正交基概念

求正交向量组中的系数

考虑 n n n 个任意两个向量之间相互正交的 n n n 维向量 a ⃗ \vec a a ,则其构成一个 n n n 维的欧几里得空间 R n R^n Rn,为其中的每一个向量赋予一个常数系数 c c c,则空间中的任意向量 v v v 可以表示为这组基的线性组合
v ⃗ = c 1 a ⃗ 1 + c 2 a ⃗ 2 + ⋯ + c n a ⃗ n \vec{v} = c_1 \vec a_1 + c_2\vec a_2 + \dots +c_n\vec a_n v =c1a 1+c2a 2++cna n

由于 a 1 , . . . a n a_1,...a_n a1,...an 两两正交,则 ∀ i , j ∈ { 1 , . . . n } \forall i,j \in \{1, ... n\} i,j{1,...n},有

{ a i ⋅ a j T = 1 ( i = j ) a i ⋅ a j T = 0 ( i ≠ j ) \begin{cases} a_i \cdot a_j^T = 1\ (i=j)\\ a_i \cdot a_j^T = 0\ (i\neq j)\\ \end{cases} {aiajT=1 (i=j)aiajT=0 (i=j)
如果此时我们想求任意一个系数 c i c_i ci, 则可以直接把向量 v v v 与目标的分量 c i a i c_ia_i ciai 求内积
v ⃗ T c i a i = ( c 1 a 1 , c 2 a 2 , . . . , c n a n ) T ⋅ c i a i = c i a i T a x = c i \vec v^T c_ia_i = (c_1a_1, c_2a_2, ... ,c_na_n)^T \cdot c_i a_i= c_i a_i^Ta_x = c_i v Tciai=(c1a1,c2a2,...,cnan)Tciai=ciaiTax=ci

三角函数的正交性

周期为 T T T 的函数的正交,可以表示为
1 T ∫ 0 T f ( x ) g ( x ) d x = 0 \frac 1T\int^T_0f(x) g(x) dx = 0 T10Tf(x)g(x)dx=0
对于三角函数

利用积化和差公式,可以证明下列积分等式成立

∫ − π π cos ⁡ n x d x = 0 \int ^{\pi}_{-\pi} \cos nxdx = 0 ππcosnxdx=0
∫ − π π sin ⁡ n x d x = 0 \int ^{\pi}_{-\pi} \sin nxdx = 0 ππsinnxdx=0

∫ − π π sin ⁡ k x cos ⁡ n x d x = 0 ( a ) \int ^{\pi}_{-\pi} \sin kx \cos nxdx = 0 (a) ππsinkxcosnxdx=0(a)

∫ − π π cos ⁡ k x cos ⁡ n x d x = 0 ( n ≠ k ) ( b ) \int ^{\pi}_{-\pi} \cos kx \cos nxdx = 0 (n \neq k)(b) ππcoskxcosnxdx=0(n=k)(b)
∫ − π π sin ⁡ k x sin ⁡ n x d x = 0 ( n ≠ k ) ( c ) \int ^{\pi}_{-\pi} \sin kx \sin nxdx = 0 (n \neq k)(c) ππsinkxsinnxdx=0(n=k)(c)

特别的,对于等式(a),(b),©,当 n = k n = k n=k 时,有
∫ − π π sin ⁡ k x cos ⁡ k x d x = 1 2 ∫ − π π sin ⁡ 2 k x d x = 1 \int ^{\pi}_{-\pi} \sin kx \cos kxdx = \frac 12 \int ^{\pi}_{-\pi}\sin 2kx dx = 1 ππsinkxcoskxdx=21ππsin2kxdx=1

∫ − π π cos ⁡ k x cos ⁡ k x d x = 1 2 ∫ − π π cos ⁡ 2 k x d x = 1 \int ^{\pi}_{-\pi} \cos kx \cos kxdx = \frac 12 \int ^{\pi}_{-\pi}\cos 2kx dx = 1 ππcoskxcoskxdx=21ππcos2kxdx=1

$$
\int ^{\pi}{-\pi} \sin kx \sin kxdx = \frac 12 \int ^{\pi}{-\pi}\sin 2kx dx = 1

$$

因此我们可以将 { 1 , sin ⁡ ω x , cos ⁡ ω x , sin ⁡ 2 ω x , cos ⁡ 2 ω x , … sin ⁡ n ω x , cos ⁡ n ω x } \{1, \sin \omega x, \cos \omega x, \sin 2\omega x, \cos 2\omega x,\dots \sin n\omega x, \cos n\omega x\} {1,sinωx,cosωx,sin2ωx,cos2ωx,sinx,cosx} 视作一组正交基

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