diff --git a/KMA LAA/9. Prostory se skalárním součinem.md b/KMA LAA/9. Prostory se skalárním součinem.md index 8675dba..97174b7 100644 --- a/KMA LAA/9. Prostory se skalárním součinem.md +++ b/KMA LAA/9. Prostory se skalárním součinem.md @@ -1,2 +1,91 @@ # Prostory se skalárním součinem +### Skalární součin + +Nechť $U$ je lineární vektorový prostor nad $\mathbb{R}$. Zobrazení $(\vec{x}, \vec{y}):U \times U \to \mathbb{R}$ splňující vlastnosti +1. $(\vec{x}, \vec{x}) \geq 0$ pro každé $\vec{x} \in U; (\vec{x}, \vec{x}) = 0$, právě když $\vec{x} = \vec{o}$, +2. $(\vec{x}, \vec{y}) = (\vec{y}, \vec{x}) \space \forall \vec{x}, \vec{y} \in U$, +3. $(k\vec{x}, \vec{y}) = k(\vec{x}, \vec{y}) \space \forall \vec{x}, \vec{y} \in U$ a $\forall k \in \mathbb{R}$ +4. $(\vec{x} + \vec{y}, \vec{z}) = (\vec{x}, \vec{z}) + (\vec{y}, \vec{z}) \space \forall \vec{x}, \vec{y}, \vec{z} \in U$, + +se nazývá **skalární součin**. + +### Euklidovský prostor + +Lineární vektorový prostor se skalárním součinem se nazývá **Eukleidovský prostor**. + +Příklad: +1. $\mathbb{R}^3 : (\vec{x}, \vec{y}) = x_{1}y_{1} + x_{2}y_{2} + x_{3}y_{3}$ +2. $\displaystyle \mathbb{R}^n : (\vec{x}, \vec{y}) = x_{1}y_{1} + x_{1}y_{1} + \dots + x_{n}y_{n} = \sum^n_{i=1} x_{i}y_{i}$ +3. $\displaystyle C(0, 1) : (f, g) = \int^1_{0} f(x) \cdot g(x) \, dx$ +4. $\displaystyle \mathbb{P}_{n} : (p(x); q(x)) = \int^b_{a} p(x) \cdot q(x) \, dx$ + +V Eukleidovském prostoru platí (pro každé $k \in \mathbb{R}$ a $\vec{x}, \vec{y}, \vec{z} \in U$): +1. $(\vec{x}, k\vec{y}) = k(\vec{x}, \vec{y})$ +2. $(\vec{x}, \vec{y} + \vec{z}) = (\vec{x}, \vec{y}) + (\vec{x}, \vec{z})$ +3. $(\vec{x}, \vec{o}) = (\vec{o}, \vec{x}) = 0$ + +**Cauchy-Schwarzova nerovnost** - Je-li $U$ Eukleidovský prostor, potom pro každé $\vec{x}, \vec{y} \in U$ platí +- $(\vec{x}, \vec{y})^2 \leq (\vec{x}, \vec{x}) \cdot (\vec{y}, \vec{y})$. + +### Norma + +**Norma** v lineárním vektorovém prostoru $U$ je zobrazení $\Vert \vec{x} \Vert : U \to \mathbb{R}$ s vlastostmi +1. $\Vert \vec{x} \Vert \geq 0 \, \forall \vec{x} \in U;\space \Vert \vec{x} \Vert = 0$, právě když $\vec{x} = \vec{o}$, +2. $\Vert k\vec{x} \Vert = \vert k \vert \cdot \Vert \vec{x} \Vert \ \forall\vec{x} \in U$ a $\forall k \in \mathbb{R}$, +3. $\Vert \vec{x} + \vec{y} \Vert \leq \Vert \vec{x} \Vert + \Vert \vec{y} \Vert \ \forall \vec{x}, \vec{y} \in \mathbb{R}$. + +Je-li $U$ Eukleidovský prostor, potom $\Vert \vec{x} \Vert = \sqrt{ (\vec{x}, \vec{x}) }$ je norma. Nazývá se **norma indukovaná sklárním součinem**. + +Pro dva prvky $x, y$ libovolného L.V.P. $U$ lze definovat úhel dvou prvků + +$$ +\displaystyle \phi = \arccos \frac{(\vec{x}, \vec{y})}{\Vert \vec{x} \Vert \cdot \Vert \vec{y} \Vert} +$$ + +a vzdálenost dvou prvků $d(\vec{x}, \vec{y}) = \Vert \vec{x} - \vec{y} \Vert$. Vzdálenosti se obvykle říká **metrika** a příslušnému prostoru **metrický prostor**. + +## Ortogonalita + +Dva prvky $\vec{x}, \vec{y}$ Eukleidovského prostoru $U$ jsou **ortogonální** (kolmé), jestliže $(\vec{x}, \vec{y}) = 0$. +- Píšeme $\vec{x} \perp \vec{y}$. +- Množiny $X, Y, \subset U$ jsou ortiginální, jestliže $\vec{x} \perp \vec{y}$ pro každé $\vec{x} \in X$ a $\vec{y} \in Y$. + +Každá podmnožina Eukleidovského prostoru, jejíž prvky jsou nenulové a navzájem ortogonální, je LN. +- Žádný ze vzájemně kolmých vektorů není možné vyjádřit jako LK ostatních. + +### Pythagorova věta + +Nechť $U$ je Eukleidův prostor, $\vec{x}, \vec{y} \in U$. Potom + +$$ +\vec{x} \perp \vec{y} \iff \Vert \vec{x} + \vec{y} \Vert^2 = \Vert \vec{x} \Vert^2 + \Vert \vec{y} \Vert^2. +$$ + +### Ortogonální báze + +Báze Eukleidovského prostoru $U$, jejíž každé dva prvky jsou ortogonální. +- např. kanonická báze + +V každém Eukleidovském prostoru konečné dimenze existuje ortogonální báze. + +#### Gram-Schmidtův ortogonalizační proces +- určení ortogonální báze ze zadané báze + +1. Mějme v $U$ bázi $\vec{b}_{1}, \vec{b}_{2}, \dots, \vec{b}_{n};$ hledáme ortogonální bázi $\vec{g}_{1}, \vec{g}_{2}, \dots, \vec{g}_{n}$. +2. Položíme $\vec{g}_{1} = \vec{b}_{1}$. +3. Určíme $\displaystyle \vec{g}_{2} = \vec{b}_{2} - \frac{\vec{b}_{2}, \vec{g}_{1}}{(\vec{g}_{1}, \vec{g}_{1})} \vec{g}_{1}$, což je ortogonální (kolmý) průmět vektoru $\vec{b}_{2}$ do přímky dané vektorem $\vec{g}_{1}$. Platí, že $\vec{g}_{2} \perp \vec{g}_{1}$. +4. Obecně hledáme $\vec{g}_{k}$ jako $\vec{b}_{k} - \overline{\vec{b}_{k}}$, kde $\overline{\vec{b}_{k}}$ je ortogonální průmět prvku $\vec{b}_{k}$ do podprostoru s ortogonální bází $\vec{g}_{1}, \vec{g}_{2}, \dots, \vec{g}_{k-1}$. Tedy: + $$ + \displaystyle \vec{g}_{k} = \vec{b}_{k} - \biggl( + \frac{(\vec{b}_{k}, \vec{g}_{1})}{(\vec{g}_{1}, \vec{g}_{1})} \vec{g}_{1} + + + \frac{(\vec{b}_{k}, \vec{g}_{2})}{(\vec{g}_{2}, \vec{g}_{2})} \vec{g}_{2} + + + \dots + + + \frac{(\vec{b}_{k}, \vec{g}_{k-1})}{(\vec{g}_{k-1}, \vec{g}_{k-1})} \vec{g}_{k-1} + \biggr). + $$ + +5. Pak jistě $\vec{g}_{k} \perp \vec{g}_{1}, \vec{g}_{k} \perp \vec{g}_{2}, \dots, \vec{g}_{k} \perp \vec{g}_{k-1}$.