Перейти к содержанию

Ортогональные и унитарные матрицы

Математика Алгебра Сложность 2/5

Начало урока

Ортогональные и унитарные матрицы

Жёсткие преобразования, бесплатное обращение и путь к спектральной теореме

1. Определение — три эквивалентных лица

Вспомним, что процесс Грама–Шмидта берёт любой базис и строит ортонормированный набор — векторы, которые попарно перпендикулярны и каждый имеет единичную длину. Если записать эти ортонормированные векторы как столбцы квадратной матрицы, получится ортогональная матрица.

Определение. Квадратная матрица $A \in \mathbb{R}^{n\times n}$ называется ортогональной, если её столбцы образуют ортонормированный набор: каждый столбец имеет длину 1, а различные столбцы перпендикулярны.

Это единственное геометрическое требование имеет два мощных алгебраических эквивалента. Три лица:

Лицо 1 — Столбцы

Столбцы $A$ образуют ортонормированное семейство.

Лицо 2 — Произведение

$A^{\!\top}A = I$ (а также $AA^{\!\top} = I$).

Лицо 3 — Обратная матрица

$A^{-1} = A^{\!\top}$.

Почему все три эквивалентны

Лицо 1 ⟹ Лицо 2. Запишем $A = [\mathbf{a}_1 \;|\; \mathbf{a}_2 \;|\; \cdots \;|\; \mathbf{a}_n]$. Элемент $(i,j)$ матрицы $A^{\!\top}A$ равен $\mathbf{a}_i \cdot \mathbf{a}_j$. Ортонормированность означает, что это равно $1$ при $i=j$ и $0$ в остальных случаях — то есть это в точности единичная матрица.

Лицо 2 ⟹ Лицо 3. Если $A^{\!\top}A = I$, то по определению $A^{\!\top}$ является левой обратной матрицей для $A$. Для квадратных матриц левая обратная является единственной обратной, поэтому $A^{-1} = A^{\!\top}$.

Лицо 3 ⟹ Лицо 1. Если $A^{-1} = A^{\!\top}$, то $A^{\!\top}A = I$, и, считывая элементы, получаем $\mathbf{a}_i \cdot \mathbf{a}_j = \delta_{ij}$, то есть столбцы ортонормированы.

Практический подарок — обращение бесплатно. Обычно вычисление обратной матрицы требует приведения строк или вычисления алгебраических дополнений. Для ортогональной матрицы достаточно просто транспонировать — тривиально дешёвая операция. Это один из самых полезных фактов в прикладной линейной алгебре.

Продолжите этот урок на YourAIZone

В полном уроке — объяснение целиком, разобранные примеры, частые ошибки, тесты с мгновенной проверкой и ИИ-репетитор. Начните сразу как гость или создайте аккаунт, чтобы сохранять прогресс.

В полном уроке

  • Объяснение целиком
  • Разобранные примеры
  • Частые ошибки и как их избежать
  • Тестовые вопросы: 15
  • ИИ-репетитор, который отвечает на вопросы по теме
  • Отслеживание прогресса для ученика, родителей и учителя