Vektorový a afinný priestor
Vektorový priestor
Schmidt ortogon. proces
Nech je - rozmerný vektorový priestor so skalárnym súčinom a nech je daná množina lineárne nezávislých vektorov tohto konečno rozmerného priestoru ().
Definícia.
Schmidtov ortogonalizačný proces je proces, ktorým z množiny lineárne nezávislých vektorov vytvárame ortonormálnu bázu - rozmerného vektorového priestoru .
Schmidtov ortogonalizačný proces je proces, ktorým z množiny lineárne nezávislých vektorov vytvárame ortonormálnu bázu - rozmerného vektorového priestoru .
Poznámka.
Ortonormálna báza sa vyznačuje vlastnosťou, že jej vektory majú normovanú jednotkovú dĺžku a všetky sú navzájom kolmé (ortogonálne).
Existenciu takejto ortonormálnej bázy zabezpečuje Veta - Schmidtov ortogonalizačný proces.
Ortonormálna báza sa vyznačuje vlastnosťou, že jej vektory majú normovanú jednotkovú dĺžku a všetky sú navzájom kolmé (ortogonálne).
Existenciu takejto ortonormálnej bázy zabezpečuje Veta - Schmidtov ortogonalizačný proces.
Celý proces vytvárania ortonormálnej bázy možno popísať algoritmicky/rekurentne takto:
- V prvom kroku Schmidtovho ortogonalizačného procesu sa za základ stanoví prvý vektor z danej množiny vektorov . Podľa tohto vektora sa odvíja orientácia zvyšných.
- Ďalším -tym krokom je samotná ortogonalizácia -teho vektora. Nasledujúci -ty vektor určíme ako lineárnu kombináciu -teho vektora z danej množiny vektorov a už vytvorených vektorov.
- Nakoniec prevedieme normalizáciu vektorov. Pre zjednodušenie výpočtov sa vektory normalizujú až na koniec procesu.
Veta - Schmidtov ortogonalizačný proces.
Nech je vektorový priestor so skalárnym súčinom a nech sú lineárne nezávislé vektory. Potom existujú ortonormálne vektory , pre ktoré platí
Nech je vektorový priestor so skalárnym súčinom a nech sú lineárne nezávislé vektory. Potom existujú ortonormálne vektory , pre ktoré platí
Dôkaz.
A. Proces ortogonalizácie.
A. Proces ortogonalizácie.
- Najprv určíme prvý vektor, pričom položíme
. - Druhý vektor určíme ako lineárnu kombináciu , pričom podľa predpokladu platí .
Po skalárnom vynásobení
rovnice vektorom dostaneme riešenie
.
Po dosadení dostaneme riešenie
. - Pre tretí vektor bude lineárna kombinácia v tvare , pričom platí .
Po skalárnom vynásobení rovnice postupne vektormi dostaneme riešenie
; . - Pomocou matematickej indukcie dokážeme, že pre ďalšie vektory platia vzťahy
. - Teraz stačí len "znormovať" tieto vektory. Dostaneme jednotkové vektory
Cvičenie.
Riešenie.
- Zvoľme prvý vektor ortogonálnej bázy (zrejme nie je jednotkový, jeho normalizáciu urobíme v závere riešenia). Druhý
vektor určíme zo vzťahu
(k),
kde . Rovnicu (k) skalárne vynásobíme vektorom . Podľa predpokladu v Schmidtovom ortogonalizačnom procese musia byť vektory na seba kolmé, teda musí pre ich skalárny súčin platiť rovnosť . Zároveň platí . Po dosadení do (k) môžeme určiť/vypočítať koeficient
, odkiaľ dostaneme pre vektor
.
Tretí vektor určíme zo vzťahu
(zobrali sme 2-násobok druhého vektora ). Ľahko nahliadneme, že , odkiaľ . Zrejme vektory sú na seba kolmé a stačí ich znormovať.
V prípade, že by sme zvolili dostali by sme bázu , ktorá je tiež ortogonálna. Teda výsledná báza závisí od voľby poradia vektorov . - Stačí určiť smerové vektory danej roviny, ktoré patria do vektorového priestoru určeného danou rovinou (do jej zamerania). Sú to napríklad vektory .
Otvorte si dynamickú konštrukciu pre ortogonalizačný proces Tu.
Preštudujte si študijný text o kolmých vektorových podpriestoroch v práci:
Monoszová, G.: Analytická geometria 2 - Kapitola III. FPV UMB B. Bystrica. Časť II. 2. Totalne kolmé vektorové priestory. Kolmé vektorové priestory.
Monoszová, G.: Analytická geometria 2 - Kapitola III. FPV UMB B. Bystrica. Časť II. 2. Totalne kolmé vektorové priestory. Kolmé vektorové priestory.