长度、距离和正交性的概念在向量空间中有非常重要的应用,对 ℝⁿ ,这些概念基于6.1节定理1中列出的内积性质.对其他空间,我们需要类似的内积和同样的性质.定理1中的结论成为下面定义中的公理.
定义 向量空间 V 上的内积是一个函数,对每一对属于 V 的向量 u 和 v,存在一个实数 langle u, v rangle 满足下面公理,其中 u, v, w 属于 V, c 为所有数:
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langle u,vrangle=langle v,urangle
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langle u+v,wrangle=langle u,wrangle+langle v,wrangle
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langle cu,vrangle=clangleu,vrangle
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langle u, u rangle ≥slant 0 且 langle u, u rangle = 0 的充分必要条件是 u = 0
一个赋予上面内积的向量空间称为内积空间.
具有标准内积的向量空间 ℝⁿ 是一个内积空间,而且本章几乎所有 ℝⁿ 空间上的讨论都在内积空间上。本节和6.8节的例子给出许多基础应用实例,涉及工程、物理、数学和统计等课程。
给定两个正数(例如4和5)及 ℝ² 中向量 u = (u₁, u₂) 和 v = (v₁, v₂) ,规定
langle boldsymbol u, boldsymbol v rangle = 4 u _ 1 v _ 1 + 5 u _ 2 v _ 2 (1)说明(1)定义了一个内积.
无法识别
解
公理1当然满足,这是因为
langle boldsymbol u, boldsymbol v rangle = 4 u _ 1 v _ 1 + 5 u _ 2 v _ 2 = 4 v _ 1 u _ 1 + 5 v _ 2 u _ 2 = langle boldsymbol v, boldsymbol u rangle如果 w = (w₁, w₂) ,那么
r l langle boldsymbol u + boldsymbol v, boldsymbol w rangle & = 4 (u _ 1 + v _ 1) w _ 1 + 5 (u _ 2 + v _ 2) w _ 2 & = 4 u _ 1 w _ 1 + 5 u _ 2 w _ 2 + 4 v _ 1 w _ 1 + 5 v _ 2 w _ 2 & = langle boldsymbol u, boldsymbol w rangle + langle boldsymbol v, boldsymbol w rangle这就验证了公理2.对公理3,计算
r l langle c ±b u, ±b v rangle & = 4 (c u _ 1) v _ 1 + 5 (c u _ 2) v _ 2 & = c (4 u _ 1 v _ 1 + 5 u _ 2 v _ 2) = c langle ±b u, ±b v rangle对公理4,注意 langle u, u rangle = 4u₁² + 5u₂² ≥slant 0 且 4u₁² + 5u₂² = 0 当且仅当 u₁ = u₂ = 0 时成立,即 u = 0 。此外, langle 0, 0 rangle = 0 。所以(1)定义了 ℝ² 上的内积。
类似(1)可在 ℝⁿ 上定义内积,它们自然和“带权值的最小二乘”问题联系起来。此时,权值可赋给内积中和式的各个元素,且这种方式对较重要的元素给予更可靠的测量。
从现在起,当内积空间包含多项式或其他函数时,我们可用熟悉的方式写出函数,而不用黑体表示向量。然而,必须要记住,当它作为向量空间一个元素时每个函数表示的是一个向量。例2 设 t₀, …, tₙ 是不同的实数,对 mathbbPₙ 中的 p 和 q ,定义
langle p, q rangle = p (t _ 0) q (t _ 0) + p (t _ 1) q (t _ 1) + … + p (t _ n) q (t _ n) (2)很容易验证内积公理的 1~3. 对公理4,注意
langle p, p rangle = [ p (t _ 0) ] ^ 2 + [ p (t _ 1) ] ^ 2 + … + [ p (t _ n) ] ^ 2 ≥slant 0也有 langle0,0rangle=0 .(我们仍用黑体0表示零多项式,它是 Pₙ 中的零向量.)如果 langle p,prangle=0 ,那么p一定在 n+1 个点 t₀,…,tₙ 处为零,这时p只能是零多项式,因为p的次数小于 n+1 ,从而(2)定义了 Pₙ 上的一个内积.
设 V 属于 mathbbP₂ ,且 V 具有例2中的内积,其中 t₀ = 0, t₁ = 1/2 和 t₂ = 1 。设 p(t) = 12t² 和 q(t) = 2t - 1 。计算 langle p, q rangle 和 langle q, q rangle 。
解
长度、距离和正交性
Section titled “长度、距离和正交性”设 V 是一个内积空间,其内积记作 langle u, v rangle 。像 ℝⁿ 中一样,我们定义一个向量 v 的长度或范数是数
| boldsymbol v | = sqrt langle boldsymbol v , boldsymbol v rangle即 | ±bv|² = langle ±bv,±bvrangle (这个定义有意义,因为 langle ±b v,±b vrangle ≥slant 0 ,但这个定义并不是说 langle ±b v,±b vrangle 是一个“平方之和”,因为 ±bv 不必是 ℝⁿ 中的元素).
一个单位向量是长度为1的向量,向量 ±bu 和 ±bv 之间的距离是 | u - v| 。向量 ±bu 和向量 ±bv 正交,如果 langle u, v rangle = 0 成立。
若 P₂ 具有例3 中的形式(2)的内积,计算向量 p(t)=12t² 和 q(t)=2t-1 的长度.解
r l & | p | ^ 2 = langle p, p rangle = [ p (0) ] ^ 2 + [ p (frac 12) ] ^ 2 + [ p (1) ] ^ 2 = 0 + [ 3 ] ^ 2 + [ 1 2 ] ^ 2 = 1 5 3 & | p | = sqrt 1 5 3在例3中,我们知道 langle q, q rangle = 2 ,因此 |q| = √(2)
格拉姆-施密特方法
Section titled “格拉姆-施密特方法”内积空间中有限维子空间的正交基的存在性可由格拉姆-施密特方法确定,像 ℝⁿ 空间一样.应用中经常出现的一些正交基可用这个方法构造.
一个向量在一个具有正交基的子空间 W 上的正交投影可像平常一样构造。投影不依赖于正交基的选取,并且它们有正交分解定理和最佳逼近定理中所描述的性质。
若 V 是具有例2中内积的 mathbbP₄ ,包含多项式在-2,-1,0,1和2处的值,且 mathbbP₂ 作为 V 的一个子空间。应用格拉姆-施密特方法于多项式1, t 和 t² ,构造 mathbbP₂ 的一个正交基。
解
内积仅依赖于多项式在-2,-1,0,1和2处的值,所以我们列出每个多项式作为 ℝ⁵ 中的向量,写在多项式的下面:
r l & text 多项式: 1 & text 向量值: [ l 1 1 1 1 1 ] [ l - 2 - 1 0 1 2 ] [ l t ^ 2 4 1 0 1 4 ]V 中两个多项式的内积等于它们对应向量在 ℝ⁵ 空间的(标准)内积.注意 t 与常数函数1正交.所以取 p₀(t) = 1 和 p₁(t) = t.对 p₂ ,利用 ℝ⁵ 中的向量,计算 t² 在 operatornameSpan{p₀, p₁} 上的投影:
l langle t ^ 2, p _ 0 rangle = langle t ^ 2, 1 rangle = 4 + 1 + 0 + 1 + 4 = 1 0 langle p _ 0, p _ 0 rangle = 5 langle t ^ 2, p _ 1 rangle = langle t ^ 2, t rangle = - 8 + (- 1) + 0 + 1 + 8 = 0t² 在 operatornameSpan{1, t} 上的正交投影是 (10)/(5) p₀ + 0 · p₁ ,这样
p _ 2 (t) = t ^ 2 - 2 p _ 0 (t) = t ^ 2 - 2V 的子空间 mathbbP₂ 的一个正交基是:
r l r & text 多项式: p _ 0 & text 向量值: [ l 1 1 1 1 1 ] & [ l - 2 - 1 0 1 2 ] [ l 2 - 1 - 2 - 1 2 ] (3)内积空间的最佳逼近
Section titled “内积空间的最佳逼近”应用数学中最常见的问题涉及元素是函数的向量空间,主要是在 V 的特定子空间 W 中选取函数 g 来逼近 V 中的函数 f 。对 f 的“逼近”程度依赖于 | f - g| 定义的方式,我们仅考虑 f 和 g 的距离用内积定义确定的情形。在此情形下, f 由 W 中函数的最佳逼近是指 f 在子空间 W 上的正交投影。
设 V 是 mathbbP₄ ,且具有例5中定义的内积, p₀, p₁ 是例5中的子空间 p₂ 是例5中的子空间 mathbbP₂ 的正交基,求出 mathbbP₂ 中的多项式对 p(t) = 5 - 1/2 t⁴ 的最佳逼近.
解
p₀, p₁ 和 p₂ 对应 t 为 -2, -1, 0, 1 和 2 的值以 ℝ⁵ 中向量的形式在上面(3)中已经给出, p 的相应值是 -3, 9/2, 5, 9/2 和 -3.计算
l l langle p, p _ 0 rangle = 8, & langle p, p _ 1 rangle = 0, langle p, p _ 2 rangle = - 3 1 langle p _ 0, p _ 0 rangle = 5, & langle p _ 2, p _ 2 rangle = 1 4所以, P₂ 中的多项式对V中p的最佳逼近是
r l hat p = proj _ mathbb P _ 2 p & = frac langle p , p _ 0 ranglelangle p _ 0 , p _ 0 rangle p _ 0 + frac langle p , p _ 1 ranglelangle p _ 1 , p _ 1 rangle p _ 1 + frac langle p , p _ 2 ranglelangle p _ 2 , p _ 2 rangle p _ 2 & = frac 85 p _ 0 + frac - 3 11 4 p _ 2 = frac 85 - frac 3 11 4 (t ^ 2 - 2)当多项式之间的距离仅用 t 为-2,-1,0,1和2时的值来度量时,这是 mathbbP₂ 的所有多项式中离 p 最近的多项式,见图 6-34.
例5 和例6 中的多项式 p₀, p₁ 和 正交性是指例2 中描述的内积类型。 属于一类多项式,在统计学上称为正交多项式。 ① 正交性是指例 2 中描述的内积类型。
给定内积空间 V 中的向量 v 和有限维子空间 W,我们将勾股定理应用到 v 关于 W 的正交分解中,可以得到
| boldsymbol v | ^ 2 = | operatornameproj _ W boldsymbol v | ^ 2 + | boldsymbol v - operatornameproj _ W boldsymbol v | ^ 2见图 6-35. 特别地,这表明 v 到 W 上投影的范数不超过 v 自身的范数,这个简单事实可推出下面重要的不等式.

图6-35 直角三角形的斜边是最长边
对 V 中任意向量 ±bu 和 ±bv ,有
| langle boldsymbol u, boldsymbol v rangle | ≤slant | boldsymbol u | | boldsymbol v | (4)证明
如果 u=0,则方程(4)的两边都是零,因此这种情形下(4)式成立(见练习题1)。如果 u ≠ 0 ,则令 W 是 u 生成的子空间,注意 |cu| = |c||u| 对任何数 c 都成立。因此
| operatornameproj _ w boldsymbol v | = | frac langle boldsymbol v , boldsymbol u ranglelangle boldsymbol u , boldsymbol u rangle boldsymbol u | = frac | langle boldsymbol v , boldsymbol u rangle || langle boldsymbol u , boldsymbol u rangle | | boldsymbol u | = frac | langle boldsymbol v , boldsymbol u rangle || boldsymbol u | ^ 2 | boldsymbol u | = frac | langle boldsymbol u , boldsymbol v rangle || boldsymbol u |由于 | proj_Wν | ≤slant | ν | ,我们得到 (|langleu,vrangle|)/(|u|) ≤slant | ν | ,即给出(4)式.
柯西-施瓦茨不等式在很多数学分支都很有用,习题中有几个简单应用。这里我们主要利用它证明另一个包含向量范数的基本不等式。见图 6-36.
对属于 V 的所有向量 ±bu,±bv ,有
| boldsymbol u + boldsymbol v | ≤slant | boldsymbol u | + | boldsymbol v |证明
两边开方后,立刻得到三角不等式.
C[a,b] 上的一个内积(需要微积分知识)
也许应用最广泛的内积空间是区间 a ≤slant t ≤slant b 上所有连续函数构成的向量空间 C[a, b] ,具有下面定义的内积.
首先考虑多项式 p 及大于或等于 p 的阶数的任何整数 n ,则有 p 属于 mathbbPₙ ,我们可以利用例2中的内积计算 p 的“长度”,注意 p 包含 [a, b] 中 (n+1) 个点。然而, p 的这个长度仅保留这 (n+1) 个点的特性。由于对所有大的 n 有 p 属于 mathbbPₙ 和更多的点“计算”对应的内积。见图 6-37。n 和更多的点“计算”对应的内积。见图6-37。
我们将 [a,b] 分割为 (n+1) 个长度为 Δ t=(b-a)/(n+1) 的子区间,并且使 t₀,…,tₙ 是这些子区间中的任意点.

如果 n 很大,则由 t₀, …, tₙ 确定的关于 Pₙ 的内积将趋向较大的值 langle p, p rangle ,所以需要重新度量,将内积除以 (n+1) 。注意到 1/(n+1) = Δ t / (b - a) ,定义
langle p, q rangle = frac 1n + 1 ∑_ j = 0 ^ n p (t _ j) q (t _ j) = frac 1b - a [ ∑_ j = 0 ^ n p (t _ j) q (t _ j) Δ t ]现在,让 n 无限制增加。由于多项式 p, q 是连续函数,故括号内的表达式是一个黎曼和且趋向一个定积分,考虑 p(t)q(t) 在 [a, b] 上的平均值:
frac 1b - a ∫_ a ^ b p (t) q (t) d t这个数值对任意阶多项式都有定义(事实上是对所有连续函数),且它具有像下面例题所说的全部内积性质。前面的缩放因子 1 / (b - a) 不是必需的,为简化下面的计算常省略。
对 C[a,b] 中的 f,g ,取
langle f, g rangle = ∫_ a ^ b f (t) g (t) d t (5)这表明(5)定义了 C[a,b] 上的内积.
解
内积公理1~3 可由定积分的基本性质得出.对公理4, 注意到
langle f, f rangle = ∫_ a ^ b [ f (t) ] ^ 2 d t ≥slant 0函数 [f(t)]² 在 [a, b] 上连续且非负。如果 [f(t)]² 的定积分为零,那么由高等微积分的定理可知, [f(t)]² 在 [a, b] 上必须恒等于零,从而 f 是一个零函数。 langle f, f rangle = 0 意味着 f 是 [a, b] 上的零函数。因此(5)定义了一个 C[a, b] 上的内积。
设 V 表示具有例7中内积的空间 C[0,1] , W 是由多项式 p₁(t) = 1 , p₂(t) = 2t - 1 和 p₃(t) = 12t² 所生成的子空间,利用格拉姆-施密特方法,求 W 的一个正交基.
解
取 q₁ = p₁ ,并且计算
langle p _ 2, q _ 1 rangle = ∫_ 0 ^ 1 (2 t - 1) (1) d t = (t ^ 2 - t) | _ 0 ^ 1 = 0因而 p₂ 已经与 q₁ 正交,所以可取 q₂ = p₂ 。对 p₃ 在 W₂ = Span{q₁, q₂} 上的投影,计算
langle p _ 3, q _ 1 rangle = ∫_ 0 ^ 1 1 2 t ^ 2 · 1 d t = 4 t ^ 3 | _ 0 ^ 1 = 4langle q _ 1, q _ 1 rangle = ∫_ 0 ^ 1 1. 1 dot d t = t | _ 0 ^ 1 = 1langle p _ 3, q _ 2 rangle = ∫_ 0 ^ 1 1 2 t ^ 2 (2 t - 1) d t = ∫_ 0 ^ 1 (2 4 t ^ 3 - 1 2 t ^ 2) d t = 2langle q _ 2, q _ 2 rangle = ∫_ 0 ^ 1 (2 t - 1) ^ 2 d t = frac 16 (2 t - 1) ^ 3 | _ 0 ^ 1 = frac 13那么
proj _ w _ 2 p _ 3 = frac langle p _ 3 , q _ 1 ranglelangle q _ 1 , q _ 1 rangle q _ 1 + frac langle p _ 3 , q _ 2 ranglelangle q _ 2 , q _ 2 rangle q _ 2 = frac 41 q _ 1 + frac 21 / 3 q _ 2 = 4 q _ 1 + 6 q _ 2且
q _ 3 = p _ 3 - operatornameproj _ w _ 2 p _ 3 = p _ 3 - 4 q _ 1 - 6 q _ 2作为一个函数, q₃(t) = 12t² - 4 - 6(2t - 1) = 12t² - 12t + 2 ,子空间 W 的正交基是 {q₁,q₂,q₃}
利用内积公理验证下列论断.
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langle ±b v,±b 0rangle = langle ±b 0,±b vrangle = 0
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langle u, v + w rangle = langle u, v rangle + langle u, w rangle
- 在 R² 中取例1 定义的内积,令 x=(1,1) , y=(5,-1) .
研究 |langle x,yrangle |² .)
a.计算 |x| , |y| 和 |langle x,yrangle|² .
b.描述所有与 y 正交的向量 (z₁, z₂) .
习题 3~8 中的多项式属于 P₂ 且计算内积时 t 取值为 -1, 0 和 1. (见例2.)
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计算 langle p, q rangle ,其中 p(t) = 4 + t, q(t) = 5 - 4t² .
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在 ℝ² 中取例1定义的内积,证明柯西-施瓦茨不等式对 x = (3, -2) 和 y = (-2, 1) 成立。(建议:
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计算 langle p, q rangle ,其中 p(t) = 3t - t², q(t) = 3 + 2t²
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计算 | p| 和 | q| ,其中 p, q 如习题3.
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计算 | p| 和 | q| ,其中 p, q 如习题4.
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计算 q 在 p 所生成的子空间上的正交投影,其中 p, q 如习题 3.
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计算 q 在 p 所生成的子空间上的正交投影,其中 p, q 如习题 4.
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设 P₃ 计算内积时 t 取值为 -3, -1, 1 和 3,令 p₀(t)=1 , p₁(t)=t 和 p₂(t)=t² . a. 计算 p₂ 在 p₀ 和 p₁ 生成的子空间上的正交投影. b. 求一个与 p₀ 和 p₁ 都正交的多项式 q,使得 {p₀, p₁, q} 是 Span {p₀, p₁, p₂} 的一个正交基。重新度量多项式 q,使得它在 (-3, -1, 1, 3) 处的向量值是 (1, -1, -1, 1) .
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若 mathbbP₃ 具有习题9中定义的内积,且多项式 p₀,p₁,q 也如习题9所描述,求 operatorname Span{p₀,p₁,q} 中由多项式对 p(t) = t³ 的最佳逼近.
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若 p₀, p₁ 和 p₂ 是例5中给出的正交多项式,且计算 mathbbP₄ 的内积时 t 取值为-2,-1,0,1和2. 求 t³ 在 operatornameSpan{p₀, p₁, p₂} 上的正交投影.
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求一个多项式 p₃ ,使得 {p₀, p₁, p₂, p₃} (见习题11)是 mathbbP₄ 中子空间 mathbbP₃ 的正交基。重新度量多项式 p₃ ,使得它的向量值是 (-1, 2, 0, -2, 1) 。
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设 A 是任一 n × n 可逆矩阵,证明对 ℝⁿ 中 ±bu 和 ±bv ,公式 langle ±bu, ±bv rangle = (A±bu) · (A±bv) = (A±bu)^T · (A±bv) 定义了一个 ℝⁿ 上的内积.
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若 T 是从向量空间 V 到 ℝⁿ 的一对一线性变换,证明对 V 中的 ±bu 和 ±bv ,公式 langle ±bu,±bvrangle = T(±bu)· T(±bv) 定义了 V 上的一个内积.
利用本节内积公理和其他结果去验证习题15~18的命题.
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langle u, cv rangle = clangle u, v rangle 对所有数 c 都成立.
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如果 {±bu,±bv} 是 V 中的单位正交集,那么 | ±b u - ±b v| = √(2)
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langle ±b u,±b vrangle = 1/4| ±b u + ±b v| ² -1/4| ±b u - ±b v| ².
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| ±b u + ±b v| ² +| ±b u - ±b v| ² = 2| ±b u| ² +2| ±b v| ².
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给定 a ≥slant 0 和 b ≥slant 0 ,设 ±bu = √(a) √(b) , ±bv = √(b) √(a) ,利用柯西-施瓦茨不等式比较几何平均值 √(ab) 和算术平均值 (a + b)/2 。
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设 u=a b 和 v=1 1 ,利用柯西-施瓦茨不等式证明 ((a+b)/(2))²≤slantfraca²+b²2 . 习题 21~24 的空间指的是 V = C[0,1],其内积如例7 所示用一个积分给出.
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计算 langle f, g rangle ,其中 f(t) = 1 - 3t² , g(t) = t - t³ .
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计算 langle f, g rangle ,其中 f(t) = 5t - 3 , g(t) = t³ - t² .
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计算习题 21 中 f 的 |f| .
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计算习题 22 中 g 的 |g| .
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设 V 是具有例7中定义的内积的空间 C[-1,1] ,求由多项式1, t 和 t² 所生成的子空间的正交基。这个基中的多项式称为勒让德多项式。
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设 V 是具有例7 中定义的内积的空间 C[-2,2],求由多项式 1, t 和 t² 所生成的子空间的一个正交基.
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[M]设 P₄ 具有例5 中定义的内积,且 p₀, p₁, p₂ 是该例中的正交多项式,利用矩阵程序,将格拉姆-施密特方法应用于集合 {p₀, p₁, p₂, t³, t⁴} ,以构造 P₄ 的一个正交基.
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[M]设 V 是具有例7中定义的内积的空间 C[0,2π ] ,利用格拉姆-施密特方法构造由 {1,cos t,cos² t,cos³ t} 所生成的子空间的一个正交基.利用矩阵程序或计算程序来计算相应的定积分.
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由公理1, langle v,0rangle=langle0,vrangle ,由公理3,得到 langle0,vrangle=langle0v,vrangle=0langle v,vrangle ,由公理 3,得到 langle0,vrangle=0 。
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由公理1和2,再由公理1,得 langle u, v + w rangle = langle v + w, u rangle = langle v, u rangle + langle w, u rangle = langle u, v rangle + langle u, w rangle