Espacios vectoriales con producto interno
Sea un -espacio vectorial. Un producto interno en es una función que cumple las siguientes propiedades:
Tener la primer y segunda propiedad se define ser sesquilineal en la segunda entrada.
Demostraciones:
Ejemplo:
Sea , definimos el producto interno canónico como:
Sea un espacio vectorial con producto interno. La norma en está definida como la función
tal que:
- y
- Desigualdad de Cauchy-Schwarz:
- Desigualdad triangular:
Ortogonalidad
Sea un espacio euclídeo (en ):
Dos vectores son ortogonales si .
Un subconjunto es ortogonal si cada par de elementos en es ortogonal, es decir si
.
Un subconjunto es ortonormal si es ortogonal y .
Teorema de Pitágoras
Si son ortogonales, entonces .
Esto queda demostrado ya que:
Método de ortogonalización de Gram-Schmidt
Sea un espacio euclídeo y sea una base de .
Existe una base ortogonal de tal que:
Recursivamente, donde:
Demostración:
Construiremos los vectores como en el enunciado de modo recursivo y probaremos que
.
Como el conjunto será ortogonal (y luego ortonormal),
en particular será l.i. y será una base de .
Si :
Continuando con el paso recursivo:
Asumimos que con ortonormal
Definimos:
Luego, para cualquier :
es ortogonal también lo es y más aún, es ortonormal.
Queremos ver que .
Sabemos que: y que .
- Como
y
.
- Despejando
Además,
Por lo tanto, .
Complemento ortogonal
Sea un espacio euclídeo de dimensión finita y sea un conjunto.
El complemento ortogonal de es el conjunto:
Algunas propiedades de son:
- es un subespacio de .
- si es un subespacio de .
- si es un subespacio de .
Ejercicios resueltos - Ortogonalidad
1.
Aplicar el proceso de Gram-Schmidt a la base ordenada para obtener una base ortonormal de
El primer paso es obtener la base ortogonal. Para ello aplicamos el proceso de Gram-Schmidt:
Su base ortogonal es:
Luego, normalizamos los vectores para obtener la base ortonormal:
La base ortonormal resultante es: