Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Funkts_analiz.pdf
Скачиваний:
90
Добавлен:
09.05.2015
Размер:
760.8 Кб
Скачать

23

§ 4. Неравенство Коши-Буняковского

Теорема. В евклидовом пространстве скалярное произведение произвольных векторов a и b не превышает произведения длин этих векторов, т. е. имеет место неравенство

( )

a b .

(2.5)

a,b

Заметим, что неравенство называют неравенством Коши-Буняковского. Доказательство. Для доказательства неравенства (2.5) заметим, что в согласии с условием 4 определения евклидова пространства, можем написать

(αab, αab)0, (2.6)

где α любое вещественное число. Используя дважды условие 2, можем написать левую часть неравенства (2.6) в виде

(αab, αab)=(αa, αab)(b, αab)=

=(αa, αa)(αa, b)(b, αa)+(b, b).

Воспользовавшись теперь условием 3, получим

(αab, αab)=α2(a, a)α(a, b)α(b, a)+(b, b).

Обратившись к условию 1, запишем неравенство (2.6) окончательно в

виде

α2 (a, a)2α(a, b)+(b, b)0.

Влевой части последнего неравенства стоит квадратный трехчлен относительно α. Так как этот трехчлен неотрицателен при любом α, то его дискриминант не может быть положительным, т. е.

(a, b)2 (a, a)(b, b)0.

Записав последнее неравенство в виде

(a, b)2 (a, a)(b, b)

и извлекая, квадратный корень из обеих частей неравенства, получим (2.5).

24

§ 5. Неравенство треугольника

Для произвольных векторов a и b евклидового пространства выполняется неравенство

 

a+b

 

 

a

 

+

 

b

 

,

(2.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

называемое неравенством треугольника.

Для доказательства справедливости (2.7) заметим, что квадрат длины вектора a + b равен скалярному произведению вектора a + b на самого себя, т. е.

 

2

(

)

 

 

a+b

= a+b, a+b

.

(2.8)

Обращаясь последовательно к условию 2 в определении евклидова пространства два раза, а затем к условию 1, можем написать

(a+b, a+b)=(a, a+b)+(b, a+b)=(a, a)+(a, b)+(b, a)+(b, b)=

=(a, a)+2(a, b)+(b, b)= a 2 +2(a, b)+b 2 .

Используя неравенство Коши-Буняковского, получим

(

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

)

 

a+b, a+b

a

2 +2

a

 

b

+

b

2 =

 

a

+

b

2 .

(2.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из сравнения (2.8) и (2.9) следует справедливость (2.7). Заметим, что если a и b означают векторы, изученные ранее в курсе геометрии, то неравенство (2.7) означает, что длина стороны треугольника не больше суммы длин других его сторон.

25

§ 6. Угол между векторами

Вначале заметим, что на основании неравенства Коши-Буняковского

(a, b)

можно утверждать, что величина a b меньше 1.

Поэтому можно ввести следующее определение.

(

)

называют

Определение 1. Углом между векторами a и b a0, b0

 

такое число ϕ (от 0 до π ), для которого выполняется равенство

cosϕ =

(

a, b)

 

 

(2.10)

 

 

 

 

 

a

 

b

 

 

 

 

Определение 2. Векторы a и b называются ортогональными, если

выполнено равенство

 

 

(

 

)

=0

 

 

 

a, b

 

(2.11)

Если a и b – оба ненулевые, то это

определение означает, что угол

между a и b равен

π

. Нулевой

вектор, по определению,

считается

 

2

 

 

 

 

 

ортогональным любому вектору.

Рассмотрим примеры.

Пример 1. В пространстве векторов, изученных ранее в курсе геометрии,

→ → →

скалярное произведение определено известным образом. Орты i , j, k

попарно взаимно ортогональны.

26

Пример 2. В евклидовом пространстве одностолбцовых матриц, в котором скалярное произведение определено равенством (2.3), векторы

1 2

0 1

0 и 0

# #

0 0

ортогональны.

§ 7. Ортонормированный базис

Определение 1. Базис e1, e2, ..., en евклидова пространства R

называется ортогональным, если векторы базиса попарно ортогональны,

т. е.

( i

,e

j )

=0

при i j.

e

 

Если при этом все векторы базиса единичные, т. е.

 

e

i

 

(

)

 

 

=1,

i=1, 2, 3, ..., n ,

то базис называется ортонормированным.

Теорема. Во всяком n -мерном евклидовом пространстве R имеются ортонормированные базисы.

Доказательство. Доказательство проведем для случая n =3. Пусть e1, e2, e3 – произвольный базис пространства R. Докажем, что с его помощью можно построить ортонормированный базис. Положим e1 =e1, e2 =e2 +α1e1 ,

где α – некоторое вещественное число, которое мы подберем так, чтобы векторы e1 и e2 были ортогональны, то есть

(e2 +α1e1, e1)=0 .

27

Используя условия 2 и 3 определения евклидова пространства, получим

(e2, e1)+α1(e1, e1)=0 ,

откуда получим (так как

e , e

0)

 

 

 

 

 

 

( 1 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

α =−

(e2

, e1)

.

(2.12)

 

 

 

 

 

 

1

(e , e

)

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

Итак, если в качестве α1 взять число, определяемое равенством (2.12), то векторы e1 и e2 будут ортогональны, а так как векторы e1и e2 линейно независимы, то из формулы, определяющей вектор e2 , следует, что он не может стать нулевым. Вектор e3 определим с помощью равенства

e3 =e3 +β1e1 +β2e2 ,

(2.13)

где вещественные числа β1 и

β2 определим так, чтобы вектор

e3 был

ортогонален к векторам e1 и e2 ,

т. е. чтобы выполнялись равенства

 

(e3 +β1e1+β2e2, e1)=0 ;

(e3 +β1e1+β2e2, e2 )=0.

Используя, как и выше, условия 2 и 3 определения евклидова пространства, можем написать

1)

 

1( 1 1)

 

 

 

2

(

 

2

 

1)

 

 

 

 

 

 

( 3

 

+β

 

 

=0;

 

 

 

e

, e

 

 

+β

e , e

 

 

 

 

e

 

 

, e

 

 

 

 

 

 

 

2 )

1( 1

2 )

 

 

 

2(

 

2

 

 

2 )

 

 

 

 

( 3

, e

+β

 

, e

=0,

 

 

 

e

 

 

 

+β

e , e

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

и

 

 

e

2

 

 

(т.

 

 

 

(

1

=0),

откуда, учитывая ортогональность векторов e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е. e , e

 

получим выражение для β1 и β2

 

(e3, e1)

 

 

 

 

 

 

 

 

(e3, e2 )

 

 

 

 

 

β =−

, β

 

 

 

=−

.

 

(2.14)

 

 

 

 

 

 

1

 

 

(e , e )

 

2

 

 

 

 

(e

2

, e

2

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28

Итак, если в качестве β1 и β2 взять числа, определяемые равенствами

(2.14), то вектор e3 будет ортогонален векторам e1 и e2 , так как векторы e1 , e2 , e3 линейно независимы, то вектор e3 не может быть нулевым (вектор e3

выражается с помощью (2.13) в виде линейной комбинации векторов e1 , e2 , e3 ).

Базис e1 , e2 , e3 – ортогональный. Но для того чтобы сделать его ортонормированным, следует каждый из векторов e1 , e2 , e3 поделить на его длину. Векторы

e1

;

e2

;

e3

 

 

 

 

 

e

 

e

2

 

e

3

1

 

 

 

 

образуют искомый ортонормированный базис.

Для случая n >3 этот процесс следует продолжать до тех пор, пока не найдем последний вектор.

Примененный здесь способ получения ортонормированного базиса из произвольного базиса носит название процесса ортогонализации.

Естественно, что каждый вектор a в n-мерном евклидовом пространстве R

можно представить в виде

 

a =a1e1 +a2e2 +...+anen ,

(2.15)

где e1, e2, ..., en – некоторый ортонормированный базис, a1, a2, ..., an

координаты вектора в этом базисе. Отметим, что для координат a1, a2, ..., an

имеют место равенства

i

(

i )

(

)

a

= a, e

,

i=1, 2, 3, ..., n ,

которые получатся, если умножить обе части равенства (2.15) на ei .

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]