Espacio Con Producto Interno

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©

©

? 

©

 

  

    Muchas de las aplicaciones de las matemáticas están involucradas con el concepto de medición y por tanto, con el de magnitud o tamaño relativo de diversas cantidades. Luego no es sorprendente que los conjuntos o cuerpos de los números reales y los complejos que contienen una noción intrínsecamente de distancia jueguen un papel especial. El material que se presenta a continuación consideramos que todos nuestros espacios vectoriales se encuentran sobre el cuerpo [ ‰ · |

| .

Introducimos en las siguientes líneas la idea de distancia o longitud en los espacios vectoriales obteniendo una estructura mucho más rica, la famosa estructura de      

   ?      Êescribir detalladamente los elementos teóricos inherentes a los espacios con producto interno.   ? ? ? ^| Êefinir los espacios con producto interno como objetos matemáticos. ^| Êesarrollar axiomáticamente el estudio de los espacios con producto interno. ^| Establecer algunos resultados en relación a la aplicación de propiedades y teoremas propios del estudio de los espacios con producto interno.  ?         ?ea ´* u âu [ u2 un espacio vectorial sobre el cuerpo [ con [ ‰ · o [ ‰ producto escalar sobre * , es una función denotada por

|u |

. Un producto interno o

de *  * en [ que satisface las siguientes

condiciones: u u   * u || p  [

a.|

 â u  ‰ u  â

u

‰ p u

b.| p u ‰

c.|

u

d.|

u  



(conjugado)

u  ‰   ‰

 ?  ?: 1|P á gin a

c     c   c 

1.| * con el producto interno |u | se llama espacio con producto interno, interior o escalar. Al número real o complejo u

lo llamaremos producto interno o escalar de los vectores  || .

§.| El producto interno u   · , ya que según c) u  ‰ u  y esto sólo es cierto si u  es un número real. 3.| Las condiciones a) y b) son indicadores de la linealidad de la primera componente y por lo tanto lo podemos resumir como sigue: p  â  u  ‰ p u  â 

u

4.| Êe la observación anterior se deduce que u p    p u 5.| ?i [  · la condición c) quedaría de la siguiente forma u

 

u 

¿por qué?

u .

> | Un espacio vectorial real ´* u âu · u2 con un producto interno se llama también p p    y un espacio vectorial complejo ´* u âu u2 con producto interno se llama p    o p      | ?e le asigna, cuando es posible, un producto interno a un espacio vectorial para definir sobre el conceptos geométricos como: distancia entre dos vectores, ángulos, modulo o norma, perpendicularidad, entre otros. Estos conceptos no son inherentes al espacio vectorial sino que dependen del producto interno que en él se consideren.   ? ?  ? 1.| En

´·

á ᧠â

§

u u · u2 es producto interno la función que transforma a cada par

á u  u ᧠u §  en

 §

En efecto: Tomando

|u |  · §  ·

§

·

á u  u ᧠u §  ‰ áá § â

definida por

 §

se cumplen las cuatro

condiciones. a.|

á u   â á § u § u á u   ‰

´á â ᧠u



â

§

u ´á u

‰ ´á â ᧠á â ´  ⠉ ´áá â ᧠á â ´  ´áá 

 

§





(ley interna en el espac. Vect.) (Êef. de la función)

â

§ 

(distr. en el cuerpo · )

 ´á§á 

§ 

(conmut. y asoc. en · )

 

 á u  u á u    ᧠u § u á u   (Êef. de la función) §|P á gin a

c     c   c 

b.| p á u  u ᧠u §  ‰ p á u p  u ᧠u §  ‰ ´p á ᧠⠴p



‰ p ´á᧠â

§

 §

‰ p á u  u ᧠u §  c.|

á u  u ᧠u §  ‰ áá § â

 §

‰ á §á â

§ 

‰ ᧠u § u á u   d.|

á u  u á u   ‰ áá â

 

Además suponiendo que

‰ ´á

§

§

â´





á u  u á u   ‰  ´á

§

§

‰

 ´á

â´

 á ‰ §.| En

´

§

u â u u2

es

producto

interno

la

§

‰

´

§



‰

‰  ´á u



 

función

|u | 

u á â

u  u § u  

‰´ u 



definida

por



á u ᧠u á u

 u § u     á`

`

 á   á§

§

 á



` 

a.|

á u ᧠u á  â



u § u  u  u § u   ‰

 ´á 



´á â



u ᧠â

  ´á§ 

§

§



§  ´á 



 (Êef. de la función)

  ´á    ´ ´  ´á   á   á   ´       á      ᧠§   

§

§

§

 

§

 

 á u ᧠u á u  u § u    b.| p á u ᧠u á u



u § u   ‰ p á up ᧠up á u ‰ p á  â p á§

§

á u ᧠u á u



u § u    á   á§

§

 á



‰



§

᧠â





§

 

u § u  u  u § u  



´

‰ p á



â á§

§

â á



u §u 



‰ á â § ᧠â  á ‰ ‰  á â

§

(distr. en · )

 

u §u 

â p á

‰ p á u ᧠u á u c.|



 

á â

 

á

§

᧠â



á

pues  ‰ 

pues  â § ‰  â §

u § u  u á u á § u á 

3|P á gin a

c     c   c 

á u ᧠u á u á u ᧠u á   á á  ᧠᧠ á á ͙͙͙͙͙͙͙͙͙͙..͙͙͙.. (I)

d.|

á ‰ á â ᧠| È

Tomando

᧠‰ ᧠â ᧧ |

á ‰ á â ᧠| ͙͙͙. de (I) resulta

y

á u ᧠u á u á u ᧠u á  ‰ á á â ᧠᧠â á á ‰ ´á

§

â ´á§

§

á u ᧠u á u á u ᧠u á  ‰  ´á â ´á§

Además si

§

§

⠴᧠§

§

⠴᧧ §

§

â ´á

§

§

â ´á

§



§

â ´á § â ´á §§ â ´á  â ´á  ‰

 á ‰ ᧠‰ ᧠‰ ᧧ ‰ á ‰ á ‰

 á ‰ ᧠‰ á ‰  ´á u ᧠u á ‰ ´ u u

3.| En general para

´[

@

u âu [ u2 existe un producto interno llamado producto interno estándar @

|u |  [ @  [ @

[ definido por:

á u ᧠uu á@ u



u § uu @    á`

`

` 

4.| En

´

ë @

· u âu · u2 es producto interno la función

|u | 

ë @

· 

ë @

· 

·

definida por

Au B ‰ tr B t A 5.| En

´·

@

u â u · u2 es producto interno la función

ß  ß      §   siendo  ‰ |||| ‰  §           @   @ 6.| En el espacio vectorial ´m áu interno la función |u |  m áu

u âu · u2 siendo m á u

 m áu

|u |  · @  ·

@

·

‰   á u

definida por:

u

 t

·  | ||   es producto

· definida por:  u  ‰      á

     a)| ?ea ´* u âu [ u2 un espacio con producto interno. El producto interior de cualquier vector con el nulo es igual a cero. b)| ?i el producto interior de cualquier vector  con todos los elementos entonces  es el vector nulo, es decir: u

‰ u

V * siempre es cero,

*   ‰

 !" 

 4|P á gin a

c     c   c 

#

$# momo u

?ea se tiene

u

¿Por qué?

particular  ‰

‰

â u

¿Por qué?

definición de |u | 



u  u

¿Por qué?



u  u

¿Por qué?

‰ u Implicando que

u

 u  V*

‰ u â

â u

tomando en

  ‰ por la condición d) de la

¿Por qué?... (I)

‰ u

u

u  

â u

, con lo cual

‰ por propiedades en el cuerpo.

 

 %& ?ea ´* u u [ u2 un espacio con producto interno. Entonces a.|

u â  ‰ u

b.|

u p

u u   * ||| p  [ se cumplen:

⠝u 

 p u ‰ u  , entonces

c.| ?i u

‰

  !" a.| u â  ‰

¿Por qué?

¿Por qué?

‰p



¿Por qué?

¿Por qué?

‰p



¿Por qué?

¿Por qué?

 p u

¿Por qué?

‰

u  â u 

‰

u  â u 

‰ u c.| ?i u

‰ p u

â u 

⠝u 

b.| u p

¿Por qué?

‰ u  para todo   * se cumple que:

u  ‰ u   

u   u  ‰

¿Por qué?

u  â  u  ‰

¿Por qué?

 u  ‰ ¿Por qué? mon lo cual tomando  ‰   resulta: 

 u   ‰    ‰  ‰

 

¿Por qué?



5|P á gin a

c     c   c 

  ?  ? ? 1.| Êetermine si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas a)| Un producto interior es una función de valor escalar dentro del conjunto de pares ordenados de vectores. b)| Un espacio con producto interior debe estar sobre el cuerpo de los números reales o complejos. c)| Un producto interno es lineal en ambas componentes. d)| Existe exactamente un producto interior en el espacio vectorial · @ . §.| Êar razones por las cuales cada uno de las siguientes relaciones no son productos internos en los espacios vectoriales dados: a.| áu u u   ‰ á   en · § b.|

Au B ‰ tr A â B en  § § · 

c.|

 u  ‰          en V ·  donde ' denota diferenciación.



3.| Êemostrar que u

‰ A  es un producto interno en

§

ß  `

donde A ‰ 

`

 . Además calcular u §

para     `u §  ` u

 §  `u  §` Nota: * denota traspuesta conjugada (o adjunta) de una matriz

6|P á gin a

c     c   c 

?   %   ' ?ea ´* u âu [ u2 un espacio con producto interno. Para   * definimos la norma o la longitud de  por  ‰

u  . mon lo cual diremos que ´* u u [ u2 es un espacio normado.   ? ?  ?  §à

1.| ?i p es el espacio de las funciones continuas, donde  u  ‰



      , entonces:

§à

 wt ‰

 

§

wtt

Resolviendo la integral tenemos §à

 â  §wt  § t ‰

§à

§   wtt ‰

§à



 t â §

§à



 §wt    t ‰  t â se@§wt  §  § w 

§à

‰à

Así:  wt  à

§.| ?i p ‰

§ §

·  donde |u | 

§ §

· 

§ §

· 

· tal que Au B ‰ tr B t A

ß §  hallar: A § 

?i  

En efecto:



ßß ß § ß § u  tr       tr      §   §   § §



 %( ?ea ´* u âu [ u2 un espacio con producto interno. Entonces u u  V * |||p V [ se cumplen: a.|

p ‰ p 

b.|

 

c.|

u

 

d.|

â

  â

    (Êesigualdad de mauchy-?chwarz) (Êesigualdad Triangular)

  !"  ƒ|P á gin a

c     c   c 

a.| p  ‰

p u p 

¿por qué?

‰ p u p 

¿por qué?

‰ p p u 

¿por qué?

‰ pp u 

¿por qué?

 p p

§

u 

b.  ‰



u  ‰

¿por qué?

 u  ‰

¿Por qué?



¿Por qué?

Además si u  

por condición d) de la

u  

definición de |u | se tiene que

¿por qué?

con lo cual  

u   p  

c) propuesto d)  â

§

‰ â uâ

‰ u  â

â

¿por qué? uâ

¿Por qué?

‰ â u ⠝â u

¿Por qué?

‰ u  â

u  ⠝u

‰ u  â § e u

â

â

§



§

§

â

§

   § u   ⧠

Êe aquí tenemos que  â

¿Por qué?

u

¿Por qué?

u

¿Por qué? §

´  

  â

    ) ?ea ´* u âu [ u2 un espacio con producto interno. Un vector   * es un vector unitario si  ‰     ?    1.| En ·  u u · u2 con el producto interno estándar, el vector  ‰ ß  u   u  es un vector § §

´





unitario, su longitud es 1. §

§

En efecto  ‰ ß   â ß    â §  § 

´

§

‰

§.| ?ea · @ u âu · u2 con el producto interno estándar

á u ᧠uu á@  

´á

§

 ´á§

§

   á@ § es la

definición de longitud o norma Note: que para @ ‰  ||  ‰  



}|P á gin a

c     c   c 

  * ?ea ´* u u [ u2 un espacio con producto interno. Una función   *  *

· diremos que es una distancia

sobre * si se verifican las siguientes condiciones:  u  ‰   ‰ a. u  *   u   b. u  *   u  ‰  u   c. u u  V *   u    u     u 

 : al número real   u  lo llamaremos distancia entre  ||   + ?ea ´* u u [ u2 un espacio con producto interno. Entonces x u    

 u V * define una distancia

en * .  !" Estudiemos las condiciones de la definición 1.ƒ a)| x u     || |||    por definición de y  u  ‰       

 u  

b)| x u    

‰

   

      c)|  u  ‰  

de donde:

 x

u 

‰ â

‰  â 

‰  u   â  u 

  ?   1.| En p  · § se define el producto usual

´ u



u ´ § u

§

‰  § â

 §

, tomando  ‰ u § y

 u § , entonces la distancia de  | | es:

x u    

 u §  u §  u       

Gráficamente:

f|P á gin a

c     c   c 

§.| ?i

´

ë @

ß  · u âu · u2 con el producto interno definido por Au B ‰ tr B t A , tomando A ‰    § 

ß  y B‰  , entonces   x u   

ß ß   ß   ß       tr                       

 ?  ? 1.| Êe los comentarios anteriores se concluye que un espacio vectorial ´* u âu [ u2 con producto interno es a su vez un espacio normado y un espacio con una distancia definida. §.| En ´* u âu [ u2 con el producto interno estándar (producto escalar usual) tenemos la distancia  u  ‰  

definida para    u § uu @  ||| 

 u  ‰  

‰  u § uu @   ‰

´ 

‰



u §  §

´ 



uu

@

uu @ 

@

 §

â ´ § 

u

§

§ §



u

§

uu

@



 u ´   u § 

â  â ´ @ 

§

uu @ 

@

§ @

  ?  ? ?  1.| Êetermine si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas a)| La desigualdad triangular se cumple solo para espacios con producto interno de dimensión finita. b)| La norma de un vector  * espacio vectorial con producto interno, es igual a  

u

c)| La norma de un vector  V* espacio vectorial con producto interno satisface que u §.| ?ea * ‰

u



.

 

.

con el producto interno estándar. ?ean   §u  `u ` u  §  `u §u  §`  calcular §

||  

u u

luego verifique tanto la desigualdad de mauchy como la triangular.

3.| demostrar la ley del paralelogramo en un espacio ´* u âu [ u2 con producto interno, esto es, demostrar que:  



§

 

§

§

§  §

§

u  u V *



10 | P á g i n a

c     c   c 

   ?  ?, % ?    - ?ea

´* u âu [ u2 un espacio con producto interno. Êos vectores  u

denotará 

u V * son ortogonales si u

‰ . ?e



  . Un subconjunto ? Ù * es ortogonal dos a dos, si u V ? tal que  ð se cumple que u decir:  u

‰ (es

son ortogonales)



 ?  ? 1.| §.| 3.|

u

‰

 *

   ‰     , esto es, ?i  u

la relación ortogonal es una relación simétrica y por ello se suele decir

son ortogonales en lugar de decir  es ortogonal a . Pero esta relación no es reflexiva ni

transitiva, solo hay un vector relacionado consigo mismo, el cero, además los vectores   u §u  ,

 uu y   §u u en ·



fácilmente comprueban que aún cuando 



y

  pero  u  no son ortogonales.

 ? ?  ? En ´·  u âu · u2 los vectores  u § dados son ortogonales con el producto escalar: a.|  ‰ u §u u ||§ ‰ §u u  Pues:  §  §     b.|  ‰ ´ § u  u   u ||  § ‰ ß § u u §     

 

ߧ  §             

Pues: ´ §

´

c.|   ß §uu   u ||§  ´u u  § 





Pues §     ß       §

En ´· u â u · u2 con el producto escalar, la base canónica es un conjunto ortonormal. @





11 | P á g i n a

c     c   c 

   ?ea ´* u âu [ u2 un espacio con producto interno se cumple:

u u u§ uu u r Ù * de

a.| Todo conjunto

vectores ortogonales dos a dos, que no

contengan al nulo, es linealmente independiente. b.| ?i un vector  es combinación lineal de un número finitos de vectores ortogonales @

dos a dos, no nulos:  u § uu @ entonces   

u    

 

c.|   á | | 

  ´p á 



§

pu   [

d.| ?iendo * de dimensión @ , si

 u § uu ë Ù *

es un conjunto de vectores

ortogonales dos a dos, no nulos, entonces ë  @  !" a.| ?ea  u u u§ uu ur  un conjunto ortogonal de vectores de * donde u` ð u `  uu r , probemos que es linealmente independiente. En efecto: r

?upongamos que

p u

` `

 por tanto para cada u  tenemos que

` 

r

p u uu ` `



(prop. 1.§)  pu â p §u § â  â p r u r u u  ‰

‰

` ‰

 p u u u  â p § u § u u  â  â p r u r u u  ‰ r

p

`

u` u u  

͙͙͙͙͙.. (I)

` 

Pero como u` u u  ‰

 ` ð  (por ser A un conjunto ortogonal) y u  u u  ð

pues u  ð u  (por

hipótesis). Luego de (I) se desprende: p  u  u u  ‰ u ||  ‰ uu r implica que p  ‰ u |||  ‰ uu r indicando por definición que A es linealmente independiente.

@

b.| momo  ‰  p    con p `  [ u |||` ‰ uu @ | implicando  ‰

| u   ‰

@

p



 u 

 ‰

1§ | P á g i n a

c     c   c 

‰ p  â p § § â  â p @ @ u   ‰ p  u   â p § § u   â  â p    u   â  â p @ @ u   ¿por qué? ‰ p    u   ¿por qué?

Luego p  ‰ c.|

u p á â 

u   

indicando que  ‰

§

@



u  

 ‰

‰ p u á â  u



§



¿por qué?

‰ p  â   ¿por qué?

‰ Por tanto   ´p á â 

definición 1.f

d.| Propuesto

%  %       ?ea

´* u âu [ u2 un espacio vectorial con producto interno y sea

? subespacio de * . El complemento

ortogonal de ? , que denotaremos por ?  , es el conjunto formado por todos los vectores de * que son ortogonales a cada elemento de ? .

?    V *  u

 u  V ?

  % ? 1.| ?i ? ‰   entonces ?  ‰ * §.| ?i ? ‰ * entonces ?  ‰   3.| ?i * ‰ · § || |? ‰  u     ·

 entonces ?  ‰ 

u  ·





 %& ?ea

´* u âu [ u2 un

espacio vectorial con producto interno. El complemento ortogonal ?  Ù * es un

subespacio vectorial de *  !" I.|

 ?  pues se cumple que

s  ?  su

‰

¿Por qué? 13 | P á g i n a

c     c   c 

II.| ?ean u  ?  probemos que ´ â

?

En efecto: sea s  ? se cumple que  â u s ‰ u s â

u s ¿Por qué?

  ‰ Por tanto ´ â

¿Por qué? ¿Por qué? ?

III.| ?ean  V ?  y p  [ probemos que p  V ?  En efecto: sea s  ? se cumple que p u s  p u s ¿Por qué? ‰p ¿Por qué? ‰ ¿Por qué?  Por tanto p  V ? Finalmente hemos demostrado que ?  es un subespacio vectorial de *   ?   lallar el complemento ortogonal del subespacio de * ‰ ·





generado por los vectores á  u u y

uu .

?/0 !" momo *  · Implicando



se tiene que: ?   u u   V ·   u u  u u u 



que:

 â  ‰ ||

?  ‰  u u  ·     ·

|| â  ‰

por

lo

que

 u u  u uu 



?  ‰    u   u    ·     · es

decir:



Êel resultado anterior ?  es generado por u u , gráficamente por la recta del vector director u u .

 %' ?ea ´* u u [ u2 un espacio vectorial con producto interno. ?i subespacio ? de * , entonces  ?  

  u § uu ë es una base de un

u ` ‰ u `  

 !"  ?upongamos que

 ?  , entonces

u s ‰ u || s  ? en particular

u ` ‰ u || s ‰ `   Ù ?

14 | P á g i n a

c     c   c 

 Recíprocamente supongamos que ë

u ` ‰ u || `   como  es base de ? entonces

ë

s V ?  s   p ` `

us 

` 

u  p ` ` ` 

u s  p

u   p §

u s ‰ u ||| s  ?



u §    p ë

u ë ¿Por qué?

¿Por qué?

  ?  ¿Por qué?

Finalmente por ley del bicondicional se cumple la proposición.     ? % ?   ( ?ea

´* u âu [ u2 un espacio vectorial con producto interno. Êos vectores

ortogonales y además su norma es igual a uno, es decir u

‰ |

u V * son ortonormales si son

|  ‰

‰

  ) ?ea

´* u âu [ u2 un espacio vectorial con producto interno. Un subconjunto

? Ù * es ortonormal si ? es

ortogonal y consiste sólo de vectores unitarios.   % ? 1.| En * ‰ · § con el producto interno estándar ? ‰  u u ues un conjunto ortonormal. §.| En general

´·

@

u â u · u2 con el producto interno estándar, la base canónica es un conjunto

ortonormal. 3.| En ´· § u âu · u2 los vectores  u § dados son ortonormales con el producto escalar: ß   ß    ‰  u  u | |  § ‰  u   § § § §    

ß § ß  §   ‰   u u   u ||  § ‰        

 ?   ? es ortogonal sí y sólo si

u *    |

|  ‰

‰ 15 | P á g i n a

c     c   c 

   * ?ea ´* u âu [ u2 un espacio con producto interno se cumple: a.| Todo conjunto u u u§ uu u r Ù * de vectores ortonormales, es linealmente independiente. b.| ?i

u u u§ uu uw es

un conjunto ortonormal de vectores de * entonces

 * el vector     u u u  u u§ u§    u uw uw es ortonormal a cada uno de los u` .  !" a.| Propuesto b.| Probemos que u u` ‰

con ` ‰ uu w

En efecto

u u`    u u u  u u§ u§    u uw uw u u` que ‰ u u`  u u u u u`  u u§ u§ u u`     u u` u` u u`     u uw uw u u` ‰ u u`  u u` ‰ Lo anterior implica que   u` con ` ‰ uu w   + ?ea ´* u âu · u2 un espacio euclidiano. ?e define el ángulo entre los vectores u  * como: c ‰ 

u 

 ?  ? 1.| Êe la definición se deduce que u §.| ?i  

entonces u



‰ 

 c

y por lo tanto 

 c 

y dado que se cumple que

à , lo cual garantiza el hecho de que dos § à vectores son ortogonales o perpendiculares si el ángulo comprendido entre ellos es igual a . §

 ð | |

ð , se tiene que  c  ,es decir c 

16 | P á g i n a

c     c   c 

  ?   El ángulo entre los vectores  ‰ § u u  §u § ‰

u u   es

ß  ß  ß § ß  c                §       §   §   §   

Por tanto  u § no son perpendiculares.

 ?  1  2?3%     - ?ea ´* u âu [ u2 un espacio con producto interno. Un subconjunto  de * es una BA?E ORTONORMAL de * , si  es una base ordenada de * y además es un conjunto ortonormal.

 ? ?  ?

´

1.| En · § u âu · u2 con el producto interno estándar

  ß  u   u ß  u    es una base § § § §     

ortonormal. §.| En

´·

@

u âu · u2 con el producto interno estándar, entonces la base canónica ordenada,

 ‰ ´u uu

u ´ uuu

uu ´ u uu es una base ortonormal.

 %. ?ea

´* u âu [ u2 un

espacio con producto interno y sea ? ‰   u

independiente (l.i) de * . Êefinimos ?   u § uu @ donde  ‰

§



uu

@



y w ‰

un conjunto linealmente w 

w

  ‰

w

u   

§

(I) para

w  §uu @ , entonces ?  es un conjunto ortogonal de vectores no nulos tales que ?  ?   ?  ?  .

  !" Procedamos por inducción sobre @ , haciendo ? @ ‰   u

§

uu

@



En efecto: Para @ ‰  , entonces el teorema es cierto pues ?  ? ya que  ‰



ð 1ƒ | P á g i n a

c     c   c 

?upóngase que ? w ‰   u

§

uu

w

 es (l.i) y que

? w ‰  u § uu w se construye usando la ecuación descrita

en (I) siendo este un conjunto ortogonal de vectores no nulos tal que ?VAN ? w  ‰ ?VAN ?w  ? w â ‰  u § uu w u w â también cumple con las condiciones descritas, donde

Probemos que w

w  

w   

w 

u  



 

͙.. (II)

§

w

w   

Al suponer que w   entonces en la ecuación (II) tenemos

 

Es decir,

w 

es combinación lineal de

 u § uu w , indicando

que

w 

u  

 w â

§

 ?VAN ? w  ‰ ?VAN ?w  por

hipótesis inductiva, lo cual contradice la hipótesis del teorema del hecho que ? w â es (l.i) entonces w â ð

Veamos ahora si ? w â es un conjunto ortogonal, para esto busquemos el producto interno de w  con los `  ? w

En efecto w

w â u ` ‰

w â

u `  

w â



 ‰

 ‰ 

u ` 

w 

w 

u ` 

w â

w â

u ` 

w 

w 

 ` `

u  §

u ` §

u ` §

u

  u `

§

 u ` 

de (II)

w 

u §

§

§

§ u `   

w 

`

u ` §

` u `   

w 

w

u w §

w u `

` u ` `

§

‰ Luego

? w â

es

ortogonal

y

por

propiedad

1.11

a)

es

(l.i).

mumpliéndose

que

 ?VAN ? w â  ‰  ?VAN ? w â  ‰ w â  , por lo cual ?VAN ? w â  ‰ ?VAN ? w â 

Finalmente por inducción se concluye que la proposición es verdadera.   ?   La construcción de ?  mediante el uso de la ecuación descrita en (i) se llama proceso de ortogonalización de Gran ʹ ?chmidt.

 1} | P á g i n a

c     c   c 

  ?  

´

En ·  u u · u2 los vectores



‰ ´uu ,

§

‰ ´ uu y



‰ ´ u u son (l.i), entonces los vectores  u § u 

obtenidos según la ecuación descrita en (i) del teorema 1.§0 son ortogonales. ?olución:

 ‰



‰ ´uu

§ ‰

§



 ‰







§

u   



§

 ‰  §

u § § §

§

uuu uu uu

‰ uu  



u   

§



‰ uu 

§



 



ß §   ß §   u uu   u u    u u            

u u 

§ uu ß §   ‰   u u  y §     

u uu uu uu 

  ß  u u  § § 

   ß §   ß Por tanto ?  ´uu u   u u  u  u  u  es un conjunto ortogonal de vectores de ·  , que además § §        por propiedad 1.11 a) es (l.i). 

 % ?ea

´* u âu [ u2 un

espacio con producto interno de dimensión finita, entonces * tiene una base @

ortonormal

. Además si  ‰  u § uu @ y   * entonces    u ` ` ` 

 !" ?ea  una base ordenada de * , según el teorema 1.§0 construiremos un conjunto   de vectores ortogonales tales que ? 

  ? 



 * .

Êividiendo cada elemento de   entre su norma obtendremos un conjunto de vectores ortonormales  que genera a * y por propiedad 1.1ƒ a)  es (l.i) por tanto es una base ortonormal de * . @

  u § uu @ y   * entonces    á` ` con á`  [ y ` ‰uu @ ͙..(*)

Por otra parte, si

` 

Además u   ‰

@

á  u ` `

` ‰



@

@

` ‰

` ‰

‰  á` ` u   ‰  á`l ` ‰ á` @

?ustituyendo en (*) tenemos    u ` ` ` 

1f | P á g i n a

c     c   c 

  ?  

´

Êel ejercicio resuelto anteriormente se obtuvo en ·  u u · u2 un conjunto ortogonal de vectores que §     forman una base de ·  :  ‰  ´uu u ß  u u  u ß u  u  entonces para conseguir una base § §      

ortonormal de ·  , basta dividir cada vector de

entre su norma.

Así:  ‰

 u  ‰ 

§ ‰

§ u § ‰

 ‰   

 ‰

 u  ‰

 ‰ § § §

Esto implica que:  §   §       

´uu u ß  u u  u ß u  u   ´uu u ´§uu u ´ u u § §         §   §  

es

una

base

ortonormal.

 ?ea

´* u âu [ u2 un

espacio con producto interno de dimensión finita, una base ortonormal

 ‰  u § uu @ . ?ea à un operador lineal sobre * y A ‰ T



, entonces A` ‰ T   u ` .

 !" @

?egún teorema 1.§1 à      à   u ` ` pero el vector coordenada es único, esto quiere decir: ` 

ß à   u     à   u §  à        M      à   u @   

Por tanto A` ‰ T   u `

§0 | P á g i n a

c     c   c 

  ?   ?ea

   

´uu u ´§uu u ´ u u una base ortonormal de ·  y T  ·  §  



·



un operador

lineal definido por T u u  ‰   u u    se tiene que: A ‰ T  u  ‰ 

§  à § u   

A§ ‰ T

  à  u   

A ‰ T A§ ‰ T A§§ ‰ T

  u § ‰   §  u  ‰    § u  ‰   § § u § ‰  

§  à  u §



  



  à  u   

Êe donde:

A ‰ T



ß     ‰    §     





 §    

         

  ?  ? ? 1.| Êetermine si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas a)| El proceso de ortogonalización de Gran-?chmidt nos permite construir un conjunto ortonormal a partir de un conjunto arbitrario de vectores. b)| Todo espacio vectorial de dimensión finita con producto interno posee una base ortonormal c)| El complemento ortogonal de cualquier conjunto es un subespacio §.| ?ea ´* u âu [ u2 un espacio con producto interno, supóngase que son vectores ortogonales. Êemostrar que  

§

§

  

§

deducir el teorema de Pitágoras en · § .

3.| Êemuestre que para cualquier subespacio ¿ de un espacio vectorial ´* u âu [ u2 con producto interno de dimensión finita se cumple que: * ‰ ¿  ¿  4.| En cada uno de los incisos siguientes aplicar el proceso de Gran-?chmidt al subconjunto ? del espacio vectorial ´* u âu [ u2 con producto interno. Encontrar además una base  ortonormal para *

§1 | P á g i n a