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內積與正交

大一 · 線性代數

觀念

xy-101230123θu = (3, 1)v = (1, 2)w = (−1, 3)cos θ = u·v / (|u||v|) = 5/√50u·w = −3 + 3 = 0 → 垂直

內積 (inner product) u⋅v=∑uivi\mathbf{u}\cdot\mathbf{v} = \sum u_iv_i 把幾何帶進向量空間:長度 ∥u∥=u⋅u\|\mathbf{u}\| = \sqrt{\mathbf{u}\cdot\mathbf{u}}、非零向量的夾角 cos⁡θ=u⋅v∥u∥∥v∥\cos\theta = \frac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{\|\mathbf{u}\|\|\mathbf{v}\|}、正交 (orthogonal) ⟺ 內積為 0。

算例:(1,2,2)(1,2,2) 長度 3;(1,2,2)⋅(2,−1,0)=0(1,2,2)\cdot(2,-1,0) = 0,兩向量垂直。要讓 (1,3,k)(1,3,k) 與 (2,1,−1)(2,1,-1) 正交:2+3−k=02 + 3 - k = 0,k=5k = 5。

Cauchy–Schwarz 不等式 ∣u⋅v∣≤∥u∥∥v∥|\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}|\le\|\mathbf{u}\|\|\mathbf{v}\| 保證 cos⁡θ\cos\theta 落在 [−1,1][-1,1]。不含零向量的正交向量組一定線性獨立,正交基底讓座標計算變成一堆內積。

內積的抽象版本(函數空間的 ∫fg\int fg)是 Fourier 級數、最小平方法、相關係數(就是標準化向量的餘弦)的共同語言。

例題

求向量 u=(−3, 0, −3)\mathbf{u} = (-3,\ 0,\ -3) 的長度(範數,norm)∥u∥\|\mathbf{u}\|(可含根號,如 sqrt(14))。

看解法與答案

長度 = 根號(自己與自己的內積):∥u∥=u⋅u\|\mathbf{u}\| = \sqrt{\mathbf{u}\cdot\mathbf{u}}。

平方和:(−3)2+(0)2+(−3)2=9+0+9=18(-3)^2 + (0)^2 + (-3)^2 = 9 + 0 + 9 = 18,所以 ∥u∥=18\|\mathbf{u}\| = \sqrt{18} =32= 3 \sqrt{2}。

答案: 323 \sqrt{2}

用在哪裡

插畫

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