19.pdf

(101 KB) Pobierz
729610099 UNPDF
19Własno±ciiloczynuskalarnego:
norma,k¡tiodległo±¢
Załó»my,»e V jestprzestrzeni¡liniow¡ziloczynemskalarnym h .,. i .
Definicja19.1 Norm¡ ( długo±ci¡ )wektora v 2 V nazywamyliczb¦
q
k v k =
h v,v i .
Uwaga1 Zaksjomatu(IP1)wynika,»e h , i =0,czyli k k =0,az(IP3),
»edlapozostałych v : h v,v i > 0,czylinormajestdobrzeokre±lona.
Przykład19.2 1.Normapochodz¡caodstandardowegoiloczynuska-
larnegowyra»asi¦wzorem
k ( x 1 ,...,x n ) k =
v u u t
n X
x 2 i .
i =1
2.Wprzestrzeni l 2 normawyra»asi¦wzorem
k ( x n ) n 2 N k =
v u u t
1 X
x 2 n .
n =1
Twierdzenie19.3 (nierówno±¢Schwarza) Dladowolnychwektorów
u,v 2 Vspełnionyjestwarunek
|h u,v i|¬k u kk v k .
Równo±¢ |h u,v i| = k u kk v k zachodziwtedyitylkowtedy,gdywektoryu,vs¡
liniowozale»ne.
Dowód: Zauwa»my,»eje»elichocia»jedenzwektorówjestzerowy,to
prawastronanierówno±cijestrówna0namocypoprzedniejuwagi,alewa
tak»ejestrówna0zdwuliniowo±ciiloczynuskalarnego.Oczywi±cieukład
zawieraj¡cywektorzerowyjestliniowozale»ny.
Załó»myteraz,»e u,v 6 = .Dladowolnego 2 Rnapodstawiedwuli-
niowo±ciisymetriiiloczynuskalarnegoorazdefinicjinormyotrzymujemy
0 ¬h u + · v,u + · v i = k v k 2 2 +2 h u,v i + k u k 2
Ostatniewyra»eniejesttrójmianemkwadratowymzmiennej ododat-
nimwspółczynnikuprzy 2 (bo v 6 = ),wi¦cjegowyró»nikjestniedodatni:
0 ­ 4 h u,v i 2 4 k u k 2 k v k 2 ,
1
729610099.008.png 729610099.009.png
 
cojestju»równowa»netezie.
Je»eliwektory u,v s¡niezeroweiliniowozale»ne,toistnieje s 6 =0takie,
»e v = s · u .Wówczas
|h u,v i| 2 =
s 2 h u,u i
2
= s 2 k u k 4 = k u k 2 s 2 h u,u i = k u k 2 k v k 2 .
Naodwrót,je»eli |h u,v i| = k u kk v k ,to
0=4 h u,v i 2 4 k u k 2 k v k 2 ,
czylitrójmiankwadratowy k v k 2 2 +2 h u,v i + k u k 2 mapierwiastek s 2 R.
Zatem h u + · v,u + s · v i =0inamocy(IP3)dostajemy u =( s ) · v , co
oznaczazale»no±¢wektorów u,v .
Stwierdzenie19.4 Wprzestrzeniliniowej V ziloczynemskalarnymspeł-
niones¡warunki:
(N1) 8 v 2 V k v 0
(N2) 8 v 2 V ( k v k =0 , v = )
(N3) 8 v 2 V 8 a 2 R k a · v k = | a |k v k
(N4) 8 u,v 2 V k u + v k¬k u k + k v k
Dowód: Warunki(N1)i(N2)wynikaj¡wprostz(IP3)orazuwagi.Dla
dowodu(N3)zauwa»my,»e
k a · v k 2 = h a · v,a · v i = a 2 h v,v i = a 2 k v k 2 .
Warunek(N4)jestbezpo±redni¡konsekwencj¡definicjiiloczynuskalar-
negooraznierówno±ciSchwarza:
k u + v k 2 = h u + v,u + v i = k u k 2 + k v k 2 +2 h u,v i
¬k u k 2 + k v k 2 +2 k u kk v k =( k u k + k v k ) 2 .
Uwaga2 Je»eliwprzestrzeniliniowej V (bezstrukturyiloczynuskalarne-
go)okre±lonajestfunkcja k . k : V ! Rspełniaj¡cawarunki(N1)—(N4),to
par¦( V, k . k )nazywamy przestrzeni¡unormowan¡ .Widzimy,»eka»daprze-
strze«ziloczynemskalarnymjestprzestrzeni¡unormowan¡,aledo±¢rzadko
jestnaodwrót.
Stwierdzenie19.5 (równo±¢równoległoboku)Dladowolnychwektorów u,v
zprzestrzeni V ziloczynemskalarnymspełnionyjestwarunek
k u + v k 2 + k u v k 2 =2 k u k 2 +2 k v k 2 .
2
729610099.010.png
Dowód:
k u + v k 2 + k u v k 2 = k u k 2 + k v k 2 +2 h u,v i + k u k 2 + k v k 2 2 h u,v i =2 k u k 2 +2 k v k 2 .
Stwierdzenie19.6 (to»samo±¢polaryzacyjna)Dladowolnych u,v 2 V
spełnionyjestwarunek
h u,v i = 1
4
k u + v k 2 −k u v k 2
.
Definicja19.7 Dlaniezerowychwektorów u,v 2 V liczb¦
^ ( u,v )=arccos h u,v i
k u kk v k
nazywamy k¡tem ( nieskierowanym ) pomi¦dzywektoramiu,v .
k u kk v k nale»ydoprze-
działu[ 1 , 1],wi¦ck¡tnieskierowanypomi¦dzywektoramijestdobrzeokre-
±lony.Nale»yonzawszedoprzedziału[0 , ].
Przykład19.8 1.K¡tpomi¦dzyniezerowymiwektoramiortogonalny-
miwynosi 2 .
2.Wektory u,v zgodniezorientowane (lub maj¡tensamzwrot ),co
zapisujemy u "" v ,gdyjedenjestiloczynemdrugiegoprzezliczb¦
nieujemn¡.K¡tpomi¦dzyniezerowymiwektoramizgodniezoriento-
wanymiwynosi0.
3.K¡tpomi¦dzyniezerowymiwektoramirównoległymi(czyliliniowoza-
le»nymi)wynosi0lub .
Stwierdzenie19.9 (twierdzeniecosinusów)Dlaniezerowychwektorów u,v
prawdziwajestrówno±¢
k u + v k 2 = k u k 2 + k v k 2 +2 k u kk v k cos ^ ( u,v ) .
Wniosek19.10 (twierdzeniePitagorasa)Wektory u,v s¡ortogonalnewte-
dyitylkowtedy,gdy
k u + v k 2 = k u k 2 + k v k 2 .
Wniosek19.11 (równo±¢Parsevala)Je»eliukład( v 1 ,...,v k )jestortogo-
nalny,to
k v 1 + ... + v k k 2 = k v 1 k 2 + ... + k v k k 2 .
3
Uwaga3 Znierówno±ciSchwarzawynika,»eułamek h u,v i
729610099.001.png
 
Definicja19.12 Wprzestrzenieuklidesowej Eodległo±ci¡ (lub metryk¡ )
nazywamyfunkcj¦przypisuj¡c¡punktom p,q 2 E liczb¦
| pq | = k −! pq k .
Stwierdzenie19.13 Wprzestrzenieuklidesowej E spełniones¡warunki:
(D1) 8 p,q 2 E ( | pq | =0 , p = q )
(D2) 8 p,q 2 E | pq | = | qp |
(D3) 8 p,q,r 2 E | pr |¬| pq | + | qr |
Uwaga4 Je»eliwzbiorzeniepustym X okre±lonajestfunkcja d = | .. | :
X × X ! Rspełniaj¡cawarunki(D1)—(D3),topar¦( X,d )nazywamy
przestrzeni¡metryczn¡ .
n zestandardowymiloczy-
nemskalarnym odległo±¢euklidesowa wyra»asi¦wzorem
| ( p 1 ,...,p n )( q 1 ,...,q n ) | =
v u u t
n X
( q i p i ) 2 .
i =1
St wierdzenie19.15 Wprzestrzenieuklidesowejpunkt r nale»ydoodcinka
pq wtedyitylkowtedy,gdy
| pr | + | rq | = | pq | .
Dowód: ) )Je»eli r 2 pq ,to r =(1 a ) p + aq dlapewnego a 2 [0 , 1].
Wówczas
| pr | + | rq | = | a || pq | + | 1 a || pq | = | pq | .
( )Załó»my,»e | p r | + | rq | = | pq | .Dla r = p lub q wniosekjestoczywisty,
załó»mywi¦c,»e r 2 pq \{ p,q } .Wówczas
| pr | 2 + | rq | 2 +2 | pr || rq | = | pq | 2 = k −! pr + −! rq k 2 = | pr | 2 + | qr | 2 +2 h −! pr, −! rq i ,
sk¡dnamocynierówno±ciSchwarzadostajemyliniow¡zale»no±¢wektor ów
−! pr , −! rq orazistnienietakiego s> 0,»e −! rq = s · −! pr .Zatem r = s
s +1 p + 1
s +1 q 2 pq .
Definicja19.16 Wprzestrzenieuklidesowej Ekul¡ ( otwart¡ )o±rodku p i
promieniu R> 0nazywamyzbiór
B ( p,R )= { q 2 E ; | pq | <R } .
Zbiór B ( p,R )punktów q 2 E spełniaj¡cychnierówno±¢ | pq R nazywamy
kul¡domkni¦t¡ o±rodku p ipromieniu R .
4
Przykład19.14 WprzestrzenieuklidesowejE
729610099.002.png 729610099.003.png 729610099.004.png 729610099.005.png 729610099.006.png
Stwierdzenie19.17 Kula(odpowiedniokuladomkni¦ta)jestzbioremwy-
pukłym.
Dowód: Dla q,q 0 2 B ( p,R )oraz a 2 [0 , 1]przyjmuj¡c r =(1 a ) q + aq 0
otrzymujemy
| pr | =
(1 a ) −! pq + a
pq 0 ¬| 1 a || pq | + | a || pq 0 | < (1 a ) R + aR = R,
czyli qq 0 B ( p,R ).
5
−!
729610099.007.png
Zgłoś jeśli naruszono regulamin