c=49.®b3=3x2-1.

{b1, b2, b3}{a1, a2,a3}之正交基底.

b1b1+b2b2+b3b3=(b1+b2+b3)(b1+b2+b3)=6415.

解二:Gram-Schmidt基底向量之正交化步骤

b1=a1=1,b11=a1a1=dx(-1®1)=2,  

P21=a2b1=xdx(-1®1)=0

b2=a2-(P21b11)b1=a2-0=x,  

b22=b2b2=x2dx(-1®1)=23.

®P31=a3b1=x2dx(-1®1)=23,  

P32=a3b2=x3dx(-1®1)=0

®cb3=a3-(p31b11)b1-(p32b22)b2=x2-(13).

c=(13).®b3=3x2-1,  

b3b3=b33=(3x2-1)2dx(-1®1)= 85.

{b1=1,b2=x,b3=3x2-1}{1,x,x2}之正交基底.

b1b1+b2b2+b3b3=(b1+b2+b3)(b1+b2+b3)=6415.

例4.譯自基礎線性代數教科書   

  於多項式內積向量空P(x):P=p(x),Q=p(x),

PQ為二向量P, Q內積.                    

PQ=xp(x)q(x)dx(0®1)01之定積分.

a1=1,a2=x,a3=x2.{a1,a2,a3}之正交基底.

解一:由基底向量之自然正交化 

a11=a1a1=xdx(0®1)=(12).

a21=a12=a1a2=x2dx(0®1)=(13).

a22=a2a2=a13=a1a3=a31=a3a1=x3dx(0®1)= (14).

 a23=a2a3=a32=a3a2=x4dx(0®1)=(1/5 ),                     

a33=a3a3=x5dx(0®1)=(1/6).®

A3為由[a11,a12,a13],[a21,a22,a23],[a31,a32,a33]組成

3階行列式.

[a11,a12,a13]=[12),(13),(14)]=A31,

[a21,a22,a23]=[13),(14),(15)]=A32,

[a31,a32,a33]=[14),(15),(16)]=A33,

由行列式之運算規則,  A3 =1432000 >0.

即得{a1,a2,a3}為線性無關.

b1=a1=1, cb2為由[(12),1],[(13), x]組成之2階行列式.

行列式之運算規則,cb2=(12)x-(13),  

c=16.®b2=3x-2.

cb3為由[a11,a12,a1],[a21,a22,a2],[a31,a32,a3

組成之3階行列式.

[a11,a12, a1]=[(12),(13),1]cb31,

[a21,a22, a2]=[(13),(14),x]cb32,

[a31,a32, a3]=[(14),(15),x2]cb33,

行列式之運算規則,cb3=(1720)(10x2-12x+3)

c=(1720).®

b3=10x2-12x+3.{1,3x-2,10x2-12x+3}{1,x,x2

之正交基底.

b1b1=xdx(0®1)=(12),     

b2b2=x(3x-2)2dx(0®1)=(14),

b3b3=x(10x2-12x+3)2dx(0®1)=(16).

(b1+b2+b3)(b1+b2+b3)=x(10x2-9x+2)2dx(0®1)=(1112).®

b1b1+b2b2+b3b3=(b1+b2+b3)(b1+b2+b3)=(1112).

:Gram-Schmidt基底向量之正交化步

b1=a1=1,b11=xdx(0®1)=(12)

P21=a2b1=x2dx(0®1)=(13).®

cb2=a2-(P21b11)b1=x-(23),  

c=(13).®b2=3x-2.

b22=b2b2=x(3x-2)2dx(0®1)=(14),

P31=a3b1=x3dx(0®1)=(14),           

P32=a3b2=x3(3x-2)dx(0®1)=(110). 

®cb3=a3-(P31b11)b1-(P31b22)b2

=x2-(12)-(25)(3x-2),

c=(110).®b3=10x2-12x+3.

{b1=1, b2=3x-2, b3=10x2-12x+3}{1,x,x2}之正交基底.

b33=b3b3=x(10x2-12x+3)2dx(0®1)

=(100x5-240x4+204x3-72x2+9x)dx(0®1)=(16).

b1b1+b2b2+b3b3=(b1+b2+b3)(b1+b2+b3)=(1112).

 

 

 

 

 

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