證明格拉姆-施密特正交化方法可以産生向量空間V的一組標准正交基

荷知風景 2024-05-04 15:47:53

爲了證明格拉姆-施密特正交化方法可以産生向量空間V的一組標准正交基,我們可以按照以下步驟進行推導:

假設V是一個有限維向量空間,並且{v1,v2,…,vn}是V中的一組線性無關的向量。

第一步,我們應用格拉姆-施密特正交化方法的第一步,將v1單位化,得到q1=∥v1∥v1。顯然,q1是單位向量,即∥q1∥=1。

第二步,對于k=2,3,…,n,我們假設已經得到了單位正交向量組{q1,q2,…,qk−1}。接下來,我們按照格拉姆-施密特正交化方法,計算vk在q1,q2,…,qk−1上的投影,並從vk中減去這個投影,得到uk=vk−∑i=1k−1⟨qi,qi⟩⟨vk,qi⟩qi。由于q1,q2,…,qk−1是正交的單位向量,所以⟨qi,qi⟩=1,因此上式可以簡化爲uk=vk−∑i=1k−1⟨vk,qi⟩qi。

第三步,由于uk是vk與q1,q2,…,qk−1所張成子空間的正交補中的向量,因此uk與q1,q2,…,qk−1正交。然後,我們將uk單位化,得到qk=∥uk∥uk。

第四步,由于q1,q2,…,qn都是單位向量,並且它們兩兩正交(這是由格拉姆-施密特正交化方法的構造保證的),因此{q1,q2,…,qn}是V的一組標准正交向量組。

第五步,由于{v1,v2,…,vn}是V的一組線性無關的向量,並且格拉姆-施密特正交化方法沒有改變這些向量的線性關系(即,如果∑i=1ncivi=0,那麽∑i=1nciqi=0),因此{q1,q2,…,qn}也是V的一組線性無關的向量。

第六步,由于{q1,q2,…,qn}是V的一組標准正交且線性無關的向量,根據向量空間的基的定義,它們構成V的一組標准正交基。

綜上,我們證明了格拉姆-施密特正交化方法可以産生向量空間V的一組標准正交基。

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荷知風景

簡介:量子信息與量子計算科普