SŁOWA KLUCZOWE ROZDZIAŁU przestrzenie wektorowe i przestrzeń wektorowa kombinacja liniowa liniowa niezależność baza baza standardowa iloczyn skalarny w norma w nierówność Cauchy’ego–Schwarza wektory ortogonalne proste i płaszczyzny w iloczyn hermitowski |
Punkt na płaszczyźnie utożsamiamy z jego współrzędnymi kartezjańskimi , czyli liczbą zespoloną . Wprowadzimy teraz w zbiorze pewną nową strukturę algebraiczną, strukturę przestrzeni wektorowej. Geometrycznie punkt na płaszczyźnie będziemy interpretowali jako wektor będący strzałką o początku w punkcie i o końcu w punkcie . W tej interpretacji będzie dla nas wygodne zastosowanie nieco innej konwencji zapisu współrzędnych punktu. Zamiast pisać będziemy stosować zapis kolumnowy , czyli pierwsza współrzędna nad drugą. Dla oszczędności papieru wprowadzamy oznaczenie
Napis oznacza, że mamy na myśli liczbę zespoloną, a napis sugeruje , że myślimy o wektorze na płaszczyźnie.
Płaszczyzna
Płaszczyzną rzeczywistą nazywamy zbiór
Jego elementy będziemy nazywać wektorami.
Zbiór możemy łatwo wyposażyć w dodatkową strukturę algebraiczną. Wektory będziemy dodawać i mnożyć je przez liczbę rzeczywistą.
Dodawanie wektorów i mnożenie ich przez skalar
Niech . Definiujemy ich sumę przez
W zapisie kolumnowym mamy
Powyższy wzór określa dodawanie punktów (wektorów) na płaszczyźnie. Przypisuje ono dwóm punktom płaszczyzny pewien punkt na płaszczyźnie.
Niech i . Definiujemy mnożenie wektora przez liczbę rzeczywistą wzorem
Równoważnie,
Zdefiniowane powyżej mnożenie definiuje odwzorowanie . Przypisuje ono liczbie rzeczywistej i punktowi na płaszczyźnie pewien punkt na płaszczyźnie.
Naturalne jest pytanie: dlaczego mielibyśmy się ograniczać wyłącznie do płaszczyzny ? Przecież podobną konstrukcję możemy powtórzyć w przestrzeni , gdzie położenie punktu jest opisane trzema współrzędnymi w miejsce dwóch. A może rozważyć pięć współrzędnych? Lepiej zróbmy to od razu ogólnie dla dowolnej liczby naturalnej .
Przestrzeń wektorowa Niech . Definiujemy zbiór
gdzie
Analogicznie do płaszczyzny definiujemy działanie dodawania wektorów oraz ich mnożenie przez liczbę rzeczywistą wzorami
Początek układu współrzędnych, czyli wektor zerowy będziemy oznaczać przez . Zazwyczaj nie prowadzi to do nieporozumień – z kontekstu wynika czy oznacza zero jako liczbę rzeczywistą czy raczej wektor zerowy w .
- AKSJOMATY PRZESTRZENI WEKTOROWEJ
Lemat 3.1.Dla dowolnych wektorów i liczb rzeczywistych mamy (1) (łączność dodawania wektorów) (2) (przemienność dodawania wektorów) (3) (4) istnieje (jedyny) taki wektor , że () (5) (rozdzielność) (6) (rozdzielność) (7) (łączność) (8) . |
Dowód jest bardzo prosty. Jak się dobrze przyglądniemy to zauważymy, że wszystkie własności (1)-(8) wynikają bezpośrednio z własności działań w zbiorze liczb rzeczywistych. Wystarczy je zastosować do każdej współrzędnej z osobna. ∎
Początki teorii przestrzeni wektorowych związane są z Williamem Rowanem Hamiltonem (1805–1865) oraz Hermannem Guntherem Grassmannem (1809–1877)
Mamy więc do czynienia z pewnym zbiorem i dwoma działaniami
spełniającymi warunki (1)-(8).
Przestrzeń wektorowa nad ciałem
Rozważmy trójkę z opisanymi powyżej działaniami
Powiemy, że jest przestrzenią wektorową nad ciałem , (bo mnożymy elementy zbiory przez liczby rzeczywiste) jeśli zachodzą powyższe warunki (1)-(8).
Z powyższych rozważań wynika, że jest przykładem przestrzeni wektorowej nad ciałem . Możecie zapytać po co nam jakieś przestrzenie wektorowe. Przecież mamy już wektory w , które dodajemy i mnożymy przez liczbę rzeczywistą. Czy to nie wystarczy? Otóż nie. Popatrzcie na funkcję (przepraszam ortodoksyjnych matematyków za ten zapis funkcji bez podania dziedziny i przeciwdziedziny). Przecież to też jest suma pewnych obiektów (w tym wypadku funkcji), tylko teraz dodajemy funkcje zamiast liczb lub wektorów z . Funkcje, podobnie jak wektory możemy mnożyć przez liczby. Pewnie zetknęliście się z funkcjami typu lub .
Niech będzie zbiorem wszystkich funkcji . W zbiorze mamy naturalne dodawanie dane wzorem
oraz mnożenie przez skalar zdefiniowane formułą
Trójka spełnia warunki (1)-(8), więc jest przestrzenią wektorową nad ciałem liczb rzeczywistych.
Niech będzie zbiorem wszystkich wielomianów o współczynnikach rzeczywistych. Z naturalnymi działaniami dodawania i mnożenia przez liczbą , trójka jest przestrzenią wektorową nad ciałem liczb rzeczywistych.
Jak pewnie zauważyliście, przez cały czas podkreślam, że rozważane dotąd przestrzenie wektorowe są przestrzeniami wektorowymi nad ciałem . Może moglibyśmy rozważać przestrzenie wektorowe nad innymi ciałami? Poniższy przykład pokazuje, że możemy to robić. Co więcej jest to bardzo naturalne, a naturalne konstrukcje bardzo w matematyce lubimy.
Przez analogię do zbioru możemy zdefiniować zbiór jako
gdzie
W zbiorze mamy naturalnie zdefiniowane działanie dodawania
oraz ich mnożenie przez liczbę zespoloną
Są one dane wzorami
Łatwo sprawdzamy, że tak określona trójka spełnia warunki (1)-(8). Jedyna różnica polega na tym, że wektory (elementy zbioru ) mnożymy teraz przez liczby zespolone, a nie liczby rzeczywiste. Możemy, więc stwierdzić, że jest przestrzenią wektorową nad ciałem liczb zespolonych. Możecie powiedzieć, że przecież to nie koniec. Taką samą konstrukcje możemy przeprowadzić rozważając zbiór i jego elementy mnożyć przez liczby wymierne. Otrzymamy przestrzeń wektorową nad ciałem liczb wymiernych . Prowadzi nas to do ogólnej definicji przestrzeni wektorowej nad dowolnym ciałem .
Niech będzie zbiorem i niech będzie ciałem. Załóżmy, że określone są działania: (dodawanie wektorów) oraz (mnożenie przez skalar). Powiemy, że trójka jest przestrzenią wektorową nad ciałem , jeśli dla dowolnych wektorów oraz skalarów zachodzą warunki:
istnieje taki wektor , że
istnieje taki wektor , że
.
Zauważmy, że pierwsze cztery warunki dotyczą wyłącznie dodawania wektorów i oznaczają, że jest grupą abelową W dalszym ciągu napis będzie oznaczał, że jest przestrzenią wektorową nad ciałem .
Wektor zerowy jest wyznaczony jednoznacznie. Jeśli spełniają warunek (3), to .
Rozważmy przestrzeń wektorową nad ciałem . Uzasadnimy, że dla oraz (elementu neutralnego dodawania w ciele ) zachodzi równość
Możecie powiedzieć, że to przesada aby uzasadnić takie rzeczy. Przecież pomnożone przez ,,cokolwiek’’ daje . Tak jest, gdy ,,cokolwiek’’ jest elementem ciała . W naszym przypadku oznacza, że mnożymy przez wektor , natomiast po prawej stronie jest wektorem, a nie elementem ciała .
Z własności (6) i definicji jako elementu neutralnego dla dodawania w ciele wynika, że
więc .
Niech . Wektor spełniający warunek jest wyznaczony jednoznacznie. Rzeczywiście, jeśli , to
Wektor nazywamy wektorem przeciwnym do i oznaczamy przez . Uzasadnimy, że .
czyli .
Analogicznie pokazujemy, że
oraz
Jeśli jest dowolnym ciałem, to naturalnie określona trójka jest przestrzenią wektorową nad ciałem . W szczególności, jest przestrzenią wektorową nad ciałem .
Rozważmy ponownie przestrzeń wektorową . Mnożenie jest mnożeniem wektora przez liczbę zespoloną. Oznaczmy je chwilowo przez . Zauważmy, że w zbiorze mamy też dobrze określone mnożenie przez liczbę rzeczywistą. Trójki oraz są różnymi obiektami matematycznymi. jest przestrzenią wektorową nad ciałem , a jest przestrzenią wektorową nad ciałem . Co za różnica? Otóż zasadnicza. Pierwsze dwa elementy trójek są identyczne tzn. zbiór i określone w nim działanie dodawania wektorów . Aby dostrzec różnicę rozważmy wektor . Zauważmy, że w przestrzeni nad ciałem zachodzi równość
W przestrzeni nad ciałem taka równość nie zachodzi. Co więcej, napis
nie ma sensu w tej przestrzeni, bo dopuszczamy tylko mnożenie wektorów z przez liczby rzeczywiste.
Rozważmy przestrzeń wektorową
oraz wektory
Wtedy
Uważny czytelnik zauważył z pewnością, że działania w przestrzeni funkcyjnej są zdefiniowane dzięki temu, że potrafimy dodawać wartości dwóch funkcji z oraz mnożyć wartości funkcji z . Jest to możliwe, bo przeciwdziedzina funkcji z , czyli jest ciałem. Nie jest natomiast ważne, że ich dziedzina ma strukturę ciała. Możemy więc rozważać bardziej ogólne funkcyjne przestrzenie wektorowe. Dokładniej, jeśli jest dowolnym niepustym zbiorem i jest ciałem, to zbiór
wszystkich funkcji jest przestrzenią wektorową z działaniami
Przykładowo, jest rzeczywistą przestrzenią wektorową. Zwróćcie uwagę, że powyżej zdefiniowane działania, nie są działaniami wewnętrznymi w zbiorze , bo , ale oraz .
Niech będzie ciałem. W przestrzeni wektorowej wyróżniamy wektorów danych przez
Zauważmy, że każdy wektor możemy zapisać jako
Oznacza to, że zachodzi równość
Mówimy wtedy, że wektor jest kombinacją liniową wektorów . Zdefiniujemy to pojęcie bardziej ogólnie, co przyda nam się w przyszłości.
Kombinacja liniowa wektorów
Niech będzie przestrzenią wektorową nad ciałem . Dla wektorów oraz skalarów , wektor
nazywamy kombinacją liniową wektorów .
Niech będzie przestrzenią wektorową nad ciałem . Ustalmy wektory i rozważmy zbiór
wszystkich możliwych kombinacji liniowych wektorów . Działania oraz są działaniami wewnętrznymi w zbiorze oraz jest przestrzenią wektorową nad ciałem .
Załóżmy, że . Mamy
,
jeśli , to jest prostą przechodzącą przez i równoległą do wektora .
Rozważmy przestrzeń wektorową . Wtedy każdy wektor można jednoznacznie zapisać w postaci kombinacji liniowej
Wiemy już, że dla dowolnego wektora istnieją takie skalary , że . Pokażemy, że takie przedstawienie wektora w postaci kombinacji liniowej wektorów jest wyznaczone jednoznacznie. Przypuśćmy, że
Wtedy
czyli . ∎
Baza standardowa
Wektory nazywamy bazą standardową przestrzeni .
Zauważmy, że jednoznaczność przedstawienia wektora jako kombinacji liniowej wektorów wynika z prawdziwości następującej implikacji:
Jest to więc ważna własność wektorów . Warto więc ją jakoś nazwać i zbadać.
Liniowa niezależność
Niech będzie przestrzenią wektorową nad ciałem . Wektory nazywamy liniowo niezależnymi, jeśli dla zachodzi implikacja
Niech . Przypuśćmy, że wektory są liniowo zależne. Wtedy istnieją takie liczby rzeczywiste , że lub oraz . Jeśli , to , czyli wektor leży na prostej .
Wektory
są liniowo niezależne w . Przypuśćmy bowiem, że dla pewnych . Ponieważ , więc
czyli i są liniowo niezależne.
Baza przestrzeni wektorowej
Niech będzie przestrzenią wektorową nad ciałem . Wektory nazywamy bazą przestrzeni wektorowej , jeśli dla dowolnego wektora istnieją jednoznacznie wyznaczone takie skalary , że
Podmieńmy wektor w bazie dla przez wektor . Pokażemy, że wektory , , tworzą bazę . Rozważmy dowolny wektor . Musimy uzasadnić, że istnieją jedyne takie skalary , , , że . Zwróćmy uwagę, że
Równość jest więc równoważna z układem równań
Ma on jednoznaczne rozwiązanie
czyli , , są bazą .
Wektory , są liniowo niezależne, bo równość
oznacza, że . Nie tworzą one jednak bazy , bo ich kombinacje liniowe mają postać , więc przykładowo, wektor nie jest kombinacją liniową i .
Każdy wektor jest kombinacją liniową wektorów , , , , bo
Wektory , , , nie tworzą jednak bazy , bo przykładowo
czyli przedstawienie nie jest jednoznaczne. Wynika to z faktu, że wektory , , , są liniowo zależne, bo
Rozważmy zbiór macierzy . Jest w nim określone działanie dodawania macierzy
dane wzorem
oraz mnożenie macierzy przez skalar
zdefiniowane wzorem
Trójka jest przestrzenią wektorową nad ciałem . Ponadto, dla mamy
Powyższym przedstawienie jest jednoznacznie wyznaczone przez macierz , czyli macierze
tworzą bazę przestrzeni .
Wprowadzimy teraz w przestrzeni wektorowej pewną dodatkową geometryczną strukturę, zadaną przez euklidesowy iloczyn skalarny.
Euklidesowy iloczyn skalarny w
Iloczynem skalarnym wektorów nazywamy liczbę rzeczywistą
Analogicznie, iloczyn skalarny wektorów
definiujemy jako liczbę rzeczywistą
Iloczyn skalarny jest też często oznaczany symbolem . My będziemy używali oznaczenia , bo w tej konwencji nierówność jest czytelniejsza niż napis .
Iloczyn skalarny jest więc odwzorowaniem
Przypisuje ono parze wektorów liczbę rzeczywistą .
Dla dowolnych wektorów i skalarów zachodzą następujące własności
(dwuliniowość)
(symetryczność)
(dodatnia określoność)
przy czym wtedy i tylko wtedy, gdy .
Norma euklidesowa w
Normą (długością) wektora nazywamy liczbę
Zauważmy, że wektor ma normę jeden i każdy wektor o normie jeden można zapisać w tej postaci dla pewnego . W szczególności, dowolny wektor można zapisać w postaci
Dla dowolnych wektorów zachodzi równość
Bezpośredni rachunek pokazuje, że
∎
Zachodzi wzór polaryzacyjny
.
Mamy
∎
Niech będą wektorami. Wówczas,
Zauważmy, że
czyli teza zachodzi. ∎
Dla dowolnych wektorów i zachodzi nierówność
Możemy założyć że wektory i są niezerowe. Dla dowolnego mamy
czyli z własności funkcji kwadratowych wynika, że | ||||
co kończy dowód. ∎
Dla dowolnych i mamy
oraz wtedy i tylko wtedy, gdy ;
;
(nierówność trójkąta)
Pierwsza własność wynika bezpośrednio z definicji normy. Dla dowodu drugiej zauważamy, że
Uzasadnimy nierówność trójkąta. Stosując nierówność Cauchy’ego–Schwarza mamy
co kończy dowód. ∎
Wektory ortogonalne
Wektory są ortogonalne (prostopadłe) wtedy i tylko wtedy, gdy
W szczególności, wektor zerowy jest prostopadły do każdego wektora, więc również do samego siebie.
Pokażemy, że dla dowolnych wektorów zachodzi równość
gdzie jest kątem między wektorami i . W szczególności,
Jeśli któryś z wektorów lub jest zerowy to powyższa równość jest prawdziwa. Załóżmy więc, że wektory i są niezerowe. Niech wektor będzie rzutem prostopadłym wektora na prostą rozpiętą przez wektor . Wtedy dla pewnego . Stąd wektor jest prostopadły do wektora . Gdy kąt jest ostry, to oraz
Jeśli kąt jest rozwarty, to oraz
W obydwu przypadkach
Ponieważ wektor jest prostopadły do , więc
czyli
Stąd
co kończy dowód.
Możemy na to spojrzeć jeszcze inaczej. Wektory i możemy zapisać w postaci trygonometrycznej:
Wtedy
Z nierówności Cauchy’ego–Schwarza wynika, że dla niezerowych wektorów mamy
Istnieje więc jednoznacznie wyznaczony taki kąt , że
Kąt między wektorami
Kątem pomiędzy niezerowymi wektorami nazywamy jedyny taki kąt , że
Wektor jednostkowy
Wektor nazywamy jednostkowym, gdy .
Jeśli wektor jest niezerowy, to wektor jest wektorem jednostkowym.
Niech . Niech i będą wektorami utworzonymi z kolumn macierzy . Macierz Grama ma postać
W szczególności, jest ortogonalna tzn. wtedy i tylko wtedy, gdy
czyli kolumny są wektorami jednostkowymi i są ortogonalne do siebie.
METRYKA EUKLIDESOWA
Korzystając z normy możemy zdefiniować funkcję
wzorem
Z własności normy, dla dowolnych mamy
oraz wtedy i tylko wtedy, gdy ,
,
.
Przykładowo,
Funkcję nazywamy metryką euklidesową w . Liczbę nazywamy odległością między i .
Rozważmy niezerowy wektor . Jak wiemy zbiór wszystkich wektorów postaci dla jest prostą równoległą do wektora i przechodzącą przez punkt . Prostą równoległą do i przechodzącą przez punkt możemy opisać jako zbiór punktów postaci ().
Równanie parametryczne prostej
Równanie parametryczne prostej przechodzącej przez i równoległej do niezerowego wektora ma postać
W skrócie, .
Definicja oznacza, że współrzędne punktu leżącego na prostej spełniają, dla pewnego skalara , układ równań
Ponieważ wektor jest niezerowy, więc któraś z jego współrzędnych lub jest różna od zera. Załóżmy przykładowo, że . Możemy wtedy z pierwszego równania wyliczyć otrzymując, że . Wstawiając do drugiego równania otrzymujemy, że
czyli
Jest to równanie ogólne prostej przechodzącej przez punkt i równoległej do wektora .
Równanie ogólne prostej
Równanie ogólne prostej na płaszczyźnie ma postać
Zauważmy, że prosta o równaniu ogólnym
przechodzi przez początek układu współrzędnych wtedy i tylko wtedy, gdy . Ma ona wtedy równanie , które możemy zapisać przy pomocy iloczynu skalarnego następująco:
Oznacza to, że składa się ona ze wszystkich wektorów prostopadłych do wektora .
Prosta o równaniu ogólnym
przechodzi przez punkt i jest prostopadła do wektora .
Analogicznie, dla niezerowego wektora i punktu równanie parametryczne prostej równoległej do i przechodzącej przez ma postać
Przyglądnijmy się przypadkowi , czyli prostym w przestrzeni . W postaci parametrycznej jest ona zadana układem równań
Jeżeli wszystkie liczby dla , to eliminując z powyższego układu otrzymujemy dwa równania
nazywane równaniami kanonicznymi prostej w przestrzeni. Jeżeli np. a , , to równania przyjmują postać
Gdy np. i , to równanie ma postać
Zastanówmy się jaki podzbiór przestrzeni jest opisany przez równanie
Możemy je zapisać równoważnie wykorzystując iloczyn skalarny jako
czyli zbiór składa się z wszystkich wektorów w prostopadłych do wektora . Oznacza to, że jest płaszczyzną prostopadłą do wektora i zawierającą początek układu .
Równanie ogólne płaszczyzny w
Równanie ogólne płaszczyzny w przestrzeni ma postać
W szczególności, równanie
opisuje płaszczyznę przechodzącą przez punkt i prostopadłą do wektora .
![]() |
![]() |
Rozważmy układ równań liniowych
Równania układu opisują dwie nierównoległe płaszczyzny. Zbiorem rozwiązań układu jest prosta będąca ich częścią wspólną.
Wyznaczymy dokładniej prostą . Odejmując pierwsze równanie od drugiego otrzymujemy układ równoważny
Stąd
Zbiór rozwiązań układu jest dany jako zbiór
Zauważmy, że
Rozwiązaniem układu jest prosta o równaniu parametrycznym