例1. 已知用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图1#card=math&code=A%3D%28a_%7Bij%7D%29&id=zkbtS)是三阶正交矩阵。求证:曲面

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图2

    是一个球面。求出球面的球心坐标与半径。

    解:设

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图3

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图4

    与坐标变换公式相比较,这就是说,在坐标系用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图5之下,球面用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图6%5E2%3D1#card=math&code=%5Csum_%7Bi%3D1%7D%5E3%20%28X_i%20%2B%20b_i%29%5E2%3D1&id=weH4w) 被变换到坐标系用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图7之下的,以方程(1)给出的曲面。由于用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图8是正交矩阵,所以方程(1)给出的曲面也是球面,半径显然是1, 而球心坐标从点用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图9%5E%5Ctop#card=math&code=%28-b_1%2C%20-b_2%2C%20-b_3%29%5E%5Ctop&id=k1QMY)被变换到用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图10%5E%5Ctop%20%3D%20-A%5E%5Ctop%20(b_1%2C%20b_2%2C%20b_3)%5E%5Ctop#card=math&code=-A%5E%7B-1%7D%28b_1%2C%20b_2%2C%20b_3%29%5E%5Ctop%20%3D%20-A%5E%5Ctop%20%28b_1%2C%20b_2%2C%20b_3%29%5E%5Ctop&id=HWvWv).

    例2. 设有向量用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图11%2C%20%5C%2C%20i%3D1%2C2#card=math&code=v_i%20%3D%20%28a_i%2C%20b_i%2C%20c_i%29%2C%20%5C%2C%20i%3D1%2C2&id=mJJNF). 两者线性无关。求证:曲面

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图12(a_2%20x%20%2B%20b_2%20y%20%2B%20c_2%20z)%3D1%0A#card=math&code=%28a_1%20x%20%2B%20b_1%20y%2B%20c_1%20z%29%28a_2%20x%20%2B%20b_2%20y%20%2B%20c_2%20z%29%3D1%0A&id=qhznK)

    是一个柱面,母线的方向与用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图13平行。

    证:如果向量用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图14正交,则令

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图15(a_1%20x%20%2B%20b_1%20y%20%2B%20c_1%20z)%2C%20%5C%5C%0AY%20%26%3D(1%2F%7Cv_2%7C)(a_2%20x%20%2B%20b_2%20y%20%2B%20c_2%20z)%2C%20%5C%5C%0AZ%20%26%3D%20z%2C%0A%5Cend%7Bcases%7D%0A#card=math&code=%5Cbegin%7Bcases%7D%0AX%20%26%3D%281%2F%7Cv_1%7C%29%28a_1%20x%20%2B%20b_1%20y%20%2B%20c_1%20z%29%2C%20%5C%5C%0AY%20%26%3D%281%2F%7Cv_2%7C%29%28a_2%20x%20%2B%20b_2%20y%20%2B%20c_2%20z%29%2C%20%5C%5C%0AZ%20%26%3D%20z%2C%0A%5Cend%7Bcases%7D%0A&id=UOs3H)

    由于矩阵

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图16

    是正交矩阵,所以上述坐标变换是正交变换。原方程则变成用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图17, 这是坐标系用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图18中的柱面,母线方向是用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图19-轴的方向,即与用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图20平行。

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图21只是线性无关,不一定正交。为此先来Schmidt正交化:令

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图22%7D%7B(w_1%2C%20w_1)%7Dv_1%20%5CLongrightarrow%20v_2%20%3D%20w_2%20%2B%20kw_1%2C%20%0A%5Cend%7Baligned%7D%0A#card=math&code=%5Cbegin%7Baligned%7D%0Aw_1%20%26%3D%20v_1%2C%20%5C%5C%0Aw_2%20%26%3D%20v_2%20-%20%5Cfrac%7B%28v_2%2C%20w_1%29%7D%7B%28w_1%2C%20w_1%29%7Dv_1%20%5CLongrightarrow%20v_2%20%3D%20w_2%20%2B%20kw_1%2C%20%0A%5Cend%7Baligned%7D%0A&id=Dz7a3)

    其中用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图23%7D%7B(w_1%2C%20w_1)%7D#card=math&code=k%3D%5Cfrac%7B%28v_2%2C%20w_1%29%7D%7B%28w_1%2C%20w_1%29%7D&id=kAhum). 此时作坐标代换

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图24(x%2C%20y%2C%20z)%5E%5Ctop%20%3D%20(1%2F%7Cw_1%7C)(a_1%20x%20%2B%20b_1%20y%20%2B%20c_1%20z)%2C%20%5C%5C%0AY%20%3D%20(1%2F%7Cw_2%7C)(x%2C%20y%2C%20z)%5E%5Ctop%2C%20%5C%5C%0AZ%20%3D%20z.%20%0A%5Cend%7Bcases%7D%0A#card=math&code=%5Cbegin%7Bcases%7D%0AX%20%3D%20%281%2F%7Cw_1%7C%29%28x%2C%20y%2C%20z%29%5E%5Ctop%20%3D%20%281%2F%7Cw_1%7C%29%28a_1%20x%20%2B%20b_1%20y%20%2B%20c_1%20z%29%2C%20%5C%5C%0AY%20%3D%20%281%2F%7Cw_2%7C%29%28x%2C%20y%2C%20z%29%5E%5Ctop%2C%20%5C%5C%0AZ%20%3D%20z.%20%0A%5Cend%7Bcases%7D%0A&id=XES1W)

    那么用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图25%5Cbegin%7Bpmatrix%7D%20x%20%5C%5C%20y%20%5C%5C%20z%20%5Cend%7Bpmatrix%7D%20%3D%20%7Cw_2%7CY%20%2B%20k%7Cw_1%7CX#card=math&code=a_2%20x%20%2B%20b_2%20y%20%2B%20c_2%20z%20%3D%20v_2%20%5Cbegin%7Bpmatrix%7D%20x%20%5C%5C%20y%20%5C%5C%20z%20%5Cend%7Bpmatrix%7D%20%3D%20%28w_2%20%2B%20kw_1%29%5Cbegin%7Bpmatrix%7D%20x%20%5C%5C%20y%20%5C%5C%20z%20%5Cend%7Bpmatrix%7D%20%3D%20%7Cw_2%7CY%20%2B%20k%7Cw_1%7CX&id=td1aY). 此时原曲面方程变为

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图26%3D1.%0A#card=math&code=%7Cw_1%7CX%20%28%7Cw_2%7CY%2Bk%7Cw_1%7CX%29%3D1.%0A&id=gEfAC)

    这是柱面方程,母线平行于用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图27-轴方向,即平行于用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图28的方向。又

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图29%3Dw_1%20%5Ctimes%20w_2%2C%0A#card=math&code=v_1%20%5Ctimes%20v_2%20%3D%20w_1%20%5Ctimes%20%28w_2%20%2B%20kw_1%29%3Dw_1%20%5Ctimes%20w_2%2C%0A&id=m6Qfy)

    于是这个柱面的母线也平行于用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图30的方向。

    由于上面的坐标变换是正交变换,所以原命题成立。

    另证:曲面方程(4)等价于

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图31

    其中实数用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图32. 这个方程组的解是上述两个平面的交线。这条交线是直线,方向向量是用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图33. 当用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图34遍历全部非零实数时,这些直线的并集,给出了一个柱面。

    例3. 求实数用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图35, 使得椭圆抛物面用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图36%3D2z#card=math&code=x%5E2%20%2B%20%28y%5E2%2F2%29%3D2z&id=C1MRY)与平面用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图37的交线是一个圆。并求出圆心坐标与半径。

    解:在平面用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图38内,以直线用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图39为新的用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图40-轴,以直线用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图41为新的用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图42-轴,再以原来的用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图43-轴为用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图44-轴。这样就得到了新的坐标系用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图45. 具体而言,我们做正交的坐标变换

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图46

    此时平面用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图47变成用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图48, 椭圆抛物面用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图49%3D2z#card=math&code=x%5E2%20%2B%20%28y%5E2%2F2%29%3D2z&id=XP9bc)变成

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图50%5E2%7D%7B1%2Bk%5E2%7D%2B%5Cfrac%7BY%5E2%7D%7B2%7D%3D2%5Cfrac%7B-kX%2BZ%7D%7B%5Csqrt%7B1%2Bk%5E2%7D%7D.%0A#card=math&code=%5Cfrac%7B%28X%2BkZ%29%5E2%7D%7B1%2Bk%5E2%7D%2B%5Cfrac%7BY%5E2%7D%7B2%7D%3D2%5Cfrac%7B-kX%2BZ%7D%7B%5Csqrt%7B1%2Bk%5E2%7D%7D.%0A&id=XKmns)

    它们的交线的方程是

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图51%5E2%7D%7B1%2Bk%5E2%7D%2B%5Cfrac%7BY%5E2%7D%7B2%7D%3D2%5Cfrac%7BZ%7D%7B%5Csqrt%7B1%2Bk%5E2%7D%7D.%0A%5Cend%7Bcases%7D%0A#card=math&code=%5Cbegin%7Bcases%7D%0AX%3D0%2C%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7B%28kZ%29%5E2%7D%7B1%2Bk%5E2%7D%2B%5Cfrac%7BY%5E2%7D%7B2%7D%3D2%5Cfrac%7BZ%7D%7B%5Csqrt%7B1%2Bk%5E2%7D%7D.%0A%5Cend%7Bcases%7D%0A&id=NOieY)

    这是一个圆当且仅当用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图52. 圆的半径是用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图53. 圆心坐标是用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图54%3D(0%2C%200%2C%20%5Csqrt%7B2%7D)%2C#card=math&code=%28X%2C%20Y%2C%20Z%29%3D%280%2C%200%2C%20%5Csqrt%7B2%7D%29%2C&id=k9zkP) 即用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图55%3D(%5Cpm%201%2C%200%2C%201)#card=math&code=%28x%2Cy%2Cz%29%3D%28%5Cpm%201%2C%200%2C%201%29&id=KR86c).

    例4. 假设用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图56#card=math&code=A%3D%28a_%7Bij%7D%29&id=qTTwv)是三阶正交矩阵. 设

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图57

    有坐标变换,这里用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图58是右手直角坐标系。

    (1) 三维欧几里得空间用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图59中的单位球面

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图60

    求证:在上述坐标变换下变成用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图61.

    证:因为用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图62(x%2C%20y%2C%20z)%5E%5Ctop%20%3D%20(X%2C%20Y%2C%20Z)A%5E%5Ctop%20A%20(X%2C%20Y%2C%20Z)#card=math&code=x%5E2%20%2B%20y%5E2%20%2B%20z%5E2%20%3D%20%28x%2C%20y%2C%20z%29%28x%2C%20y%2C%20z%29%5E%5Ctop%20%3D%20%28X%2C%20Y%2C%20Z%29A%5E%5Ctop%20A%20%28X%2C%20Y%2C%20Z%29&id=z1rII).

    (2)用

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图63

    表示三维空间用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图64的Laplace算子 (Laplacian). 用

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图65

    表示新坐标系用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图66之下的Laplace算子。求证用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图67.

    证:记用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图68%5E%5Ctop%20f%20%3D%20(%5Cpartial_x%20f%2C%20%5Cpartial_y%20f%2C%20%5Cpartial%20_z%20f)%5E%5Ctop#card=math&code=%5Cpartial_x%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%7D%7B%5Cpartial%20x%7D%2C%20%5Cquad%20%28%5Cpartial_x%2C%20%5Cpartial_y%2C%20%5Cpartial_z%29%5E%5Ctop%20f%20%3D%20%28%5Cpartial_x%20f%2C%20%5Cpartial_y%20f%2C%20%5Cpartial%20_z%20f%29%5E%5Ctop&id=tANdT). 因此用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图69%20(%5Cpartial_x%2C%20%5Cpartial_y%2C%20%5Cpartial_z)%5E%5Ctop#card=math&code=%5CDelta%20%3D%20%28%5Cpartial_x%2C%20%5Cpartial_y%2C%20%5Cpartial_z%29%20%28%5Cpartial_x%2C%20%5Cpartial_y%2C%20%5Cpartial_z%29%5E%5Ctop&id=afJbU).

    因为用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图70, 链式法则给出用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图71, 所以

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图72%5E%5Ctop%20%3D%20A%20(%5Cpartial_X%2C%20%5Cpartial_Y%2C%20%5Cpartial_Z)%5E%5Ctop.%0A#card=math&code=%28%5Cpartial_x%2C%20%5Cpartial_y%2C%20%5Cpartial_z%29%5E%5Ctop%20%3D%20A%20%28%5Cpartial_X%2C%20%5Cpartial_Y%2C%20%5Cpartial_Z%29%5E%5Ctop.%0A&id=gL2XD)

    所以

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图73%20(%5Cpartial_x%2C%20%5Cpartial_y%2C%20%5Cpartial_z)%5E%5Ctop%20%3D%20%20(%5Cpartial_X%2C%20%5Cpartial_Y%2C%20%5Cpartial_Z)A%5E%5Ctop%20A(%5Cpartial_X%2C%20%5Cpartial_Y%2C%20%5Cpartial_Z)%5E%5Ctop%3D%5CDelta_1%2C%0A#card=math&code=%5CDelta%20%3D%20%28%5Cpartial_x%2C%20%5Cpartial_y%2C%20%5Cpartial_z%29%20%28%5Cpartial_x%2C%20%5Cpartial_y%2C%20%5Cpartial_z%29%5E%5Ctop%20%3D%20%20%28%5Cpartial_X%2C%20%5Cpartial_Y%2C%20%5Cpartial_Z%29A%5E%5Ctop%20A%28%5Cpartial_X%2C%20%5Cpartial_Y%2C%20%5Cpartial_Z%29%5E%5Ctop%3D%5CDelta_1%2C%0A&id=ExSHS)

    因为用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图74是正交矩阵(所以用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图75. )

    应用:因为”求导数”是线性变换,所以用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图76是线性微分算子。我们称满足用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图77的函数是调和函数(harmonic function). 于是可以说“调和函数是Laplace算子的属于特征值0的特征向量“。

    一种比较简单(但有趣)的调和函数是调和多项式。 Laplace算子用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图78用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图79次多项式变为用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图80次多项式。全部调和多项式构成一个线性空间。更特别,考虑齐次调和多项式。全部用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图81次齐次(复系数)调和多项式组成一个线性空间用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图82. 例如用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图83就是全部线性函数用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图84. 它是3维的, 而用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图85是5维的,它有一个基

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图86

    用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图87中的多项式限制到用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图88,得到的函数称为球调和函数(spherical harmonic function). 由(1)可知,如果用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图89#card=math&code=f%28x%2C%20y%2C%20z%29&id=yvISk)是球调和函数,那么用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图90#card=math&code=f%28X%2C%20Y%2C%20Z%29&id=R8gtm)也是,这里用正交变换解空间曲线曲面题目 - 图91#card=math&code=%28X%2C%20Y%2C%20Z%29&id=x9ySb) 由上面的坐标变换公式给出。