4 Билинейные и квадратичные формы
В этом параграфе мы будем опять заниматься аффинным пространством, а именно, будем изучать простейшие числовые функции от векторов в аффинном пространстве.
1 Линейная функция.
Простейшей функцией в аффинном пространстве является линейная функция.
Определение
4.1
Говорят, что в аффинном пространстве
задана линейная
функция (линейная форма), если каждому
вектору
поставлено
в соответствие число
,
так что при этом выполнены условия:
1
.
2
.
Выберем
в
-мерном
пространстве произвольный базис
.
Так как каждый вектор
можно
представить в виде
то в силу свойств линейной функции имеем:
Итак: в -мерном пространстве с заданным базисом линейная функция может быть представлена в виде
|
(1) |
где
--
постоянные, зависящие лишь от выбора
базиса, а
--
координаты вектора в этом базисе.
Таким образом, данное выше определение линейной функции совпадает, по существу, с принятым в алгебре определением линейной функции (линейной формы); надо лишь иметь в виду, что в нашем случае коэффициенты зависят от выбора базиса.
Выясним, как меняются коэффициенты линейной функции при замене одного базиса другим.
Пусть
и
--
два базиса в
.
Пусть, далее, векторы
выражаются
через базис
формулами
Пусть в базисе линейная функция выражается формулой
а в базисе -- формулой
Так
как
,
а
,
то
Мы видим, следовательно, что коэффициенты линейной формы преобразуются при переходе к другому базису так же, как векторы базиса (или, как иногда говорят, когредиентно векторам базиса).
Пример
1
1. В пространстве, векторами которого
являются непрерывные функции
,
заданные на отрезке
,
рассмотрим функцию
,
заданную формулой
Эта функция линейна, так как выполняются условия 1 и 2 .
Действительно, первое из них означает, что интеграл суммы равен сумме интегралов, а второе означает, что постоянный множитель можно выносить за знак интеграла.
Пример
2
2. В том же пространстве рассмотрим
функцию
,
определенную следующим образом. Выберем
на отрезке
некоторое
значение
и
положим
Проверьте, что эта функция также линейна.
2 Билинейные формы.
Существенную роль в дальнейшем будут играть билинейные и квадратичные функции (формы).
Определение
4.2
Мы говорим, что
есть билинейная
функция (билинейная форма) от
векторов
и
,
если:
1 при фиксированном есть линейная функция от ,
2 при фиксированном есть линейная функция от .
Иными словами, в силу определения линейной функции условия 1 и 2 означают соответственно
Примеры 1. Рассмотрим -мерное пространство, в котором вектор есть совокупность чисел. Положим
|
где
есть
вектор
,
а
--
вектор
.
Формула (2) определяет билинейную функцию.
В самом деле, если зафиксировать
,
т.е. считать
постоянными,
то
зависит
от
линейно,
т.е. есть линейная функция от
,
а при постоянных
форма
--
линейная функция от
.
2.
В пространстве, в котором векторами
являются непрерывные функции
,
рассмотрим следующий пример билинейной
функции. Пусть
--
некоторая непрерывная функция
переменных
и
.
Положим
есть
билинейная функция векторов
и
.
Действительно, условия 1 и 2 проверяются так же, как и в примере 1 предыдущего пункта.
Если
,
то
т.е.
есть
произведение линейных функций
и
.
Упражнение
Показать, что если
и
--
линейные функции, то их произведение
есть
билинейная функция.
Определение 4.3 Билинейная функция (форма) называется симметрической, если для любых векторов и имеет место равенство
В приведенном
выше примере 1 определенная формулой
(2) билинейная форма
симметрична
тогда и только тогда, когда
для
любых
и
.
Скалярное
произведение
в
евклидовом пространстве является
примером симметрической билинейной
формы.
В самом деле, аксиомы 1 , 2 , 3 скалярного произведения ( 2) как раз и означают, что скалярное произведение есть симметрическая билинейная форма.
