为了证明格拉姆-施密特正交化方法可以产生向量空间V的一组标准正交基,我们可以按照以下步骤进行推导:
假设V是一个有限维向量空间,并且{v1,v2,…,vn}是V中的一组线性无关的向量。
第一步,我们应用格拉姆-施密特正交化方法的第一步,将v1单位化,得到q1=∥v1∥v1。显然,q1是单位向量,即∥q1∥=1。
第二步,对于k=2,3,…,n,我们假设已经得到了单位正交向量组{q1,q2,…,qk−1}。接下来,我们按照格拉姆-施密特正交化方法,计算vk在q1,q2,…,qk−1上的投影,并从vk中减去这个投影,得到uk=vk−∑i=1k−1⟨qi,qi⟩⟨vk,qi⟩qi。由于q1,q2,…,qk−1是正交的单位向量,所以⟨qi,qi⟩=1,因此上式可以简化为uk=vk−∑i=1k−1⟨vk,qi⟩qi。
第三步,由于uk是vk与q1,q2,…,qk−1所张成子空间的正交补中的向量,因此uk与q1,q2,…,qk−1正交。然后,我们将uk单位化,得到qk=∥uk∥uk。
第四步,由于q1,q2,…,qn都是单位向量,并且它们两两正交(这是由格拉姆-施密特正交化方法的构造保证的),因此{q1,q2,…,qn}是V的一组标准正交向量组。
第五步,由于{v1,v2,…,vn}是V的一组线性无关的向量,并且格拉姆-施密特正交化方法没有改变这些向量的线性关系(即,如果∑i=1ncivi=0,那么∑i=1nciqi=0),因此{q1,q2,…,qn}也是V的一组线性无关的向量。
第六步,由于{q1,q2,…,qn}是V的一组标准正交且线性无关的向量,根据向量空间的基的定义,它们构成V的一组标准正交基。
综上,我们证明了格拉姆-施密特正交化方法可以产生向量空间V的一组标准正交基。