
【計】 orthonormal
norm; standard
【計】 convertion; specification
【醫】 Cannon; canon
【經】 norm
【計】 quadrature
【醫】 orthogonality
在數學和工程學領域中,"規範正交的"(英文:orthonormal)是一個描述向量集合特殊性質的術語。該概念由兩部分構成:正交性(orthogonal)與單位規範性(normalization),其核心定義如下:
正交性
向量集合中的任意兩個不同向量均滿足内積為零,即對于向量空間中的向量$mathbf{u}$和$mathbf{v}$,若$mathbf{u} eq mathbf{v}$,則$langle mathbf{u}, mathbf{v} rangle = 0$。這一性質消除了向量間的線性相關性,确保集合中向量彼此獨立。
單位規範性
每個向量的範數(即長度)均為1,數學表達為$|mathbf{u}| = sqrt{langle mathbf{u}, mathbf{u} rangle} = 1$。單位化操作使向量在幾何上更便于計算,例如投影和坐标變換。
應用場景
規範正交基在信號處理(如傅裡葉變換)、量子力學(态向量表示)及計算機圖形學(坐标變換)中具有基礎作用。例如,Gram-Schmidt正交化算法可将線性無關向量組轉化為規範正交基。
參考來源
規範正交是數學中描述向量或函數集合特性的重要概念,結合了“正交性”和“單位範數”兩個條件。以下是詳細解釋:
正交性
在内積空間中,兩個向量正交的條件是它們的内積為零,即:
$$
mathbf{u} cdot mathbf{v} = 0
$$
幾何上表示垂直關系。
規範化
規範正交還要求每個向量的範數(長度)為1,即:
$$
|mathbf{u}| = sqrt{mathbf{u} cdot mathbf{u}} = 1
$$
一個向量集合若滿足以下兩點,則稱為規範正交系:
例如,三維空間中的标準基向量: $$ mathbf{e}_1 = (1,0,0), quad mathbf{e}_2 = (0,1,0), quad mathbf{e}_3 = (0,0,1) $$ 即滿足規範正交條件。
函數空間
在函數内積空間中,兩個函數正交的條件是它們的乘積積分為零:
$$
int_a^b f(x)g(x)dx = 0
$$
若進一步滿足$int_a^b f(x) dx = 1$,則構成規範正交函數系,如傅裡葉基函數。
希爾伯特空間
規範正交基是無限維空間中的推廣,例如量子力學中的波函數常采用規範正交基表示。
總結來看,規範正交通過正交性保證獨立性,通過單位化統一尺度,是線性代數、函數分析等領域的基礎工具。
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