为什么正交矩阵的转置矩阵是其逆矩阵

正交矩阵的基底是两两互相垂直的单位向量(点积为0)。

有推论:正交矩阵的转置矩阵等于其逆矩阵

证明:

设有矩阵AA^{T},如下:

A=\begin{bmatrix} p1 & p2 &p3 &p4 \end{bmatrix}     A^{T}=\begin{bmatrix} p1^{T}\\ p2^{T}\\ p3^{T}\\ p4^{T} \end{bmatrix}

其中:

p1=\begin{bmatrix} a11\\ a12\\ a13\\ a14 \end{bmatrix}   p2=\begin{bmatrix} a21\\ a22\\ a23\\ a24 \end{bmatrix}    p3=\begin{bmatrix} a31\\ a32\\ a33\\ a34 \end{bmatrix}  p3=\begin{bmatrix} a41\\ a42\\ a43\\ a44 \end{bmatrix}

则:

p1^{T}=\begin{bmatrix} a11 & a12 & a13 & a14 \end{bmatrix}

p2^{T}=\begin{bmatrix} a21 & a22 & a23 & a24 \end{bmatrix}

p3^{T}=\begin{bmatrix} a31 & a32 & a33 & a34 \end{bmatrix}

p4^{T}=\begin{bmatrix} a41 & a42 & a43 & a44 \end{bmatrix}

则有AA^{T}相乘:

A:\begin{bmatrix} a11 & a21& a31 & a41\\ a12& a22& a32&a42 \\ a13 & a23& a33& a43\\ a14 & a24& a34& a44 \end{bmatrix}\cdot A^{T}:\begin{bmatrix} a11 & a12 &a13 &a14 \\ a21 & a22 & a23 &a24 \\ a31 & a32& a33 & a34\\ a41& a42& a43& a44 \end{bmatrix}

=\begin{bmatrix} p1\cdot p1^{T} & p1\cdot p2^{T} & p1\cdot p3^{T} & p1\cdot p4^{T}\\ p2\cdot p1^{T} & p2\cdot p2^{T} & p2\cdot p3^{T} & p2\cdot p4^{T}\\ p3\cdot p1^{T} & p3\cdot p2^{T} & p3\cdot p3^{T} & p3\cdot p4^{T}\\ p4\cdot p1^{T} & p4\cdot p2^{T} & p4\cdot p3^{T} & p4\cdot p4^{T}\\ \end{bmatrix}

注意这里的p1\cdot p1^{T}其实就是p1向量与自己的点积,又因为p1是单位向量,

所以p1·p1 = |p1|^2 = 1。而p1与其他基底是垂直的,所以点积为0。

所以上面\begin{bmatrix} p1\cdot p1^{T} & p1\cdot p2^{T} & p1\cdot p3^{T} & p1\cdot p4^{T}\\ p2\cdot p1^{T} & p2\cdot p2^{T} & p2\cdot p3^{T} & p2\cdot p4^{T}\\ p3\cdot p1^{T} & p3\cdot p2^{T} & p3\cdot p3^{T} & p3\cdot p4^{T}\\ p4\cdot p1^{T} & p4\cdot p2^{T} & p4\cdot p3^{T} & p4\cdot p4^{T}\\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0& 0& 0\\ 0& 1& 0&0 \\ 0 & 0& 1& 0\\ 0&0 &0 & 1 \end{bmatrix}=E

A\cdot A^{T}=E=A\cdot A^{-1},所以得出正交矩阵的转置是其逆矩阵。

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