Ортогональность векторов и подпространств
Изучение ортогональности позволяет понять ее алгебраические и геометрические свойства, которые станут для нас инструментами для декмопозиции (разложения - альт. термин) пространств на подпространства. Более того это знание поможет нам более широко взглянуть на решение систем линейных уравнений.
Определение ортогональности
Два вектора являются ортогональными если
Два подпространства ортогональны, если для всех и , и ортогональны.
Пример
В качестве иллюстрации рассмотрим вектор , где . Тогда вектор ортогонален . Аналогично, прямым вычислением можно установить, что подпространства
являются ортогональными. В данном случае достаточно проверить ортогональность векторов и . Более того, это отражает общее свойство: чтобы установить ортогональность подпространств и , достаточно проверить ортогональность векторов, образующих их базисы.
Леммы и следствия ортогональности
Лемма 1 - ортогональность базисов
Из определения ортогональности следует, что если базисы подпространств ортогональны, то и сами подпространства ортогональны, и наоборот. Если более формально, то:
Пускай будет базисом подпространства . Пускай будет базисом подпространства . и ортогональны тогда и только тогда, когда и ортогональны для всех и .
Это очень полезная лемма, так как проверка ортогональности базисов подпространств является эффективным методом подтверждения того, что сами подпространства ортогональны.
Доказательство
Докажем утверждение в обе стороны.
() Пусть подпространства и ортогональны. Тогда для любых базисных векторов , , и , , выполняется
() Пусть теперь
Возьмём произвольные и . Тогда существуют коэффициенты такие, что
Тогда
Следовательно, и ортогональны.
Лемма 2 - линейная независимость ортогональных базисов
Еще одна ценная лемма, гласит следующее:
Пускай и являются двумя ортогональными подпространствами . Пускай будет базисом подпространства . Пускай будет базисом подпространства . Множество векторов является линейно независимым.
Доказательство
Рассмотрим линейную комбинацию
Покажем, что для всех и для всех .
Обозначим
Тогда из следует
Вычисляя скалярное произведение с , получаем
Следовательно, , и тогда принимает вид
Поскольку векторы и линейно независимы, получаем
для всех и .
Факт - объединение базисов дает вновь базис
Из вышеописанной леммы вытекает еще один важный факт об ортогональных подпространствах:
Объединение базисов двух подпространств и дает вновь базис для подпространства
Здесь важно заметить, что если и являются подпространствами , то и также будет являться подпространством .
Следствие 3 - пересечение и размерность ортогональных подпространств
Предпоследнее доказательство продемонстрировало, что если вектор находится на пересечении двух ортогональных подпространств, то . Из этого мы можем заключить (как следствие), что если и являются ортогональными подпространствами, тогда
Более того, если и , тогда
Определение ортогонального дополнения
Пускай будет подпространством . Мы определяем ортогональное дополнение , как
То есть это множество всех векторов в , которые ортогональны для всех . К тому же мы можем заметить, что является тоже подпространством . Именно благодаря ортогональным подпространствам мы можем делать декомпозицию (разложение) пространства .
Пример
Пускай будет матрицей. Тогда самым явным примером, прямиком следующим из раздела о четырех фундаментальных подпространствах, будут подпространства и . Они являются ортогональными дополнениями относительно друг-друга и, соответственно,
Это значит, что мы можем разложить пространство на два ортогональных подпространства: столбцовое пространство и нулевое пространство (ядро) .
Доказательство
Сначала покажем, что .
Пусть и возьмём произвольный . По определению существует такое, что . Тогда
Следовательно, .
Теперь докажем обратное включение: . Пусть , то есть
Положим и возьмём . Тогда , и потому
Отсюда , то есть .
Теорема ортогональных подпространств
Пускай являются ортогональными подпространствами .
Следующие утверждения эквивалентны:
- Каждый вектор может быть выражен как при помощи уникальных векторов .
Доказательство
Пусть — базис , а — базис . По лемме 1 подпространства и ортогональны тогда и только тогда, когда
1 2. Определим матрицу , строками которой являются . Тогда
Кроме того, из вышеприведенного примера
Следовательно, и потому . 2 3. По лемме 2 система векторов
линейно независима. Поскольку , эта система образует базис . Значит, любой вектор единственным образом представляется в виде
Обозначим
3 1. Покажем, что . Так как ортогонально , имеем . Пусть теперь . По предположению в 3, мы знаем, что
Тогда
Следовательно, и потому . Значит, , откуда .
Дополнительные леммы, основанные на теореме
Лемма 4 - двойное ортогональное дополнение
Пускай будет подпространством . Тогда
Лемма 5 - ортогональное дополнение ядра матрицы
Лемма 4 вместе с предыдущей теоремой дает нам возможность заключить, что
Лемма 6 - равные ядра и столбцовые пространства
Наконец, ещё одна лемма, которая поможет нам позже в разборе проекций:
Доказательство
Если , тогда и также , соответственно .
Теперь другое направление: Если тогда . Из этого следует::
Это показывает, что вектор должен быть вектором с нормой равной , что означает , то есть .
Для второго утверждения мы используем факт, что и :