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	<title>Orthogonale Matrix - Versionsgeschichte</title>
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	<updated>2026-06-01T03:27:22Z</updated>
	<subtitle>Versionsgeschichte dieser Seite in Wikipedia (Deutsch) – Lokale Kopie</subtitle>
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		<id>https://wiki-de.moshellshocker.dns64.de/index.php?title=Orthogonale_Matrix&amp;diff=166941&amp;oldid=prev</id>
		<title>imported&gt;Mathze: /* Anwendungen */</title>
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		<updated>2025-12-26T07:43:21Z</updated>

		<summary type="html">&lt;p&gt;&lt;span class=&quot;autocomment&quot;&gt;Anwendungen&lt;/span&gt;&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;&lt;b&gt;Neue Seite&lt;/b&gt;&lt;/p&gt;&lt;div&gt;{{Doppeltes Bild|rechts|Orthogonal transformation qtl1.svg|200|Orthogonal transformation qtl2.svg|200|Durch Multiplikation mit einer orthogonalen Matrix &amp;#039;&amp;#039;Q&amp;#039;&amp;#039; können Vektoren gedreht (links) oder gespiegelt (rechts) werden. Die Länge der Vektoren und der Winkel zwischen den Vektoren bleiben dabei erhalten.}}&lt;br /&gt;
Eine &amp;#039;&amp;#039;&amp;#039;orthogonale Matrix&amp;#039;&amp;#039;&amp;#039; ist in der [[Lineare Algebra|linearen Algebra]] eine quadratische, reelle [[Matrix (Mathematik)|Matrix]], deren Zeilen- und Spaltenvektoren [[Orthonormalität|orthonormal]] bezüglich des [[Standardskalarprodukt]]s sind. Damit ist die [[Inverse Matrix|Inverse]] einer orthogonalen Matrix gleichzeitig ihre [[Transponierte Matrix|Transponierte]].&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Orthogonale Matrizen stellen [[Kongruenzabbildung]]en im [[Euklidischer Raum|euklidischen Raum]], also [[Drehung]]en, [[Spiegelung (Geometrie)|Spiegelungen]] und Kombinationen daraus, dar. Jede [[orthogonale Abbildung]] zwischen zwei endlichdimensionalen [[Skalarproduktraum|Skalarprodukträumen]] kann nach Wahl je einer [[Orthonormalbasis]] durch eine orthogonale Matrix dargestellt werden. Die Menge der orthogonalen Matrizen fester Größe bildet mit der [[Matrizenmultiplikation]] als Verknüpfung die [[orthogonale Gruppe]].&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Orthogonale Matrizen werden beispielsweise bei der [[Numerische Mathematik|numerischen]] Lösung [[Lineares Gleichungssystem|linearer Gleichungssysteme]] oder [[Eigenwertproblem]]e eingesetzt. Der analoge Begriff bei komplexen Matrizen ist die [[unitäre Matrix]].&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Besitzt eine orthogonale Matrix zusätzlich einen Determinantenwert von &amp;lt;math&amp;gt;1&amp;lt;/math&amp;gt;, so nennt man sie &amp;#039;&amp;#039;&amp;#039;spezielle orthogonale Matrix&amp;#039;&amp;#039;&amp;#039;.&lt;br /&gt;
== Definition ==&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Eine reelle [[quadratische Matrix]] &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; heißt orthogonal, wenn das [[Matrizenmultiplikation|Produkt]] mit ihrer [[Transponierte Matrix|transponierten Matrix]] &amp;lt;math&amp;gt;Q^\mathsf{T}&amp;lt;/math&amp;gt; die [[Einheitsmatrix]] &amp;lt;math&amp;gt;I&amp;lt;/math&amp;gt; ergibt, also&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;Q^\mathsf{T} \cdot Q = I&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
gilt. Werden die [[Spaltenvektor]]en der Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q&amp;lt;/math&amp;gt; mit &amp;lt;math&amp;gt;q_1, \ldots , q_n&amp;lt;/math&amp;gt; bezeichnet, dann ist diese Bedingung gleichbedeutend damit, dass das [[Standardskalarprodukt]] zweier Spaltenvektoren&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;q_i^\mathsf{T} \cdot q_j = \delta_{ij} = \begin{cases} 1 &amp;amp; \text{falls}~i=j \\ 0 &amp;amp; \text{sonst} \end{cases}&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
ergibt, wobei &amp;lt;math&amp;gt;\delta_{ij}&amp;lt;/math&amp;gt; das [[Kronecker-Delta]] ist. Die Spaltenvektoren einer orthogonalen Matrix bilden damit eine [[Orthonormalbasis]] des [[Koordinatenraum]]s &amp;lt;math&amp;gt;\R^n&amp;lt;/math&amp;gt;. Dies trifft auch für die Zeilenvektoren einer orthogonalen Matrix zu, denn mit &amp;lt;math&amp;gt;Q&amp;lt;/math&amp;gt; ist auch &amp;lt;math&amp;gt;Q^\mathsf{T}&amp;lt;/math&amp;gt; orthogonal, das heißt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;Q \cdot Q^\mathsf{T} = I&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Auch wenn die Bezeichnung „orthogonale Matrix“ so verstanden werden könnte, reicht es nicht aus, wenn die Zeilen- oder Spaltenvektoren lediglich paarweise [[Orthogonalität|orthogonal]] sind; sie müssen zusätzlich [[Einheitsvektor|normiert]] sein, also die [[Euklidische Norm|Länge]] eins aufweisen.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
== Beispiele ==&lt;br /&gt;
=== Konkrete Beispiele ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
* Die Matrix&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
::&amp;lt;math&amp;gt;Q = \begin{pmatrix} 0 &amp;amp; 1 \\ 1 &amp;amp; 0 \end{pmatrix}&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
:  ist orthogonal, denn es gilt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
::&amp;lt;math&amp;gt;Q^\mathsf{T} \, Q = \begin{pmatrix} 0 &amp;amp; 1 \\ 1 &amp;amp; 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 &amp;amp; 1 \\ 1 &amp;amp; 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \cdot 0 + 1 \cdot 1 &amp;amp; 0 \cdot 1 + 1 \cdot 0 \\ 1 \cdot 0 + 0 \cdot 1 &amp;amp; 1 \cdot 1 + 0 \cdot 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; 1 \end{pmatrix} = I&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
* Auch die Matrix&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
::&amp;lt;math&amp;gt;Q = \frac{1}{5} \begin{pmatrix} 3 &amp;amp; 4 \\ -4 &amp;amp; 3 \end{pmatrix}&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
:  ist orthogonal, denn es gilt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
::&amp;lt;math&amp;gt;Q^\mathsf{T} \, Q = \frac{1}{5} \begin{pmatrix} 3 &amp;amp; -4 \\ 4 &amp;amp; 3 \end{pmatrix} \cdot \frac{1}{5} \begin{pmatrix} 3 &amp;amp; 4 \\ -4 &amp;amp; 3 \end{pmatrix} = \frac{1}{25} \begin{pmatrix} 9 + 16 &amp;amp; 12 - 12 \\ 12 - 12 &amp;amp; 16 + 9 \end{pmatrix} = \frac{1}{25} \begin{pmatrix} 25 &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; 25 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 &amp;amp; 0 \\ 0 &amp;amp; 1 \end{pmatrix} = I&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
=== Allgemeine Beispiele ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
* [[Permutationsmatrix|Permutationsmatrizen]], also Matrizen, bei denen genau ein Eintrag pro Zeile und Spalte gleich eins ist und alle anderen Einträge null sind, sind orthogonal. Bezeichnet &amp;lt;math&amp;gt;P_\pi&amp;lt;/math&amp;gt; die zu einer [[Permutation]] &amp;lt;math&amp;gt;\pi&amp;lt;/math&amp;gt; zugehörige Permutationsmatrix, dann gilt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
::&amp;lt;math&amp;gt;P^\mathsf{T}_\pi \, P_\pi = P_{\pi^{-1}} \, P_\pi = P_{\pi^{-1} \circ \pi} = P_{\mathrm{id}} = I&amp;lt;/math&amp;gt;,&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
:  denn die transponierte Permutationsmatrix ist gleich der Permutationsmatrix der [[Inverse Permutation|inversen Permutation]], die alle Vertauschungen rückgängig macht, und das Produkt von Permutationsmatrizen entspricht der [[Komposition (Mathematik)|Hintereinanderausführung]] der Permutationen. Die [[Vorzeichenbehaftete Permutationsmatrix|vorzeichenbehafteten Permutationsmatrizen]], bei denen in jeder Zeile und Spalte genau ein Eintrag plus oder minus eins ist und alle übrigen Einträge null sind, sind genau die [[Ganze Zahl|ganzzahligen]] orthogonalen Matrizen.&lt;br /&gt;
* [[Drehmatrix|Drehmatrizen]], also Matrizen, die eine [[Drehung]] um den [[Koordinatenursprung]] in der [[Euklidische Ebene|euklidischen Ebene]] beschreiben, sind orthogonal. Bezeichnet&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
::&amp;lt;math&amp;gt;R_\alpha = \begin{pmatrix} \cos\alpha &amp;amp; -\sin\alpha \\ \sin\alpha &amp;amp; \cos\alpha \end{pmatrix}&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
:  die Drehmatrix einer Drehung um einen Winkel &amp;lt;math&amp;gt;\alpha&amp;lt;/math&amp;gt;, die den Ursprung festlässt, dann gilt mit dem „[[Trigonometrischer Pythagoras|trigonometrischen Pythagoras]]“&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
::&amp;lt;math&amp;gt;R^\mathsf{T}_\alpha \, R_\alpha = \begin{pmatrix} \cos^2\alpha + \sin^2\alpha &amp;amp; -\cos\alpha \sin\alpha + \sin\alpha \cos\alpha \\ -\sin\alpha \cos\alpha + \cos\alpha \sin\alpha &amp;amp; \sin^2\alpha + \cos^2\alpha \end{pmatrix} = I&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
:  Allgemeiner sind auch Drehmatrizen, die eine Drehung in einer beliebigen [[Ursprungsebene]] im &amp;lt;math&amp;gt;n&amp;lt;/math&amp;gt;-dimensionalen Raum beschreiben, orthogonal.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
* [[Spiegelungsmatrix|Spiegelungsmatrizen]], also Matrizen, die eine (senkrechte) [[Spiegelung (Geometrie)|Spiegelung]] an einer [[Ursprungsgerade]] in der euklidischen Ebene beschreiben, sind orthogonal. Bezeichnet&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
::&amp;lt;math&amp;gt;S_n = I - 2 n n^\mathsf{T}&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
:  die Spiegelungsmatrix einer Spiegelung an einer Ursprungsgerade mit Einheits-[[Normalenvektor]] &amp;lt;math&amp;gt;n&amp;lt;/math&amp;gt;, dann gilt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
::&amp;lt;math&amp;gt;S^\mathsf{T}_n \, S_n = S_n \, S_n = (I - 2 n n^\mathsf{T}) \, (I - 2 n n^\mathsf{T}) = I - 4 n n^\mathsf{T} + 4 n (n^\mathsf{T} n) n^\mathsf{T} = I&amp;lt;/math&amp;gt;,&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
:  denn Spiegelungsmatrizen sind [[Symmetrische Matrix|symmetrisch]] und für einen [[Einheitsvektor]] gilt &amp;lt;math&amp;gt;n^\mathsf{T} n = 1&amp;lt;/math&amp;gt;. Allgemeiner sind auch Matrizen, die Spiegelungen an einem beliebigen [[Untervektorraum]] im &amp;lt;math&amp;gt;n&amp;lt;/math&amp;gt;-dimensionalen Raum (beispielsweise einer [[Hyperebene]]) beschreiben, orthogonal.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
== Eigenschaften ==&lt;br /&gt;
=== Inverse ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Eine orthogonale Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; ist aufgrund der [[Lineare Unabhängigkeit|linearen Unabhängigkeit]] ihrer Zeilen- und Spaltenvektoren stets [[Reguläre Matrix|regulär]]. Die [[Inverse Matrix|Inverse]] einer orthogonalen Matrix ist dabei gleich ihrer Transponierten, das heißt, es gilt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;Q^\mathsf{T} = Q^{-1}&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Die Inverse einer Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q&amp;lt;/math&amp;gt; ist nämlich gerade diejenige Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q^{-1}&amp;lt;/math&amp;gt;, für die&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;Q \, Q^{-1} = Q^{-1} \, Q = I&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
gilt. Aus der zweiten Gleichung folgt weiterhin, dass die Transponierte einer orthogonalen Matrix orthogonal ist. Es gilt auch die Umkehrung und jede Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q&amp;lt;/math&amp;gt;, deren Transponierte gleich ihrer Inversen ist, ist orthogonal, denn es gilt dann&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;Q^\mathsf{T} \, Q = Q^{-1} \, Q = I&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
=== Längen- und Winkeltreue ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Wird ein Vektor &amp;lt;math&amp;gt;x \in \R^n&amp;lt;/math&amp;gt; mit einer orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; multipliziert, ändert sich die Länge ([[euklidische Norm]]) des Vektors nicht, das heißt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt; \| Q \, x \|_2 = \| x \|_2&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Weiter ist das Standardskalarprodukt zweier Vektoren &amp;lt;math&amp;gt;x,y \in \R^n&amp;lt;/math&amp;gt; invariant bezüglich der Multiplikation mit einer orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q&amp;lt;/math&amp;gt;, also&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;\left\langle Q \, x, Q \, y \right\rangle = \left\langle x,y \right\rangle&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Damit bleibt auch der [[Standardskalarprodukt#Winkel|Winkel]] zwischen den beiden Vektoren erhalten. Beide Eigenschaften folgen direkt aus der [[Standardskalarprodukt#Verschiebungseigenschaft|Verschiebungseigenschaft]] des Standardskalarprodukts. Aufgrund dieser Längen- und Winkeltreue stellt die [[lineare Abbildung]]&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;f \colon \R^n \to \R^n, x \mapsto Q \, x&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
eine [[Kongruenzabbildung]] im euklidischen Raum dar. Umgekehrt ist die [[Abbildungsmatrix]] bezüglich der [[Standardbasis]] jeder winkeltreuen linearen Abbildung im euklidischen Raum orthogonal. Aufgrund der [[Polarisationsformel]] ist auch jede längentreue Abbildung winkeltreu.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
=== Determinante ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Für den [[Betragsfunktion|Betrag]] der [[Determinante]] einer orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; gilt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;| \det Q | = 1&amp;lt;/math&amp;gt;,&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
was mit Hilfe des [[Determinantenproduktsatz]]es über&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;(\operatorname{det} Q)^2 = \det Q \cdot \det Q = \det Q^\mathsf{T} \cdot \det Q = \det (Q^\mathsf{T} Q) = \det I = 1&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
folgt. Damit kann die Determinante einer orthogonalen Matrix nur die Werte eins oder minus eins annehmen. Es gibt allerdings auch nicht-orthogonale Matrizen, deren Determinante plus oder minus eins ist, zum Beispiel [[Spezielle lineare Gruppe|unimodulare Matrizen]]. Orthogonale Matrizen, deren Determinante eins ist, entsprechen Drehungen. Man spricht dann auch von einer eigentlich orthogonalen Matrix. Orthogonale Matrizen, deren Determinante minus eins ist, stellen [[Drehspiegelung]]en dar. Man spricht dann auch von einer uneigentlich orthogonalen Matrix.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
=== Eigenwerte ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Die [[Eigenwert]]e einer orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; sind nicht notwendigerweise alle reell. Sie haben jedoch den [[Betragsfunktion#Komplexe Betragsfunktion|komplexen Betrag]] eins, sind also von der Form&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;\lambda = e^{it}&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
mit &amp;lt;math&amp;gt;t \in \R&amp;lt;/math&amp;gt;. Ist nämlich &amp;lt;math&amp;gt;x&amp;lt;/math&amp;gt; ein zu &amp;lt;math&amp;gt;\lambda&amp;lt;/math&amp;gt; gehöriger Eigenvektor, dann gilt aufgrund der Längentreue und der absoluten Homogenität einer [[Norm (Mathematik)|Norm]]&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;\| x \|_2 = \| Q \, x \|_2 = \| \lambda \, x \|_2 = | \lambda | \, \| x \|_2&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
und daher &amp;lt;math&amp;gt;| \lambda | = 1&amp;lt;/math&amp;gt;. Eine orthogonale Matrix besitzt demnach höchstens die reellen Eigenwerte &amp;lt;math&amp;gt;\pm 1&amp;lt;/math&amp;gt;. Die komplexen Eigenwerte treten immer paarweise [[Komplexe Konjugation|komplex konjugiert]] auf, das heißt mit &amp;lt;math&amp;gt;\lambda = e^{it}&amp;lt;/math&amp;gt; ist auch &amp;lt;math&amp;gt;\bar\lambda = e^{-it}&amp;lt;/math&amp;gt; ein Eigenwert, denn&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;Q \bar{x} = \overline{Q x} = \overline{\lambda x} = \bar{\lambda} \bar{x}&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Demnach besitzt eine orthogonale Matrix ungerader Dimension &amp;lt;math&amp;gt;n&amp;lt;/math&amp;gt; mindestens einen reellen Eigenwert (siehe auch den [[Satz vom Fußball]]).&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
=== Diagonalisierbarkeit ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Eine orthogonale Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; ist [[Normale Matrix|normal]], das heißt, es gilt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;Q \, Q^\mathsf{T} = Q^\mathsf{T} \, Q&amp;lt;/math&amp;gt;,&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
und damit über den [[Komplexe Zahl|komplexen Zahlen]] unitär [[Diagonalisierbarkeit|diagonalisierbar]]. Nach dem [[Spektralsatz]] gibt es nämlich eine [[unitäre Matrix]] &amp;lt;math&amp;gt;U \in \Complex^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt;, sodass&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;U^{-1} \, Q \, U = D&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
gilt, wobei &amp;lt;math&amp;gt;D \in \Complex^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; eine Diagonalmatrix mit den Eigenwerten von &amp;lt;math&amp;gt;Q&amp;lt;/math&amp;gt; ist. Die Spaltenvektoren von &amp;lt;math&amp;gt;U&amp;lt;/math&amp;gt; sind dann paarweise orthonormale Eigenvektoren von &amp;lt;math&amp;gt;Q&amp;lt;/math&amp;gt;. Damit sind auch die [[Eigenraum|Eigenräume]] einer orthogonalen Matrix paarweise orthogonal.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Im Allgemeinen ist eine orthogonale Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; jedoch nicht reell diagonalisierbar. Es existiert allerdings eine orthogonale Matrix &amp;lt;math&amp;gt;V \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt;, sodass&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;V^{-1} \, Q \, V = \begin{pmatrix} D_1 &amp;amp; &amp;amp; 0 \\ &amp;amp; \ddots &amp;amp; \\ 0 &amp;amp; &amp;amp; D_s \end{pmatrix}&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
eine [[Blockdiagonalmatrix]] ergibt, bei der die einzelnen Blöcke entweder Drehmatrizen der Größe &amp;lt;math&amp;gt;2 \times 2&amp;lt;/math&amp;gt; sind oder aus der Zahl &amp;lt;math&amp;gt;+1&amp;lt;/math&amp;gt; oder &amp;lt;math&amp;gt;-1&amp;lt;/math&amp;gt; bestehen. Diese Darstellung wird auch Normalform einer orthogonalen Matrix genannt.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
=== Normen ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Die [[Spektralnorm]] einer orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; ist&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;\| Q \|_2 = \max_{\| x \|_2 = 1} \| Q \, x \|_2 = \max_{\| x \|_2 = 1} \| x \|_2 = 1&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Für die [[Frobeniusnorm]] gilt mit dem [[Frobenius-Skalarprodukt]] entsprechend&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;\| Q \|_F = \sqrt{ \langle Q, Q \rangle_F } = \sqrt{ \langle I, I \rangle_F } = \sqrt{n}&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Das Produkt mit einer orthogonalen Matrix erhält sowohl die Spektralnorm, als auch die Frobeniusnorm einer gegebenen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;A \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt;, denn es gilt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;\| Q \, A \|_2 = \max_{\| x \|_2 = 1} \| Q \, A \, x \|_2 = \max_{\| x \|_2 = 1} \| A \, x \|_2  = \| A \|_2&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
und&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;\| Q \, A \|_F = \sqrt{ \langle Q \, A, Q \, A \rangle_F } = \sqrt{ \langle A, A \rangle_F } = \| A \|_F&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Damit bleibt auch die [[Kondition (Mathematik)|Kondition]] einer Matrix bezüglich dieser [[Matrixnorm|Normen]] nach Multiplikation mit einer orthogonalen Matrix erhalten.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
== Orthogonale Matrizen als Gruppe ==&lt;br /&gt;
{{Hauptartikel|Orthogonale Gruppe}}&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Die Menge der regulären Matrizen fester Größe bildet mit der Matrizenmultiplikation als [[Verknüpfung (Mathematik)|Verknüpfung]] eine [[Gruppe (Mathematik)|Gruppe]], die [[allgemeine lineare Gruppe]] &amp;lt;math&amp;gt;\mathrm{GL}(n,\R)&amp;lt;/math&amp;gt;. Als [[neutrales Element]] dient dabei die Einheitsmatrix &amp;lt;math&amp;gt;I&amp;lt;/math&amp;gt;. Die orthogonalen Matrizen bilden eine [[Untergruppe]] der allgemeinen linearen Gruppe, die [[orthogonale Gruppe]] &amp;lt;math&amp;gt;\mathrm O(n)&amp;lt;/math&amp;gt;. Das Produkt zweier orthogonaler Matrizen &amp;lt;math&amp;gt;P, Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; ist nämlich wieder orthogonal, denn es gilt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;(P \, Q)^\mathsf{T} \, (P \, Q) = Q^\mathsf{T} \, (P^\mathsf{T} \, P) \, Q = Q^\mathsf{T} \, Q = I&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Weiter ist die Inverse einer orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; ebenfalls orthogonal, denn es gilt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;(Q^{-1})^\mathsf{T} \, Q^{-1} = (Q^{-1})^\mathsf{T} \, Q^\mathsf{T} = (Q \, Q^{-1})^\mathsf{T} = I^\mathsf{T} = I&amp;lt;/math&amp;gt;.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Die orthogonalen Matrizen mit Determinante eins, also die Drehmatrizen, bilden wiederum eine Untergruppe der orthogonalen Gruppe, die [[Drehgruppe]] (oder &amp;#039;&amp;#039;spezielle orthogonale Gruppe&amp;#039;&amp;#039;) &amp;lt;math&amp;gt;\mathrm{SO}(n)&amp;lt;/math&amp;gt;. Ein Elemente in dieser Gruppe nennt man &amp;#039;&amp;#039;&amp;#039;spezielle orthogonale Matrix&amp;#039;&amp;#039;&amp;#039;. Dabei handelt es sich um eine [[Lie-Gruppe]], d.&amp;amp;nbsp;h. die Gruppenoperationen sind verträglich mit dem Differenzieren in der Gruppe, und Elemente von &amp;lt;math&amp;gt;\mathrm{SO}(n)&amp;lt;/math&amp;gt; lassen sich als Exponentiale von Matrizen aus der zugehörigen [[Lie-Algebra]] darstellen. Die orthogonalen Matrizen mit Determinante minus eins, also die Drehspiegelungen, bilden keine Untergruppe der orthogonalen Gruppe, sondern lediglich eine [[Nebenklasse (Mathematik)|Nebenklasse]], denn ihnen fehlt das neutrale Element.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
== Anwendungen ==&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
=== Lineare Gleichungssysteme ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Die Lösung [[Lineares Gleichungssystem|linearer Gleichungssysteme]] der Form&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;Q \, x = b&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
mit einer orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; und einer rechten Seite &amp;lt;math&amp;gt;b \in \R^n&amp;lt;/math&amp;gt; lässt sich [[Numerische Mathematik|numerisch]] effizient durch&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;x = Q^\mathsf{T} \, b&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
berechnen. Die Ermittlung der Lösung &amp;lt;math&amp;gt;x \in \R^n&amp;lt;/math&amp;gt; erfordert also lediglich eine [[Matrix-Vektor-Multiplikation]], die mit einem Aufwand der [[Landau-Symbole|Ordnung]] &amp;lt;math&amp;gt;O(n^2)&amp;lt;/math&amp;gt; durchgeführt werden kann. Im Vergleich dazu benötigt die Lösung allgemeiner linearer Gleichungssysteme beispielsweise mit Hilfe der [[Gauß-Elimination]] einen Aufwand &amp;lt;math&amp;gt;O(n^3)&amp;lt;/math&amp;gt;. Dieser Vorteil wird beispielsweise bei der (reellen) [[Diskrete Fourier-Transformation|diskreten Fourier-Transformation]] und der [[Diskrete Kosinustransformation|diskreten Kosinus-Transformation]] genutzt.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
=== Matrixzerlegungen ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Eine weitere Anwendung orthogonaler Matrizen ist die [[QR-Zerlegung]] einer gegebenen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;A \in \R^{m \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; als Produkt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;A = Q \, R&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
einer orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{m \times m}&amp;lt;/math&amp;gt; und einer oberen [[Dreiecksmatrix]] &amp;lt;math&amp;gt;R \in \R^{m \times n}&amp;lt;/math&amp;gt;. Die Konstruktion der Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q&amp;lt;/math&amp;gt; kann dabei mit [[Givens-Rotation]]en, die Drehungen entsprechen, oder [[Householdertransformation]]en, die Spiegelungen entsprechen, durchgeführt werden. QR-Zerlegungen werden in der Numerik bei der Lösung schlecht konditionierter, überbestimmter oder unterbestimmter linearer Gleichungssysteme eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsfeld besteht in der Berechnung von Eigenwertproblemen mit dem [[QR-Algorithmus]].&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Mit Hilfe der [[Singulärwertzerlegung]] lässt sich jede reelle Matrix &amp;lt;math&amp;gt;A \in \R^{m \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; auch als Produkt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;A = U \, \Sigma \, V^\mathsf{T}&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
einer orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;U \in \R^{m \times m}&amp;lt;/math&amp;gt;, einer [[Diagonalmatrix]] &amp;lt;math&amp;gt;\Sigma \in \R^{m \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; und der Transponierten einer weiteren orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;V \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; darstellen. Die Diagonaleinträge der Matrix &amp;lt;math&amp;gt;\Sigma&amp;lt;/math&amp;gt; sind dann die Singulärwerte von &amp;lt;math&amp;gt;A&amp;lt;/math&amp;gt;. Die Singulärwertzerlegung wird beispielsweise in der [[Geometrie]] bei der [[Hauptachsentransformation]] von [[Quadrik]]en und in der [[Statistik]] bei der [[Hauptkomponentenanalyse]] multivariater Datensätze eingesetzt.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Eine quadratische Matrix &amp;lt;math&amp;gt;A \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; kann mittels der [[Polarzerlegung]] auch als Produkt&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;A = Q \, P&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
einer orthogonalen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;Q \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; und einer [[positiv semidefinit]]en symmetrischen Matrix &amp;lt;math&amp;gt;P \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt; faktorisiert werden.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
=== Orthogonale Abbildungen ===&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
Ist &amp;lt;math&amp;gt;(V, \langle \cdot, \cdot \rangle)&amp;lt;/math&amp;gt; ein &amp;lt;math&amp;gt;n&amp;lt;/math&amp;gt;-dimensionaler reeller [[Skalarproduktraum]], dann lässt sich jede [[lineare Abbildung]] &amp;lt;math&amp;gt;f \colon V \to V&amp;lt;/math&amp;gt; nach Wahl einer Orthonormalbasis &amp;lt;math&amp;gt;\{ e_1, \ldots , e_n \}&amp;lt;/math&amp;gt; für &amp;lt;math&amp;gt;V&amp;lt;/math&amp;gt; durch die [[Abbildungsmatrix]]&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;A_f = ( a_{ij} ) \in \R^{n \times n}&amp;lt;/math&amp;gt;&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
darstellen, wobei &amp;lt;math&amp;gt;f(e_j) = a_{1j}e_1 + \dotsb + a_{nj}e_n&amp;lt;/math&amp;gt; für &amp;lt;math&amp;gt;j=1, \dotsc , n&amp;lt;/math&amp;gt; ist. Die Abbildungsmatrix &amp;lt;math&amp;gt;A_f&amp;lt;/math&amp;gt; ist nun genau dann orthogonal, wenn &amp;lt;math&amp;gt;f&amp;lt;/math&amp;gt; eine [[orthogonale Abbildung]] ist. Dies folgt aus&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
: &amp;lt;math&amp;gt;\langle f(v), f(w) \rangle = (A_fx)^\mathsf{T}(A_fy) = x^\mathsf{T}A_f^\mathsf{T}A_fy = x^\mathsf{T} y = \langle v, w \rangle&amp;lt;/math&amp;gt;,&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
wobei &amp;lt;math&amp;gt;v=x_1 e_1+ \dotsb + x_n e_n&amp;lt;/math&amp;gt; und &amp;lt;math&amp;gt;w=y_1 e_1 + \dotsb + y_n e_n&amp;lt;/math&amp;gt; sind.&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
== Siehe auch ==&lt;br /&gt;
* [[Euklidische Transformation]]&lt;br /&gt;
* [[Orthogonalisierungsverfahren]]&lt;br /&gt;
* [[Orthogonaler Tensor]]&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
== Literatur ==&lt;br /&gt;
* {{Literatur&lt;br /&gt;
   |Autor=[[Gerd Fischer (Mathematiker)|Gerd Fischer]]&lt;br /&gt;
   |Titel=Lineare Algebra. (Eine Einführung für Studienanfänger)&lt;br /&gt;
   |Auflage=14., durchgesehene&lt;br /&gt;
   |Verlag=Vieweg&lt;br /&gt;
   |Datum=2003&lt;br /&gt;
   |ISBN=3-528-03217-0}}&lt;br /&gt;
* {{Literatur&lt;br /&gt;
   |Autor=Jörg Liesen, [[Volker Mehrmann]]&lt;br /&gt;
   |Titel=Lineare Algebra&lt;br /&gt;
   |Verlag=Springer&lt;br /&gt;
   |Ort=Berlin, Heidelberg&lt;br /&gt;
   |Auflage=3&lt;br /&gt;
   |Datum=2021&lt;br /&gt;
   |ISBN=978-3-662-62741-9&lt;br /&gt;
   |DOI=10.1007/978-3-662-62742-6}}&lt;br /&gt;
* {{Literatur&lt;br /&gt;
   |Autor=Hans Rudolf Schwarz, Norbert Köckler&lt;br /&gt;
   |Titel=Numerische Mathematik&lt;br /&gt;
   |Verlag=Springer&lt;br /&gt;
   |Datum=2009&lt;br /&gt;
   |ISBN=978-3-8348-0683-3}}&lt;br /&gt;
* {{Literatur&lt;br /&gt;
   |Hrsg=[[Eberhard Zeidler (Mathematiker)|Eberhard Zeidler]], [[Wolfgang Hackbusch]]&lt;br /&gt;
   |Titel=Taschenbuch der Mathematik&lt;br /&gt;
   |Band=1&lt;br /&gt;
   |Verlag=Springer&lt;br /&gt;
   |Datum=2012&lt;br /&gt;
   |ISBN=978-3-8351-0123-4}}&lt;br /&gt;
* {{EoM|Autor=D. A. Suprunenko|Titel=Orthogonal matrix|Url=https://encyclopediaofmath.org/wiki/Orthogonal_matrix}}&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
== Weblinks ==&lt;br /&gt;
* {{MathWorld |author=Todd Rowland |id=OrthogonalMatrix |title=Orthogonal Matrix}}&lt;br /&gt;
* {{PlanetMath|author=akrowne |id=orthogonalmatrices |title=Orthogonal matrices}}&lt;br /&gt;
&lt;br /&gt;
[[Kategorie:Matrix]]&lt;/div&gt;</summary>
		<author><name>imported&gt;Mathze</name></author>
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