Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Глава 5

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
911.85 Кб
Скачать

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Евклидовы и унитарные пространства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 5.1. Определение евклидова пространства

 

 

Говорят, что в действительном

 

линейном пространстве L определено

скалярное произведение, если каждой паре векторов

x, y L поставлено в со-

ответствие действительное число, обозначаемое

x, y , причем это соответ-

ствие удовлетворяет следующим аксиомам:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

x, y L;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

. x, y y, x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0

. x, y x, y x, y L, R;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

. x

y, z

x, z y, z

x, y, z L;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

0

. x, x 0

при x и

x, x 0 при x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Действительное линейное пространство, в котором определено скалярное

произведение векторов, называется евклидовым пространством.

 

 

Для любых двух векторов

x и y евклидова пространства справедливо не-

равенство КошиБуняковского:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x, y

2

x, x y, y .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Знак равенства в

5.1.1

 

имеет место тогда и только тогда, когда векторы x

и

y коллинеарны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример. Докажите, что скалярное произведение в арифметическом про-

странстве R

3

можно ввести по формуле: если

 

x 1

, 2 , 3

, y 1, 2 , 3 , то

 

 

x, y 10 1 1 3 1 2 3 2 1 2 2 2 2 3 3 2 3 3 .

 

 

 

Доказательство. Покажем, что аксиомы скалярного произведения выпол-

няются:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. x, y 10

3

 

2

3

2

 

2

2

 

2

 

2

 

3

 

3

 

2

 

3

 

3

 

 

 

 

 

 

1

 

1

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

1

3

2

3

2

 

1

2

 

 

2

 

 

 

3

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

3

 

3

 

 

2. x,

Пусть

3. x

y, x

 

x, y R

3

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y 10

 

 

3

 

 

2

3

2

2

2

 

2

 

2

 

3

 

3

 

2

 

 

 

1

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

3

10

 

 

3

 

2

3

2

 

2

2

 

2

 

2

 

3

 

 

2

 

 

3

 

3

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

x, y

 

x, y R

3

, R;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 1 , 2 , 3 . Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y, z 10 1 1 1 3 1 1 2 3 2 2 1 2 2 2 22 2 3 3 3 2 3 3 310 1 1 1 2 3 2 1 2 2 2 2 3 3 2 3 3

10 1 1 3 1 2 3 2 1 2 2 2 2 3 3 2 3 3

 

 

 

 

 

x,z y,z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x, y,z R

3

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. x, x

10

2

3

 

 

 

3

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

2

1

2

2

3

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

2

6

 

 

 

 

2

2

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

3

 

 

 

 

2

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

10

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

2

2

3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

2

2

2

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

10

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

10

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

2

 

 

 

11

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

10

 

121

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

причем равенство нулю

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

10

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

2

 

 

11

 

3

 

 

 

 

 

11

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

возможно, если

3

 

0,

2

 

 

0, 1 0

, т.е.

x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.1. Докажите, что из аксиом скалярного произведения вытекают следу-

 

 

ющие свойства:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) x, y1

y2

 

 

x, y1 x, y2

 

 

для любых векторов евклидова пространства;

 

 

 

 

б ) x, y x, y

 

для любых векторов x, y

 

евклидова пространства и любого

 

 

 

 

действительного числа

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в)

 

x x

 

, y

 

 

 

 

x

, y

 

 

 

 

x

 

, y ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г)

, x

 

0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д) i xi , j y j

 

i j xi , y j .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

 

 

j 1

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1 j 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.2.Докажите, что в любом действительном линейном пространстве можно определить скалярное произведение.

5.1.3.Введите скалярное произведение в n - мерном арифметическом про-

странстве

R

n

.

 

5.1.4. Введите скалярное произведение в пространстве нов с действительными коэффициентами степени n .

Mn R многочле-

5.1.5. Пусть

A

 

ij

 

,

B

 

ij

 

 

- квадратные матрицы порядка n над полем

R

. Покажите, что формула

nn

A, B ij ij

i1 j 1

определяет скалярное произве-

дение в линейном пространстве матриц Rn,n .

5.1.6. Пусть x 1

, 2 и y 1, 2 - произвольные векторы арифмети-

ческого пространства R

2

. Какая из следующих формул определяет скалярное

 

произведение:

а) x, y 1 1 2 2 ;

б) x, y a 1 1 b 2 2 , a 0, b 0; в) x, y 1 1 2 2 2 2 1;

г)

 

x, y

 

2

 

2

 

 

 

 

2

 

2

?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.7. Докажите, что скалярное произведение в

R

2

можно задать формулой

 

 

 

 

 

 

x, y

 

a

b

b

2

 

1

c

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в том и только том случае, если одновременно a 0

и ac b

2

.

 

 

 

 

 

 

 

5.1.8. Пусть a -

фиксированный вектор евклидова пространства L ,

-

фиксированное действительное число. Будет ли множество всех векторов

x ,

для которых

x, a , линейным подпространством пространства L ?

 

 

 

 

 

5.1.9. Линейное пространство

 

L разлагается в прямую сумму подпро-

странств

L1, , Lp

. На каждом из подпространств

 

Li

определено скалярное

произведение. пространстве

Докажите, что можно L , положив: если x и y

ввести скалярное произведение во всем - произвольные векторы из L с разложе-

ниями

 

 

по

подпространствам

L1

, , Lp

соответственно

x x1

x p

y y1 y p

, то

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x, y x

 

, y

 

x

 

, y

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где скалярное произведение

x

, y

 

вычисляется по правилу, заданному в

L .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

i

i

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

5.1.10. В арифметическом пространстве

R

для векторов

x

и y

вида

 

 

 

 

 

~

 

 

 

1

 

2

 

 

~

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

,

 

 

,0,0 , y

 

,

 

 

,0,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

определено скалярное произведение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~ ~

 

 

 

 

 

 

1 1

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x , y

1

 

2

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а для векторов

 

вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x и

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

0,0, 3 , 4 ,

~

 

0,0, 3 , 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- скалярное произведение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~ ~

 

 

 

 

3 3 3 4 4 3 2 4 4 .

 

 

 

 

 

 

 

x , y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

Введите (по способу,

описанному в задаче 5.1.9.) скалярное произведение во

всем пространстве R

4

. Вычислите по полученному правилу скалярное произ-

 

ведение векторов x

1,2,3,4 и y 3,1 3,2 .

 

 

 

 

§ 5.2. Длины и углы. Ортогональность. Процесс ортогонализации

 

 

 

 

 

 

ГрамаШмидта. Ортонормированный базис

 

 

 

Вещественное или комплексное линейное пространство

L называется

нормированным пространством,

если каждому вектору x L

поставлено в

соответствии вещественное число

x , называемое нормой (или длиной) век-

тора

x , причем выполнены следующие аксиомы:

 

0

 

0, если

x ,

0;

 

 

1

. x

 

 

2

0

. x x

x L, R или C;

 

 

 

30. x y x y x, y L.

 

 

 

 

Третья аксиома называется неравенством треугольника ( или неравен-

ством Минковского).

 

 

 

 

 

Всякое евклидово пространство является нормированным, если в нем

норму любого вектора

x определить равенством

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2.1

x

 

x, x

 

 

 

 

 

 

Углом

между ненулевыми векторами x, y евклидова пространства

называется угол, косинус которого определяется соотношением

cos

x, y

 

x, y

,

0

x

y

x, x

y, y

 

 

 

 

 

 

5.2.2

 

Если среди векторов x, y есть хоть бы один нулевой, то угол между такими векторами считается неопределенным.

Два ненулевых вектора x и y называются ортогональными, если угол между ними равен 2 , т.е. если x, y 0 .

Система векторов называется ортогональной, если в ней все векторы попарно ортогональны.

Во всяком евклидовом пространстве справедлива теорема Пифагора: ес-

ли векторы x и y ортогональны, то

x y

2

 

x

2

 

y

2

.

 

 

 

Вектор x называется нормированным, если

x

1.

Система векторов называется нормированной, если нормированы все ее

векторы.

 

 

 

 

Любой ненулевой вектор

x

можно нормировать, если умножить его на

число

1

.

 

 

 

 

 

 

x

 

 

Нормированная ортогональная система векторов называется ортонорми-

рованной.

Во всяком n - мерном евклидовом пространстве существует ортонормированный базис.

Любую ортонормированную систему векторов можно дополнить до орто-

нормированного базиса.

 

От любой линейно независимой системы векторов

x1 , x2 , , xm евклидова

пространства можно перейти к ортогональной системе

y1 , y2 , , ym , состоящей

из ненулевых векторов. Такой переход совершается с помощью процесса ор-

тогонализации ГрамаШмидта по следующим формулам:

y

x

;

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

, y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

y

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

, y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

21

 

1

 

 

 

 

 

21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

, y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

, y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

y

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

;

5.2.3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

, y

 

 

 

 

y

 

 

, y

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

31

 

 

1

 

 

 

 

32

 

2

 

 

 

 

 

31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

m

, y

 

 

 

 

 

y

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

i

 

, i 1,2, ,m 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m,m 1

m 1

 

 

y

, y

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

m1

 

1

 

 

 

 

 

m2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если процесс ортогонализации применять к линейно зависимой системе

векторов, то на некотором шаге обязательно получится нулевой вектор.

 

 

 

 

 

 

 

Пусть e1, e2 , , en - ортонормированный базис

 

n - мерного евклидова про-

странства

 

L

 

и для векторов

 

 

x, y L

имеют место разложения

 

 

x e

 

2

e

 

 

n

e

 

,

 

y e

 

 

2

e

 

n

e .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В этом случае справедливы равенства:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x, y

 

 

 

1

 

 

2

 

2

 

n

 

n

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x, x 1

2

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

i

 

 

i 1,2, , n.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x, e

,

 

 

 

 

 

 

y, e

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1. Применяя процесс ортогонализации ГрамаШмидта и нормирование векторов, постройте ортонормированный базис подпространства, натянутого на заданную систему векторов

x1 11,,0,0 , x2 1,0,1,0 , x3 1,0,0,1 .

Считайте,

что в

R

4

скалярное произведение векторов

x 1 , 2 , 3 , 4 и

 

y 1, 2 , 3 , 4

задано формулой

 

 

x, y

1

 

2

 

2

 

 

4

 

4

.

5.2.4

 

1

 

 

 

 

3 3

 

 

 

 

Решение.

Прежде

всего

 

найдем размерность

линейной оболочки

L x1 , x2 , x3

, которая будет совпадать с рангом системы векторов x1, x2 , x3 :

 

x

 

 

 

 

1

1

 

0

0

 

1

1

 

0

 

0

1

 

1

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

1

0

 

1

0

~

 

0

1

 

0 ~

 

0

 

 

1

 

 

0

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

1

0

 

0

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т.е.

dim L x1

, x2 , x3 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По формулам

5.2.3 получим ортогональную систему векторов

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

x

1,1,0,0

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 , y1

 

1 0 0 0

 

1

y

 

 

x

 

 

 

y

 

1,0,1,0

21

 

 

 

 

2

2

21

 

 

 

 

 

 

 

y1, y1

 

 

1 1 0 0

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

,0

 

 

,1 0,0 0

 

 

 

,

 

 

,1,0 y2

 

 

 

,

 

,1,0 ;

2

 

2

 

2

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1 , y2 , y3

:

21 11,,0,0

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0 0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

, y

 

 

 

1 0

0 0

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

, y

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

y

 

 

, y

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

32

y

 

 

 

, y

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

1 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

x

3

 

31

 

1

 

 

32

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

,

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

1,0,0,1

 

 

 

1,1,0,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,1,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

1

,0

 

1

 

1

,0

 

0

1

,1 0

 

 

 

 

 

 

1

,

1

,

1

 

 

y

 

 

1

,

1

,

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,1

 

3

 

 

 

 

,1 .

 

 

 

 

 

 

2

 

 

6

 

 

 

 

2

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

Нормируя векторы

y1

, y2

, y3

, придем к ортонормированной системе векторов:

1

 

1

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

1

y

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

y

 

 

 

 

 

1,1,0,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,0,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

, y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

1

,

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

,

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2 , y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,1,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

6

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

1

y

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

1

1

,

1

,

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

,

 

1

,

 

 

1

,

3

 

.

 

 

 

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y3 , y3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 3

 

 

 

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

2

 

3

 

 

2

 

3

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Система векторов

подпространства

L

z1 ,

x

,

1

 

z2 , z3

x

2

, x

3

 

 

является искомым ортонормированным базисом

.

Пример 2. Дополните ортонормированную в смысле скалярного произве-

дения 5.2.4 систему векторов x

 

1

1111,,, , x

 

 

 

1

 

 

1,3, 1, 1 до ортонор-

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

6

 

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мированного базиса пространства

R

4

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Поскольку dim R4 4 ,

систему векторов x , x

2

необходимо до-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

полнить до ортонормированного базиса еще двумя векторами

x3 , x4 . Решение

задачи

проведем

1

 

 

 

2

 

 

1,

y

1,1,1,1 , y

 

 

в

3, 1,

1

два этапа. Сначала систему дополним до ортогонального базиса

y

,

1

 

векторов y2 , y3 , y4 ,

а затем векторы y3 и y4 пронормируем.

 

Пусть

y

 

 

3

,

3

,

3

,

3

 

. В силу того, что

 

3

1

2

3

4

 

 

 

 

 

 

 

 

сываем в матричном виде однородную систему которую получаем:

y1 , y3 0

и

y2 , y3 0

, запи-

линейных уравнений, решая

 

1

 

 

1

 

1

 

 

 

1

1

 

1

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

1

 

 

 

 

~

 

 

 

4

 

0

;

 

 

1

 

 

 

1

0

 

 

0

 

 

 

 

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

, 4

- свободные переменные;

 

 

4

3

0

3

0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

3

 

3

 

3

 

3

 

3

.

1

 

 

2

3

4

 

3

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

1,

3

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбрав

3

 

4

 

, фиксируем

Аналогично найдем

 

y

 

 

 

4

,

4

,

 

4

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

:

y

3

 

3

4

,

4

3

4

 

 

.

1,0,1,0 .

Единственное отличие состоит в

том, что теперь уравнений: y1 , y

решать

4 0 ,

придется

y

2

, y

4

0

 

 

 

однородную

и y3 , y4 0

систему не из двух, а из трех

.

 

1

1

1

1

 

1

1

1

1

 

1

1

1

1

 

1

1

1

 

1

3

1

 

 

~

 

0

4

0

 

~

 

0

1

2

 

~

 

0

1

2

 

1

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

0

 

 

 

0

1

2

 

 

 

0

1

0

 

 

 

0

0

2

 

 

 

 

1

 

 

0

 

 

1 1 1

.

4

 

 

 

4

 

- свободная переменная;

34 1 44 ;

2

24 2 34 44 44 44 0;

 

4

 

 

4

 

4

 

4

 

 

1

 

4

 

 

 

4

 

1

 

4

.

1

 

2

 

3

4

 

 

2

4

 

 

4

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

y4

1,0, 1,2 .

 

 

 

Положим

4

. Тогда

 

 

 

x3

1

 

y3

 

 

1

 

 

 

y3

 

 

 

1

 

1,0,1,0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y3

 

 

y3 , y3

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

x

4

 

1

 

y

4

 

 

 

 

1

 

 

 

y

4

 

1

 

 

 

1,0, 1,2 .

 

 

 

 

 

y4

 

 

 

 

 

y4 , y4

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Построен ортонормированный базис x1 , x2 , x3 , x4 пространства R4 .

Подчеркнем, что данная задача имела не единственное решение. Выбирая зна-

 

 

 

 

3

3

4

0), мы по-

чения свободных переменных другими (кроме 3

0, 4

0, 4

 

лучили бы другие векторы x3 и x4 .

 

 

 

 

5.2.1. Как изменится угол между ненулевыми векторами x и

y , если

а) умножить вектор

x на положительное число;

 

 

 

 

б ) умножить вектор

x на отрицательное число;

 

 

 

 

в) умножить оба вектора на отрицательные числа?

 

 

 

 

В последующих задачах по аналогии с трехмерным евклидовым простран-

ством упорядоченная тройка векторов x, y и x y произвольного евклидова

пространства рассматривается как треугольник,

о котором говорят, что он

“натянут на векторы

x

и y ”. Точно так же считается, что параллелограмм,

натянутый на векторы x

и y , имеет диагоналями векторы x y и

x y .

5.2.2. В треугольнике, натянутом на векторы

x 2, 1,3, 2

и y 3,1,5,1

пространства R

4

, найдите длины сторон. Определите углы между сторонами

 

треугольникавекторами

x, y и x y . Какие из этих углов естественно считать

внутренними углами треугольника, какиевнешними? Скалярное произведение

определено формулой 5.2.4

 

.

 

 

 

 

 

 

5.2.3. Сформулируйте и докажите теорему косинусов для треугольника,

натянутого на векторы x и

y произвольного евклидова пространства.

 

 

5.2.4. Докажите, что в произвольном треугольнике евклидова простран-

ства:

 

 

 

а)

длина каждой стороны не превосходит суммы длин двух других сторон;

 

б )

длина каждой стороны не меньше, чем абсолютная величина разности длин

 

двух других сторон.

 

 

 

 

5.2.5. Докажите, что в параллелограмме, натянутом на векторы x и

y ,

сумма квадратов длин диагоналей равна сумме квадратов длин сторон.

 

 

5.2.6. Докажите, что в евклидовом пространстве L :

 

а)

нулевой векторединственный, который обладает тем свойством, что он ор-

 

тогонален ко всем векторам пространства;

 

б )

если равенство a, x

b, x справедливо для любого вектора x L ,

то

 

a b .

 

 

 

 

5.2.7. Докажите, что если x, y, , z - ортогональная система векторов,

то

для любых чисел , , ,

система векторов x, y, , z также будет ортого-

нальна.

 

 

 

 

5.2.8. Докажите, что если вектор x ортогонален к каждому из векторов

y1 , y2 , , ym , то он ортогонален и к любой линейной комбинации этих векто-

ров.

 

 

 

5.2.9. Докажите, что ортогональная система ненулевых векторов линейно независима.

5.2.10. Применив процесс ортогонализации, найдите ортонормированный базис в пространстве M2 R многочленов степени не более двух, взяв за ис-

ходный базис многочлен дано формулой:

1, t, t

2

 

, если скалярное произведение многочленов за-

а) б )

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

f , g

 

 

f

t

 

g t

dt;

 

 

 

1

 

 

 

 

 

f, g 0 0 1 1 2

5.2.11.В пространстве

2

, если

Mn R

 

 

 

 

0

1

2

 

2

 

 

f

t

 

 

 

t

 

t

 

, g t

 

многочленов степени не

 

0

 

 

 

более

1t n

2t

2

.

 

задайте

скалярное произведение так, чтобы базис

ным.

 

t

2

 

t

n

1,t,

 

, ,

 

2!

n!

 

 

стал ортонормирован-

 

 

5.2.12. Пусть

R

4

-

арифметическое

 

 

 

произведение определено формулой

 

 

 

 

x, y

 

 

 

 

2

 

2

2

 

2

 

2

 

3

 

1 1

1 2

 

 

1

 

 

 

 

пространство, в котором скалярное

 

2

2

3

 

4

 

 

3

2

 

4

3

3

3

4

 

4

 

где x 1, 2 , 3 , 4 , y 1, 2 , 3 ,

Применив процесс ортогонализации,

4 - произвольные векторы из

R

4

.

 

найдите ортонормированный базис про-

странства R

4

, взяв за исходный базис:

 

 

 

а) e

1,0,0,0 ,

e

0,1,0,0 , e

 

0,0,1,0 ,

e

1

 

 

 

2

 

3

 

 

4

б) e

1, 1,0,0 , e

 

0,1, 1,0 ,

e

0,0,1, 1 ,

1

 

 

 

2

 

3

 

 

0,0,0,1 ;

e

1,0,0,1

4

 

R

n

 

В дальнейшем предполагается, что

скалярное произведение векторов

x

в арифметическом

1 , 2 , , n и

y

пространстве

 

1

 

2

 

n

 

 

,

 

, ,

 

задано формулой

 

 

 

1

1

 

2

 

 

x, y

 

 

 

 

 

 

2

 

n

n

.

 

 

5.2.5

5.2.13. Убедитесь, что векторы x1, x2 ортогональны, и дополните систему

x1, x2

до ортогонального базиса, если

 

 

 

а) x

1, 2,2, 3 ,

 

x

2, 3,2,4 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) x1 111,,,2 ,

x2

 

1,2,3, 3 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) x

1, 2,1,3 ,

x

 

2,1, 31, ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1, 11,, 3 ,

 

2

4,15,,0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) x

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2.14. Дополните систему

x1

, x2

до ортонормированного базиса, если

а) x

 

 

11

,

2

,

2

 

x

 

 

 

 

 

2

 

,

14

,

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

1

 

 

 

 

15

 

 

 

 

15

3

 

 

 

2

 

 

 

 

15

 

 

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

2

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) x1

 

 

 

 

,

 

 

,

 

 

 

,

x2

 

 

 

,

 

,

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 3 3

 

 

 

 

 

3 3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

1

 

 

1

в) x1

 

 

 

 

,

 

 

 

 

,

 

 

,

 

 

,

x2

 

 

 

 

 

,

 

,

 

,

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2 2 2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2 2

 

 

 

5.2.15. Применяя процесс ортогонализации, постройте ортогональный ба-

зис линейной оболочки

x1 , x2 , , xk , если:

 

 

 

а) x

2,3, 4, 6 ,

 

x

 

 

18,, 2, 16 ,

x 12,5, 14,5 , x 311,,4, 7 ;

1

1,1, 1, 2 ,

 

2

5,8, 2, 3 ,

 

 

3

 

 

4

б) x

x

 

x

 

3,9,3,8 ;

 

 

 

1

2,1,3, 1 , x

 

2

 

 

 

3

 

 

 

 

в) x

 

7,4,3, 3 , x

 

11,, 6,0 , x

6,7,7,8 ;

1

2

 

 

 

3

 

 

 

4

 

 

г) x

11,, 1, 2 ,

x

2,1511,, ,

x

 

0,3,3,7 ,

x

 

3, 3, 3, 9 .

1

 

 

2

 

 

 

3

 

 

4

 

§ 5.3. Ортогональное дополнение. Ортогональные суммы подпространств

Два подпространства называются ортогональными, если каждый вектор одного подпространства ортогонален каждому вектору другого подпространства . Ортогональность подпространств L1 и L2 обозначается L1 L2 .

Для того чтобы вектор

x

был ортогонален к подпространству

L

,

1

 

необхо-

димо и достаточно, чтобы он был ортогонален ко всем векторам какого-либо

базиса подпространства

L1 .

Для того чтобы два подпространства были ортогональными, необходимо и достаточно , чтобы каждый вектор какого-либо базиса одного подпространства был ортогонален ко всем векторам какого-либо базиса дру-

гого подпространства.

 

 

Сумма S подпространств

L1, L2 , , Lm называется ортогональной и обо-

значается S L1 L2 Lm ,

если подпространства попарно ортогональны.

Ортогональная сумма ненулевых подпространств всегда является прямой

суммой.

 

 

Совокупность всех векторов, ортогональных к линейному подпростран-

ству L1 евклидова пространства L,

называется ортогональным дополнением

подпространства L и обозначается

L .

1

 

1

Евклидово пространство

L

есть ортогональная сумма любого своего ли-

нейного подпространства L1

 

 

 

 

и его ортогонального дополнения L1 , т.е.

 

 

 

L L L .

 

5. 3.1

 

1

1

 

 

 

 

 

Любой вектор x из евклидова пространства L всегда можно представить,

причём единственным образом, в виде

 

 

 

 

x g h,

 

 

 

 

 

 

5. 3.

2

 

где

g принадлежит некоторому подпространству L1 , h ортогонален к L1 .

Век-

тор g называется ортогональной проекцией вектора

x на подпространство

L1,

а h - перпендикуляром,

опущенным из x на L1 .

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]