Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
lection9.doc
Скачиваний:
11
Добавлен:
11.11.2019
Размер:
979 Кб
Скачать
☆

Лекція 9 Евклідові простори

§1. Основні поняття

А) Скалярний добуток

Введемо у векторному просторі спосіб вимірювання довжин векторів і кутів між ними. Для цього використаємо поняття скалярного добутку.

У звичайному тривимірному просторі скалярним добутком двох векторів називається добуток їх довжин, помножений на косинус кута між ними. Для векторів х та у їх скалярний добуток позначається (х, у). Отже,

(x, y)= (x,y).

Властивості:

  1. x, y V [(x, y)=(y, x)]. В комплексному просторі (х, у)=

  2. x, y V , [(αx, y)=α(x, y)].

  3. x, y, z V [(x+y, z)=(x, z)+(y, z)].

  4. x V [(x, x) ≥ 0, причому із (х, х)=0 випливає х=0].

У п - вимірному векторному просторі V вважається заданим скалярний добуток, якщо кожній парі векторів x, y V поставлено у відповідність число (х, у) так, що виконуються умови 1-3.

Векторний простір, в якому заданий скалярний добуток, який задовольняє умовам 1 - 4, називається евклідовим простором.

Із рівностей 1-3 випливають співвідношення:

2′. (x, αy)=(αy, x)=α(y, x)=α(x, y) (V - дійсний),

(x, αy)= = = (x, y) (V – комплексний),

3′. (z, x+y)=(x+y, z)=(x, z)+(y, z)=(z, x)+(z, y).

Приклад.

Якщо в п – вимірному векторному просторі вибрано деякий базис e=(e1,e2,…,en), в якому вектори х та у мають наступні розклади:

x=x1e1+x2e2+…+xnen, y=y1e1+y2e2+…+ynen,

то їх скалярний добуток визначається рівністю:

(x,y)=x1y1+x2y2+…+xnyn

(властивості 1-4 перевіряються безпосередньо).

Довжиною вектора х називається корінь квадратний із його скалярного квадрата:

Кут між векторами х та у визначається рівністю

.

Нерівність Коші-Буняковського.

або або |(x, y)| .

Модуль скалярного добутку двох векторів не перевищує добутку їхніх модулів.

Доведення.

Якщо α – довільне дійсне число , то для вектора х-αу (із умови 4) маємо

(х-αу, х-αу) ≥ 0,

звідки (із 1-3) отримаємо:

(х,х)-2α(х,у)+α2(у,у) ≥ 0.

Отримано квадратний тричлен відносно α. Оскільки він має бути невід’ємним при всіх α, то його дискримінант недодатний, тобто

що й треба довести. ▲

Очевидним є те, що рівність досягається (умова 4) тільки при х-αу=0, тобто х = αу (вектори х та у пропорційні).

Нерівність Коші-Буняковського підтверджує правомірність користування формулою для знаходження cos , оскільки

Вектори х та у, скалярний добуток яких дорівнює нулю, називаються ортогональними.

Б) Ортонормований базис

Базис е1, е2, ..., еп евклідового простору називається ортогональним, якщо при .

Якщо, крім того, при і=1, 2, ..., п, то базис називається ортонормованим.

Теорема 1. Ортогональна система векторів лінійно незалежна.

Доведення.

Нехай ненульові вектори х1, х2, ..., хk попарно ортогональні: (хі,xj)=0 при Розглянемо рівність

α1х1+α2х2+...+αkxk=0

і доведемо, що всі αі=0 при і=1, 2, ..., k. Помножимо обидві частини скалярно на хі, і=1, 2, ..., k. Отримаємо

α1(х1,хі)+α2(х2,хі)+...+ αk(xk,xi)=0,

звідки із врахуванням (xi,xj)=0 при та при всіх і=1, 2, ..., k) випливає, що αі=0 при і=1, 2, ..., k, що й треба довести. ▲

Теорема 2. В кожному евклідовому просторі існують ортонормовані базиси.

Доведення.

Нехай е1, е2, ..., еп – довільний базис простору V. Покладемо

f1=e1,

f2= αf1+e2, причому α підберемо так, щоб вектори f1 і f2 були ортогональними: (е2+αf1,f1)=(e2,f1)+α(f1,f1)=0, звідки .

Оскільки , то знаменник Із лінійної незалежності векторів e1=f1 та e2 випливає, що

Припустимо тепер, що попарно ортогональні ненульові вектори

f1, f2, …, fk-1 вже знайдені. Покладемо

fk=β1f1+β2f2+…+βk-1fk-1+ek

і підберемо числа β1, β2, ..., βk-1 так, щоб вектор fk був ортогональним до всіх попередніх f1, f2, …, fk-1. Для цього потрібно, щоб виконувались рівності

(fk,fi)=βi(fi,fi)+(ek,fi)=0

при і=1, 2, ..., k-1, звідки

.

Знаменник , оскільки всі вектори за припущенням. Оскільки вектори е1, е2, ..., еk лінійно незалежні, то і отриманий вектор fk теж буде ненульовим.

Такий процес продовжуватимемо доти, поки не знайдемо останнього ненульового вектора

fn=γ1f1+γ2f2+…+γn-1fn-1+en,

ортогонального до всіх попередніх векторів f1, f2, …, fn-1. Згідно теореми 1 ортогональні вектори f1, f2, …, fn лінійно незалежні і, отже, утворюють ортогональний базис. Якщо кожний із цих векторів поділити на його модуль, то отримаємо ортонормований базис, утворений векторами

▲

Описаний спосіб отримання ортонормованої системи векторів із заданої лінійно незалежної системи називають процесом ортогоналізації.

Якщо V1 – підпростір V і е1, е2, ..., еk – ортонормований базис V1, то вектори е1, е2, ..., еk можна включити в ортонормований базис всього простору V. Дійсно, для доведення достатньо доповнити е1, е2, ..., еk до базису простору V і здійснити ортогоналізацію отриманої множини векторів, починаючи із

е1, е2, ..., еk.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]