哈尔滨工程大学 2018年高等代数第5题

考研真题

📝 题目

5.欧氏空间 $\displaystyle \mathbb{R}[x]_{3}$ 的内积 $\displaystyle (f(x), g(x))=\int_{-1}^{1} f(x) g(x) d x$ ,则基 $\displaystyle 1, x, x^{2}$ 的度量矩阵为 $\displaystyle \_\_\_\_$。

💡 答案解析

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📋 详细解题步骤

步骤 1/8
目标:明确基向量和度量矩阵定义
在欧氏空间 $\mathbb{R}[x]_3$ 中,基为 $1, x, x^2$,记 $e_1=1, e_2=x, e_3=x^2$。度量矩阵 $G$ 的元素 $g_{ij} = (e_i, e_j)$,其中内积定义为 $(f(x), g(x)) = \int_{-1}^1 f(x)g(x) dx$。
公式:$g_{ij} = (e_i, e_j) = \int_{-1}^1 e_i(x) e_j(x) dx$
提示:注意基的顺序,度量矩阵是对称矩阵。
步骤 2/8
目标:计算 $(1,1)$
$(1,1) = \int_{-1}^1 1 \cdot 1 \, dx = \int_{-1}^1 1 \, dx = [x]_{-1}^1 = 1 - (-1) = 2$
公式:$\int_{-1}^1 1 \, dx = 2$
提示:定积分计算时注意上下限。
步骤 3/8
目标:计算 $(1,x)$ 和 $(x,1)$
$(1,x) = \int_{-1}^1 1 \cdot x \, dx = \int_{-1}^1 x \, dx = \left[\frac{x^2}{2}\right]_{-1}^1 = \frac{1}{2} - \frac{1}{2} = 0$。由对称性,$(x,1) = 0$。
公式:$\int_{-1}^1 x \, dx = 0$(奇函数在对称区间积分为零)
提示:奇函数在对称区间积分为0,可直接得出。
步骤 4/8
目标:计算 $(1,x^2)$ 和 $(x^2,1)$
$(1,x^2) = \int_{-1}^1 1 \cdot x^2 \, dx = \int_{-1}^1 x^2 \, dx = \left[\frac{x^3}{3}\right]_{-1}^1 = \frac{1}{3} - \left(-\frac{1}{3}\right) = \frac{2}{3}$。由对称性,$(x^2,1) = \frac{2}{3}$。
公式:$\int_{-1}^1 x^2 \, dx = \frac{2}{3}$
提示:偶函数在对称区间积分可先计算一半再乘以2。
步骤 5/8
目标:计算 $(x,x)$
$(x,x) = \int_{-1}^1 x \cdot x \, dx = \int_{-1}^1 x^2 \, dx = \frac{2}{3}$。
公式:$\int_{-1}^1 x^2 \, dx = \frac{2}{3}$
提示:与上一步相同。
步骤 6/8
目标:计算 $(x,x^2)$ 和 $(x^2,x)$
$(x,x^2) = \int_{-1}^1 x \cdot x^2 \, dx = \int_{-1}^1 x^3 \, dx = \left[\frac{x^4}{4}\right]_{-1}^1 = \frac{1}{4} - \frac{1}{4} = 0$。由对称性,$(x^2,x) = 0$。
公式:$\int_{-1}^1 x^3 \, dx = 0$(奇函数)
提示:奇函数在对称区间积分为0。
步骤 7/8
目标:计算 $(x^2,x^2)$
$(x^2,x^2) = \int_{-1}^1 x^2 \cdot x^2 \, dx = \int_{-1}^1 x^4 \, dx = \left[\frac{x^5}{5}\right]_{-1}^1 = \frac{1}{5} - \left(-\frac{1}{5}\right) = \frac{2}{5}$。
公式:$\int_{-1}^1 x^4 \, dx = \frac{2}{5}$
提示:偶函数积分。
步骤 8/8
目标:写出度量矩阵
将计算结果按顺序填入矩阵: $g_{11}=2, g_{12}=0, g_{13}=\frac{2}{3}$ $g_{21}=0, g_{22}=\frac{2}{3}, g_{23}=0$ $g_{31}=\frac{2}{3}, g_{32}=0, g_{33}=\frac{2}{5}$ 因此度量矩阵为 \[ \begin{pmatrix} 2 & 0 & \frac{2}{3} \\ 0 & \frac{2}{3} & 0 \\ \frac{2}{3} & 0 & \frac{2}{5} \end{pmatrix} \]
提示:注意矩阵对称,且元素位置对应基的顺序。

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