Álxebra Lineal: Produto interno

De testwiki
Saltar á navegación Saltar á procura

Modelo:Álxebra
En Álxebra Lineal, chamamos produto interno a unha función de dous vectores que satisfai determinados axiomas. O produto escalar, comumente usado na xeometría euclidiana, é un caso especial de produto interno.

Definición

Sexa ‘‘‘V’‘‘ un espazo vectorial sobre un corpo ‘‘‘K’‘‘. En ‘‘‘V’‘‘, pódese definir a función binaria ⟨⋅,⋅⟩:V×V→K (denominada ‘‘‘produto interno’‘‘), que satisfai os seguintes axiomas:

⟨u,v⟩=⟨v,u⟩‾
⟨u+v,w⟩=⟨u,w⟩+⟨v,w⟩
⟨λu,v⟩=λ⟨u,v⟩
Se v≠0, entón ⟨v,v⟩> 0

en que ‘‘u’‘, ‘‘v’‘ e ‘‘w’‘ son vectores de ‘‘‘V’‘‘, e ‘‘λ’‘ é un elemento de ‘‘‘K’‘‘.

A partir deses axiomas, é posíbel probar as seguintes consecuencias:

⟨u,v+w⟩=⟨u,v⟩+⟨u,w⟩
⟨u,λv⟩=λ‾⟨u,v⟩
Se v=0, entón ⟨v,v⟩=0
Se ⟨v,v⟩=0, entón v=0

Exemplos

O produto escalar sobre o espazo vectorial ℝ3 satisfai os axiomas do produto interno e defínese por:

⟨(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)⟩=x1x2+y1y2+z1z2

Se ‘‘f’‘ e ‘‘g’‘ son dúas funcións, é posíbel definir o produto interno:

⟨f,g⟩=∫f(x)g(x)‾dx

Vetores ortogonais

Dise que dous vectores u,v∈V son ‘‘‘ortogonais’‘‘ se ⟨u,v⟩=0.

Consecuencias:

Se ⟨u,v⟩=0,∀v∈V, entón u=0
Se ⟨T(u),v⟩=0,∀u,v∈V, entón T=0

Complemento ortogonal

Sexa v∈V,v≠0

Defínese o complemento ortogonal de ‘‘v’‘, v⊥, como:

v⊥={v}⊥={u∈V|⟨u,v⟩=0}.

Consecuencias:

v⊥ é un subespazo vectorial de V
Sexa W un subespazo vectorial de V, e α={v1,v2,…,vn} unha base de W. v∈W⊥⟺v∈vi⊥,i=1,…,n
(W⊥)⊥=W, W é subespazo de V.

Norma

Sexa ‘‘V’‘ un espazo vectorial sobre o corpo ‘‘K’‘, con produto interno. Defínese a ‘‘‘norma’‘‘ ou ‘‘‘lonxitude’‘‘ dun vector v∈V como sendo o número ⟨v,v⟩, que indicamos por |v|.

Consecuencias:

|v|=0⟺v=0
Se v≠0, entón |v|>0
|λv|=|λ||v|,∀λ∈K,v∈V
Se ⟨u,v⟩=0, entón |u+v|2=|u|2+|v|2 (Teorema de Pitágoras)

Proxeción ortogonal

Proxeción dun vector v na dirección dun vector u, en que u ≠ 0

Defínese ‘‘‘esa’‘‘ proxeción como sendo o vector

proxuv=⟨v,u⟩⟨u,u⟩⋅u

Proxeción dun vector ‘‘v’‘ sobre un subespazo vectorial ‘‘W’‘ de ‘‘V’‘

Sexa W=[u1,u2], en que {u1,u2} é unha base ortogonal de ‘‘W’‘.

proxWv=proxu1v+proxu2v

Desigualdade de Cauchy-Schwarz

Dados u,v∈V, entón |⟨u,v⟩|≤|u|⋅|v|

Desigualdade triangular

|u+v|≤|u|+|v|,∀u,v∈V

Base ortogonal e ortonormal

Unha base {v1,v2,…,vn} de V é dita ortonormal se ⟨vi,vx⟩=δix, en que

δix=1, se i = x
δix=0, se i ≠ x

A base é ortogonal se os vectores son ortogonais dous a dous.

Propiedade: ‘‘n’‘ vectores non-nulos e ortogonais dous a dous, nun espazo de dimensión ‘‘n’‘, son linearmente independentes.

Proceso de ortogonalización de Gram-Schmidt

Dada unha base {v1,v2,…,vn} de V, podemos atopar, a partir desta base, unha base ortogonal {u1,u2,…,un} de V.

ui=vi−∑k=1i−1⟨vi,uk⟩⟨uk,uk⟩uk

Distancia entre dous vectores

Defínese a distancia entre dous vectores calquera, ‘‘u’‘ e ‘‘v’‘, como sendo d(u,v)=|u−v|

Unha función distancia ten as seguintes propiedades:

Fallou a conversión do código (descoñécese a función "\xe"): {\displaystyle d(u, v) \xe 0}
d(u,v)=0⇔u=v
d(u,v)=d(v,u)
d(u,v)≤d(u,w)+d(w,v)

Tales propiedades poden ser facilmente verificadas pola definición de norma.

Mellor aproximación dun vector v de V por un vector de W, subespazo vectorial de V

Se d(v,u)≤d(v,u′),∀u′∈W, entón u é o vector de W que dá a aproximación máis adecuada de v por un vector de W.

Demostrase que u=proxWv Modelo:Álxebra