[Algebra lineare] 9. Proprietà delle matrici ortogonali

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Sep 22, 2019 – 3 min read

Una matrice 𝑛 ⨯ 𝑛 quadrata 𝑸 si dice essere una matrice ortogonale se i suoi 𝑛 vettori colonna e riga sono vettori unitari ortogonali. Più precisamente, quando i suoi vettori di colonna hanno la lunghezza di uno e sono ortogonali a coppie; lo stesso vale per i vettori di riga.

Questo porta alla seguente caratterizzazione che una matrice 𝑸 diventa ortogonale quando la sua trasposizione è uguale alla sua matrice inversa.

  • Perché la matrice inversa di 𝑸 è la sua trasposizione?

Figura 1. Prova che l’inverso di 𝑸 è la sua trasposizione

Proprietà delle matrici ortogonali

  • 2.1 Ogni matrice ortogonale è invertibile
  • 2.2 Anche il prodotto di matrici ortogonali è ortogonale

Figura 2. Dimostrazione del perché il prodotto di matrici ortogonali è ortogonale
  • 2.3 Il determinante delle matrici ortogonali

Il determinante di una matrice ortogonale è uguale a 1 o -1. Poiché det(A) = det(Aᵀ) e il determinante del prodotto è il prodotto dei determinanti quando A è una matrice ortogonale.

Figura 3. Dimostrazione del perché il determinante di una matrice ortogonale è 1 o -1
  • 2.4 Conservazione di lunghezze e angoli

Figura 4. Dimostrazione del perché le matrici ortogonali conservano le lunghezze

Figura 5. Dimostrazione del perché le matrici ortogonali conservano gli angoli
  • 2.5 Le matrici ortogonali rappresentano una rotazione

Come è dimostrato nelle figure precedenti, la trasformazione ortogonale mantiene le lunghezze e gli angoli invariati. Inoltre, il suo determinante è sempre 1 o -1 che implica il fattore di scala del volume. In altre parole, la trasformazione ortogonale lascia intatti angoli e lunghezze, e non cambia il volume del parallelepipedo. Da questi fatti, possiamo dedurre che la trasformazione ortogonale significa effettivamente una rotazione.

Riferimento

https://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_matrix

https://www.quora.com/Why-do-orthogonal-matrices-represent-rotations

https://byjus.com/maths/orthogonal-matrix/

http://www.math.utk.edu/~freire/teaching/m251f10/m251s10orthogonal.pdf

https://www.khanacademy.org/math/linear-algebra/alternate-bases/orthonormal-basis/v/lin-alg-orthogonal-matrices-preserve-angles-and-lengths

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