Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Skalární součin. študenti MFF 15. augusta 2008

Podobné dokumenty
Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

PROSTORY SE SKALÁRNÍM SOUČINEM. Definice Nechť L je lineární vektorový prostor nad R. Zobrazení L L R splňující vlastnosti

Skalární součin dovoluje zavedení metriky v afinním bodovém prostoru, tj. umožňuje nám určovat vzdálenosti, odchylky, obsahy a objemy.

Lineární algebra : Skalární součin a ortogonalita

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

Necht L je lineární prostor nad R. Operaci : L L R nazýváme

11. Skalární součin a ortogonalita p. 1/16

Lineární algebra : Metrická geometrie

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

6 Skalární součin. u v = (u 1 v 1 ) 2 +(u 2 v 2 ) 2 +(u 3 v 3 ) 2

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Program SMP pro kombinované studium

15 Maticový a vektorový počet II

2. prosince velikosti symboly a, b, je b ω a b = a b cosω (1) a. ω pro ω π/2, π platí a b = b a a (3) a b = a 1 b 1 + a 2 b 2 + a 3 b 3 (5)

2 Vektorové normy. Základy numerické matematiky - NMNM201. Definice 1 (Norma). Norma je funkcionál splňující pro libovolné vektory x a y a pro

METRICKÉ A NORMOVANÉ PROSTORY

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Matematika I 12a Euklidovská geometrie

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Zdrojem většiny příkladů je sbírka úloh 1. cvičení ( ) 2. cvičení ( )

Eukleidovský prostor a KSS Eukleidovský prostor je bodový prostor, ve kterém je definována vzdálenost dvou bodů (metrika)

Skalární součin je nástroj, jak měřit velikost vektorů a úhly mezi vektory v reálných a komplexních vektorových prostorech.

Primitivní funkce a Riemann uv integrál Lineární algebra Taylor uv polynom Extrémy funkcí více prom ˇenných Matematika III Matematika III Program

Matice. Předpokládejme, že A = (a ij ) je matice typu m n: diagonálou jsou rovny nule.

7. Lineární vektorové prostory

Lineární zobrazení. 1. A(x y) = A(x) A(y) (vlastnost aditivity) 2. A(α x) = α A(x) (vlastnost homogenity)

Četba: Texty o lineární algebře (odkazy na webových stránkách přednášejícího).

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Vlastní čísla a vlastní hodnoty. študenti MFF 15. augusta 2008

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava

Základy matematiky pro FEK

Úvod do lineární algebry

Symetrické a kvadratické formy

Vlastní čísla a vlastní vektory

Dnešní látka Variačně formulované okrajové úlohy zúplnění prostoru funkcí. Lineární zobrazení.

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

6.1 Vektorový prostor

AB = 3 CB B A = 3 (B C) C = 1 (4B A) C = 4; k ]

Matematická analýza pro informatiky I.

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

1 Projekce a projektory

8 Matice a determinanty

Kapitola 5. Symetrické matice

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Diferenciální rovnice. študenti MFF 15. augusta 2008

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

Vlastní číslo, vektor

Definice 28 (Ortogonální doplněk vektorového podprostoru). V k V n ; V k V. (Pech:AGLÚ/str D.5.1)

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

Ortogonální projekce a ortogonální zobrazení

1 Zobrazení 1 ZOBRAZENÍ 1. Zobrazení a algebraické struktury. (a) Ukažte, že zobrazení f : x

19 Eukleidovský bodový prostor

Dnešní látka Opakování: normy vektorů a matic, podmíněnost matic Jacobiova iterační metoda Gaussova-Seidelova iterační metoda

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

Josef Janyška Anna Sekaninová ANALYTICKÁ TEORIE KUŽELOSEČEK A KVADRIK

0.1 Úvod do lineární algebry

Katedra aplikované matematiky FEI VŠB Technická univerzita Ostrava

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

19 Hilbertovy prostory

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

7 Ortogonální a ortonormální vektory

1 Determinanty a inverzní matice

Matematika B101MA1, B101MA2

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

formou exkurzu přibližuje problematiku aplikace lineární algebry ve výpočetní tomografii.

0.1 Úvod do lineární algebry

Josef Janyška Anna Sekaninová ANALYTICKÁ TEORIE KUŽELOSEČEK A KVADRIK

Základní pojmy teorie množin Vektorové prostory

Aplikovaná numerická matematika

Matematika 2 LS 2012/13. Prezentace vznikla na základě učebního textu, jehož autorem je doc. RNDr. Mirko Rokyta, CSc. J. Stebel Matematika 2

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

1 Připomenutí vybraných pojmů

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

α 1 α 2 + α 3 = 0 2α 1 + α 2 + α 3 = 0

1 Vektorové prostory a podprostory

Lineární algebra : Změna báze

Kapitola 11: Vektory a matice:

x 2 = a 2 + tv 2 tedy (a 1, a 2 ) T + [(v 1, v 2 )] T A + V Příklad. U = R n neprázdná množina řešení soustavy Ax = b.

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

Obsah. 1 Lineární prostory 2

a + b + c = 2 b + c = 1 a b = a 1 2a 1 + a a 3 + a 5 + 2a 2 + a 2 + a

Operace s maticemi

1 Kvadratické formy. 2 Matice kvadratické formy. Definice Necht B je bilineární forma na V. Q B : V R. Q B (x) = B(x, x), x V

6. Vektorový počet Studijní text. 6. Vektorový počet

1 Topologie roviny a prostoru

Požadavky ke zkoušce

ftp://math.feld.cvut.cz/pub/olsak/linal/

z textu Lineární algebra

Definice. Vektorový prostor V nad tělesem T je množina s operacemi + : V V V, tj. u, v V : u + v V : T V V, tj. ( u V )( a T ) : a u V které splňují

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

A[a 1 ; a 2 ; a 3 ] souřadnice bodu A v kartézské soustavě souřadnic O xyz

Všechno, co jste kdy chtěli vědět o maticích, ale báli jste se zeptat

A0B01LAA Lineární algebra a aplikace (příklady na cvičení- řešení)

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

Těleso racionálních funkcí

11 Vzdálenost podprostorů

Diferenˇcní rovnice Diferenciální rovnice Matematika IV Matematika IV Program

Transkript:

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Skalární součin študenti MFF 15. augusta 2008 1

10 Skalární součin Požadavky Vlastnosti v reálném i komplexním případě Norma Cauchy-Schwarzova nerovnost Kolmost Ortogonální doplněk a jeho vlastnosti 10.1 Vlastnosti v reálném i komplexním případě Definice Nechť V je vektorový prostor nad C. Potom zobrazení (funkce) z kartézského součinu V V C, které dvojici vektorů x a y přiradí číslo x, y se nazývá skalární součin, pokud splňuje následující axiomy (pro všechny x, x, y V a α, β C): 1. x, x 0, x, x = 0 x = 0 (positivní definitnost) 2. αx + βx, y = α x, y + β x, y (bilinearita) (a) αx, y = α x, y (b) x + x, y = x, y + x, y 3. x, y = y, x (symetrie - komplexně sdružené) Poznámka Pro V nad R a vektory x, y V : x, y = y, x Skalární součin značíme: x, y, x y, x.y... Pozorování x, x = x, x, tedy je nutně reálné ( R) i pro skalární součiny nad C x, αy = αy, x = α. y, x = α. x, y Skalární součin může nabývat záporných hodnot Definice Ekvivalentní definice: Skalární součin je pozitivně definitní (1) bilineární forma (2). V R navíc symetrická (3). V C navíc forma, jejíž matice je hermitovská (3). Příklady Standardní skalární součin pro C n, R n : x, y = x i y i 2

Jiný součin v R n definovaný pomocí regulární matice A řádu n x, y = x T A T Ay (pozorování: x, x = x T A T Ax = (Ax) 2 i ) Skalární součin ve vektorovém prostoru C[a, b] (integrovatelných funkcí na intervalu [a, b]): f, g = b a f(x)g(x)dx 10.2 Norma Definice (Norma) Norma na vektorovém prostoru V (nad R nebo nad C) je zobrazení V R, které přiradí vektoru x V číslo x a splňuje axiomy: 1. x V : x 0, x = 0 x = 0 2. x V, α C(R) : αx = α. x 3. x, y V : x 0, x + y x + y (trojúhelníková nerovnost) Norma x má význam délky vektoru x. Definice (Normovaný vekt. prostor) Vektorový prostor s nějakou normou nazýváme normovaný. Příklady Norma určená skalárním součinem x = x, x Důkaz (1), (2) plyne z axiomů skalárního součinu, (3): x, y 2 x, x y, y x, y x, x y, y x, x + y, y + 2 x, y ( x, x + y, y ) 2 x + y, x + y ( x, x + y, y ) 2 x + y x + y Kde první nerovnost je důsledek Cauchy-Swarzovy nerovnosti... Ze standardního skalárního součinu na R n dostaneme euklidovskou normu (tj. délku vektoru podle Pythagorovy věty) a euklidovskou vzdálenost (vzdálenost bodů u a v je u v ). Každý vektorový prostor se skalárním součinem.,. je normovaným vektorovým prostorem ( x = x, x ), tedy i metrickým prostorem (d(x, y) = x y ) a tedy i topologickým prostorem. 3

L 1 norma na R n : x = x i L 2 norma na C n - Euklidovská norma: x = n x i x i L p norma na R n : x = n p x i p L norma (stejně jako L 1 norma neodpovídá žádnému skalárnímu součinu): x = max,...,n ( x i ) Norma v prostoru integrovatelných funkcí na intervalu [a, b] - C[a, b] f(x) = b a f 2 (x)dx 10.3 Cauchy-Schwarzova nerovnost Věta (Cauchyho-Schwarzova nerovnost) Nechť V je prostor se skalárním součinem nad C a x je norma odvozená ze skalárního součinu. Potom platí: x, y x y ( x, y V ) Důkaz Pro x = 0 nebo y = 0 máme 0 0. Pro libovolné α C platí x + αy 2 0 (platí i bez () 2 ) x + αy 2 = x + αy, x + αy = x, x + αy + α y, x + αy = = x, x + α x, y + α y, x + αα y, y Zvolíme α = x,y (tím se eliminují α x, y a αα y, y ) y,y Po dosazení: 0 x, x + α y, x 0 x, y x, x y, x y, y x, y. y, x x, x. y, y...a po odmocnění x, y 2 x 2. y 2 x, y x. y 4

Druhý možný důkaz Nadefinujeme proměnnou t R a zavedeme funkci p(t) := u + t v, u + t v = u + tv 2 Víme: p(t) 0 t R (z axiomu 1 skal. součinu). Z linearity plyne, že u + tv, u + tv = u, u + tv + t v, u + tv = u, u + t u, v + t v, u + t 2 v, v = u 2 + 2t u, v + t 2 v 2. Tj. dostáváme p(t) jako kvadratickou funkci proměnné t: p(t) = t 2 v 2 + 2t u, v + u 2 Protože p(t) má nezáporné hodnoty na celém R, musí mít tato rovnice max. jedno řešení, tj. diskriminant při počítání kořenů nesmí být kladný: D = b 2 4ac = 4 u, v 2 4 u 2 v 2 0 Po vydělení čtyřmi a odmocnění dostáváme: u, v u v Platnost trojúhelníkové nerovnosti pro normy odvozené od skalárního součinu tj. normy odvozené od skalárního součinu splňují všechny axiomy normy. Nechť x = (x 1, x 2,..., x n ) T, y = (1, 1,..., 1) T jsou dva vektory, pak pro standardní skalární součin platí x, y = x i 1 x = n y = n po dosazení do Cauchy-Schwarzovy nerovnosti okamžitě dostaneme nerovnost mezi aritmetickým a kvadratickým průměrem 1 x i 1 x 2 i n n x 2 i Ve vektorových prostorech nad R a C lze definovat úhel, svíraný dvěma vektory: cos ϕ = u, v u v a Cauchyho-Schwarzova nerovnost zaručuje, že cos ϕ 1. 5

Z takto definovaného úhlu mezi dvěma vektory plyne i kosinová věta: u v 2 = u 2 + v 2 2 u v cos ϕ 10.4 Kolmost Definice (kolmé vektory) Vektory x a y z prostoru se skalárním součinem jsou vzájemně kolmé (ortogonální), pokud x, y = 0, značíme x y. Definice (ortogonální a ortonormální systém) Soustava (systém) vektorů v 1,..., v n se nazývá ortogonální, jestliže v i, v j = 0 (v i v j ) pro i j (tj. všechny její vektory jsou navzájem kolmé). Platí-li ještě navíc v i = 1 pro i = 1,..., n, jedná se o soustavu ortonormální (vektory jsou kolmé a navíc mají jednotkovou normu). Pozorování Každý systém nenulových vzájemně kolmých vektorů (tj. i ortonormální nebo ortogonální) je lineárně nezávislý. Jestliže ortogonální systém generuje celý vektorový prostor, je jeho bází. Algoritmus (Gram-Schmidtova ortogonalizace) Tento algoritmus zajišťuje převedení libovolné báze (v 1,..., v n ) vektorového prostoru V na ekvivalentní ortogonální bázi (w 1,..., w n ). Ortonormalizace báze už po jeho proběhnutí znamená jen vynásobení každého w i číslem 1 w i. Jeho průběh: 1. Zvolme w 1 := v 1. 2. Pro i postupně od 1 do n opakujme: Najdi w i = v i a i,1 w 1 a i,2 w 2 a i,i 1 w i 1 tak, aby pro j {1,..., i} platilo: w i w j Dá se ukázat že koeficienty a i,j jsou tvaru a i,j = v i, w j w j 2 3. Po n iteracích dostaneme w 1,..., w n jako ortogonální bázi prostoru V. Alternativní postup - Gram-Schmidtova normalizace: 1. Dány: x 1,..., x m V lineárně nezávislé. 6

2. Pro k = 1,..., m proveď: k 1 y k := x k x k, z j z j j=1 z k := 1 y k y k 3. Ukonči: z 1,..., z m je ortonormální systém ve V a L(z 1,..., z m ) = L(x 1,..., x m ) Buď (v 1,..., v n ) báze vekt. prostoru se skal. součinem. Potom existuje ortonormální báze (w 1,..., w n ), kdy pro každé k {1,..., n} je L(v 1,..., v k ) = L(w 1,..., w k ). Díky tomu se každý ortogonální systém vektorů v konečnědimensionálním vekt. prostoru se skalárním součinem dá rozšířit na ortogonální bázi (to můžeme díky Gram-Schmidtově ortogonalizaci a Steinitzově větě o výměně). Věta (Fourierovy koeficienty) Máme-li danou nějakou ortonormální bázi B = b 1,..., b n vektorového prostoru V, pak pro každé x V platí: x = x, b i b i a souřadnice x, b i nazveme Fourierovy koeficienty vektoru x. Poznámka Fourierovy řady jsou souřadnice funkcí ve vektorovém prostoru spojitých funkcí na [ π, π] se skalárním součinem f, g = π π f(x)g(x)dx 10.5 Ortogonální doplněk a jeho vlastnosti Definice Nechť V je množina vektorů ve vektorovém prostoru W se skalárním součinem. Ortogonálním doplňkem V (značíme V ) rozumíme množinu V = {v W ; x V : v, x = 0} Lemma (Vlastnosti) Nechť V je podprostor prostoru W konečné dimenze. Potom platí: 1. V je podprostor W 2. dim(v ) = dim(w ) dim(v ) 3. (V ) = V (z rozšiřitelnosti ortogonální báze) 4. V V = {0}, V V = W (operace je spojení dvou podprostorů...l(v V )) 7

5. U, V podprostory W. Je-li U V, pak U V (x V x y V x u U x U ) 6. (U V ) = U V 7. (U V ) = U V Definice (Ortogonální projekce) Ortogonální projekce vekt. prostoru V na podprostor U V je zobrazení, které každému vektoru v V přiřadí vektor u U tak, že v u = min{ v w, w U} tedy vektor u U, který má ze všech vektorů z U nejmenší vzdálenost od v. Ten se pak nazývá ortogonální projekcí vektoru v. 8