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Appunti di Geometria - 6<br />
Samuele Mongodi - s.mongodi@sns.it<br />
1 Applicazione aggiunta<br />
Richiami Sia V uno spazio vettoriale reale con un prodotto scalare 〈·, ·〉 non<br />
degenere; sia poi T : V → V una applicazione lineare. Si definisce applicazione<br />
aggiunta di T l’unica applicazione lineare a T : V → V tale che<br />
〈T v, w〉 = 〈v, a T w〉 ∀ v, w ∈ V<br />
Fissata una base B = {v1, . . . , vn}, possiamo associare al prodotto scalare una<br />
matrice simmetrica invertibile A e all’applicazione lineare una matrice B. Supponiamo<br />
inoltre che all’applicazione aggiunta di T sia associata la matrice C,<br />
allora si avrà<br />
(Bv) t Aw = 〈T v, w〉 = 〈v, a T w〉 = v t A(Cw)<br />
ovvero<br />
v t B t Aw = v t CAw<br />
che, dovendo valere per ogni v, w ed essendo A invertibile (ovvero il prodotto<br />
scalare non degenere), implica<br />
da cui<br />
B t A = CA<br />
C = A −1 B t A<br />
Quindi, ad esempio, se il prodotto scalare è quello euclideo (e dunque A è<br />
l’identità), l’aggiunta di un’applicazione lineare corrisponde alla trasposta della<br />
matrice associata.<br />
Ora supponiamo che B sia la base canonica e di avere trovato una base di<br />
autovettori di A (che esiste per il teorema spettrale), che sia ortonormale per<br />
il prodotto scalare euclideo (si veda la dispensa n. 5); la matrice M di cambiamento<br />
di base dalla base canonica a questa base di autovettori è ortogonale,<br />
quindi la trasposta e l’inversa sono uguali. Inoltre in tale base la matrice associata<br />
al prodotto scalare (che sarebbe M tAM) è diagonale; in effetti è la forma<br />
di Jordan di A. Dunque avremo che la matrice associata al prodotto scalare in<br />
questa base è<br />
A ′ ⎛<br />
⎞<br />
λ1 0 · · · 0<br />
⎜ 0 λ2 · · · 0 ⎟<br />
= ⎜<br />
⎝<br />
.<br />
. . ..<br />
⎟<br />
. ⎠<br />
0 0 · · · λn<br />
1
e quindi<br />
A ′−1 ⎛<br />
1/λ1<br />
⎜ 0<br />
= ⎜<br />
⎝ .<br />
0<br />
1/λ2<br />
.<br />
· · ·<br />
· · ·<br />
. ..<br />
0<br />
0<br />
.<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
0 0 · · · 1/λn<br />
Inoltre, la matrice associata all’applicazione lineare in questa base sarà M −1 BM,<br />
secondo la formula del cambio di base per un’applicazione lineare, ma visto che<br />
M è ortogonale, questo è anche uguale a M t BM, quindi in definitiva la matrice<br />
associata all’applicazione aggiunta in questa base sarà<br />
dove A ′ e A ′−1 sono diagonali.<br />
x3<br />
A ′−1 M t BMA ′<br />
Esempio Si consideri R3 con la base canonica e sia 〈·, ·〉 il prodotto scalare<br />
standard. Sia data l’applicazione<br />
⎛<br />
f ⎝ x1<br />
x2<br />
⎞ ⎛<br />
⎠ = ⎝ x2 + x1<br />
2x3 − x2<br />
⎞<br />
⎠<br />
x1 + 2x2<br />
Vogliamo calcolare l’aggiunta di f rispetto al prodotto scalare standard.<br />
Ovviamente, la matrice associata al prodotto scalare standard rispetto alla<br />
base canonica è l’identità, quindi non dobbiamo fare altro che calcolare la<br />
matrice associata ad f e farne la trasposta.<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
dunque<br />
⎛<br />
a<br />
f ⎝<br />
x1<br />
x2<br />
x3<br />
f<br />
⎝ x1<br />
x2<br />
x3<br />
1<br />
⎠ = ⎝0 1<br />
−1<br />
0<br />
2⎠<br />
1 2 0<br />
⎞ ⎛<br />
1 0<br />
⎞ ⎛<br />
1<br />
⎠ = ⎝1<br />
−1 2⎠<br />
⎝<br />
0 2 0<br />
x1<br />
x2<br />
x3<br />
⎞<br />
⎝ x1<br />
x2<br />
⎛<br />
x3<br />
⎠<br />
x1 + x3<br />
⎞<br />
⎠ = ⎝ x1 − x2 + 2x3<br />
2x2<br />
⎠<br />
Esempio Si consideri l’applicazione lineare da R3 in sé data da<br />
⎛ ⎞ ⎛<br />
⎞<br />
f ⎝<br />
x1<br />
x2<br />
x3<br />
⎠ = ⎝<br />
x1 + x2 + x3<br />
x2 + x3<br />
Vogliamo calcolarne l’aggiunta rispetto al prodotto scalare<br />
〈v, w〉 = v1w1 − v1w2 − w1v2 + 3w2v2 + w2v3 + v2w3 + v3w3<br />
La matrice associata ad f rispetto alla base canonica è<br />
⎛<br />
1 1<br />
⎞<br />
1<br />
B = ⎝0<br />
1 1⎠<br />
0 0 1<br />
2<br />
x3<br />
⎠
mentre quella associata al prodotto scalare è<br />
⎛<br />
1 −1<br />
⎞<br />
0<br />
A = ⎝−1<br />
3 1⎠<br />
0 1 1<br />
dunque la matrice associata all’aggiunta è<br />
A −1 B t ⎛<br />
2 1<br />
⎞ ⎛<br />
−1 1 0<br />
⎞ ⎛<br />
0 1 −1<br />
⎞<br />
0<br />
⎛<br />
2 −3<br />
⎞<br />
−1<br />
A = ⎝ 1 1 −1⎠<br />
⎝1<br />
1 0⎠<br />
⎝−1<br />
3 1⎠<br />
= ⎝ 1 −2 −1⎠<br />
−1 −1 2 1 1 1 0 1 1 −1 9 5<br />
Quindi<br />
⎛<br />
a<br />
f ⎝<br />
x1<br />
x2<br />
x3<br />
⎞<br />
⎛<br />
⎠ = ⎝<br />
2x1 − 3x2 − x3<br />
x1 − 2x2 − x3<br />
−x1 + 9x2 + 5x3<br />
Esempio Si consideri il prodotto scalare dato su R4 , rispetto alla base canonica,<br />
dalla matrice<br />
⎛<br />
7<br />
⎜<br />
A = ⎜0<br />
⎝1<br />
0<br />
14<br />
0<br />
1<br />
0<br />
7<br />
⎞<br />
0<br />
2 ⎟<br />
0 ⎠<br />
0 2 0 14<br />
e sia, sempre rispetto alla base canonica, data l’applicazione lineare<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
f<br />
⎜<br />
⎝<br />
x1<br />
x2<br />
x3<br />
x4<br />
⎟<br />
⎠ =<br />
⎜<br />
⎝<br />
x1 + x2<br />
x2 + x3<br />
x3 + x4<br />
x1 + x4<br />
Vogliamo trovare una base ortonormale di autovettori di A per il prodotto<br />
scalare canonico e scrivere l’aggiunta di f rispetto a tale base.<br />
Per la prima parte, si veda la dispensa n.5 per i dettagli; in breve, il polinomio<br />
caratteristico di A è<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎠<br />
p(λ) = (λ − 8)(λ − 6)(λ − 12)(λ − 16)<br />
e una base di autovettori è la seguente:<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎞<br />
1<br />
0 ⎟<br />
1 ⎠<br />
⎛<br />
1<br />
⎜ 0<br />
⎝ −1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
0 0<br />
Tale base è ortogonale rispetto al prodotto scalare standard, in quanto ogni<br />
autovettore corrisponde ad un autovalore diverso (teorema spettrale); quindi<br />
basta normalizzare i vettori, sempre rispetto al prodotto standard. Si ottiene<br />
così la matrice di cambio di base<br />
⎛<br />
⎞<br />
M = 1<br />
√ 2<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
0<br />
1<br />
0<br />
−1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
⎜<br />
⎜0<br />
⎝1<br />
1<br />
0<br />
−1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0<br />
1 ⎟<br />
0⎠<br />
0 0 −1 1<br />
3<br />
0<br />
1<br />
0<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠
che è dunque ortogonale (quindi M t = M −1 ) e quindi<br />
A ′ = M t AM = M −1 AM =<br />
La matrice associata ad f nella base canonica è<br />
⎛<br />
1<br />
⎜<br />
B = ⎜0<br />
⎝0<br />
1<br />
1<br />
0<br />
0<br />
1<br />
1<br />
⎞<br />
0<br />
0 ⎟<br />
1⎠<br />
1 0 0 1<br />
⎛<br />
8<br />
⎜<br />
⎜0<br />
⎝0<br />
0<br />
6<br />
0<br />
0<br />
0<br />
12<br />
⎞<br />
0<br />
0 ⎟<br />
0 ⎠<br />
0 0 0 16<br />
e dunque la matrice associata a af nella base di autovettori normalizzati trovata<br />
sopra è<br />
C = A ′−1 M t B t MA ′ ⎛<br />
⎜<br />
= ⎜<br />
⎝<br />
1<br />
0<br />
0<br />
0<br />
1<br />
1/2<br />
0<br />
−2<br />
1<br />
⎞<br />
2<br />
0 ⎟<br />
0⎠<br />
1/2 0 0 1<br />
Attenzione! Non possiamo scrivere af(x1, x2, x3, x4) = · · · in quanto la matrice<br />
C che abbiamo trovato esprime l’aggiunta rispetto alla base di autovettori<br />
⎛<br />
1/<br />
⎜<br />
⎝<br />
√ 2<br />
0<br />
1/ √ ⎞ ⎛<br />
1/<br />
⎟ ⎜<br />
⎟ ⎜<br />
2 ⎠ ⎝<br />
0<br />
√ 2<br />
0<br />
−1/ √ ⎞ ⎛<br />
0<br />
⎟ ⎜<br />
⎟ ⎜ 1/<br />
2 ⎠ ⎝<br />
0<br />
√ 2<br />
0<br />
−1/ √ ⎞ ⎛<br />
0<br />
⎟ ⎜<br />
⎟ ⎜ 1/<br />
⎠ ⎝<br />
2<br />
√ 2<br />
0<br />
1/ √ ⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
e non rispetto alla base canonica!<br />
Per tornare alla base canonica dalla matrice C dobbiamo calcolare<br />
MCM t ⎛<br />
1<br />
⎜<br />
= ⎜1/2<br />
⎝ 0<br />
0<br />
1<br />
2<br />
0<br />
0<br />
1<br />
⎞<br />
2<br />
0 ⎟<br />
0⎠<br />
0 0 1/2 1<br />
e, se avrete la pazienza di svolgere i conti, vedrete che questa coincide (per<br />
fortuna!) con A −1 B t A.<br />
Attenzione! L’aggiunta di f rispetto al prodotto scalare standard nella base<br />
ortonormale che diagonalizza A è associata alla matrice<br />
M t B t M<br />
Esercizio 1 Scrivere le applicazioni aggiunte rispetto al prodotto scalare<br />
standard delle seguenti applicazioni lineari:<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
1. f ⎝<br />
2. f<br />
⎛<br />
x1<br />
x2<br />
x3<br />
⎝ x1<br />
x2<br />
x3<br />
⎠ = ⎝<br />
⎞<br />
⎠ =<br />
⎛<br />
x1 + x2<br />
x2 + x3<br />
x1 + x3<br />
⎝ 2x2<br />
3x3<br />
x1<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎠<br />
4
⎛<br />
3. f ⎝<br />
4. f<br />
⎛<br />
x1<br />
x2<br />
x3<br />
⎝ x1<br />
x2<br />
x3<br />
⎞<br />
⎛<br />
⎠ = ⎝<br />
⎞<br />
⎠ =<br />
⎛<br />
x1 − x2<br />
x2 − x3<br />
x3 − x1<br />
⎝ x1 + x3<br />
−x2<br />
x1 − x3<br />
Esercizio 2 Scrivere l’aggiunta dell’applicazione da R4 in sé<br />
⎛<br />
x1<br />
⎜ x2<br />
f ⎜<br />
⎝ x3<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
x4<br />
=<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
x2 + 3x3 − 4x4<br />
x1 − x2 + x3<br />
x2 + 4x4<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2x1 − 3x3<br />
rispetto al prodotto scalare<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎠<br />
〈x, y〉 = x1y1 − x1y2 − x2y1 + 3x2y2 + x2y3 + x3y2 + x3y3 + 2x4y4<br />
Esercizio 3 Si consideri lo spazio R2[x] dei polinomi a coefficienti reali di grado<br />
minore o uguale a 2 e su di esso il prodotto scalare<br />
〈p(x), q(x)〉 =<br />
1<br />
0<br />
p(x)q(x)dx<br />
Si consideri inoltre l’applicazione lineare T (p(x)) = xp ′ (x) + p(1). Si scrivano le<br />
matrici associate al prodotto e all’applicazione rispetto alla base {1, x, x 2 } e si<br />
determini la matrice associata a a T in questa stessa base (ovviamente, l’aggiunta<br />
va intesa rispetto al prodotto scalare dato).<br />
Esercizio 4 Sia R4 e sia 〈·, ·〉 il prodotto scalare dato, rispetto alla base<br />
canonica, dalla matrice<br />
⎛<br />
1<br />
⎜<br />
A = ⎜−1<br />
⎝ 0<br />
−1<br />
2<br />
−1<br />
0<br />
−1<br />
2<br />
⎞<br />
0<br />
0 ⎟<br />
−1⎠<br />
0 0 −1 2<br />
Si determini la matrice, rispetto alla base canonica, dell’applicazione aggiunta<br />
rispetto a questo prodotto scalare dell’applicazione<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
f<br />
⎜<br />
⎝<br />
x1<br />
x2<br />
x3<br />
x4<br />
⎟<br />
⎠ =<br />
⎜<br />
⎝<br />
x2 + x3<br />
x1 + x3<br />
2x3<br />
x4 + x3<br />
Esercizio 5 Si trovi una base di R3 ortonormale rispetto al prodotto scalare<br />
standard che diagonalizzi la matrice simmetrica<br />
⎛<br />
5<br />
A = ⎝−2 −2<br />
5<br />
⎞<br />
2<br />
−2⎠<br />
2 −2 5<br />
5<br />
⎟<br />
⎠
Sia poi<br />
⎛<br />
f ⎝<br />
x1<br />
x2<br />
x3<br />
⎞<br />
⎛<br />
⎠ = ⎝<br />
x1 + x2 + x3<br />
x2 + x3<br />
Si scriva la matrice associata nella base trovata all’aggiunta di f rispetto al<br />
prodotto scalare indotto dalla matrice A.<br />
Esercizio 6 Si trovi una base di R3 ortonormale rispetto al prodotto scalare<br />
standard che diagonalizzi la matrice simmetrica<br />
⎛<br />
9<br />
A = ⎝ 6<br />
6<br />
5<br />
⎞<br />
−2<br />
−2⎠<br />
−2 −2 1<br />
Sia poi<br />
f<br />
⎛<br />
⎝ x1<br />
x2<br />
x3<br />
⎞<br />
⎠ =<br />
⎛<br />
x3<br />
⎝ x1 + x2 + x3<br />
x2 + x3<br />
Si scriva la matrice associata nella base trovata all’aggiunta di f rispetto al<br />
prodotto scalare standard.<br />
Esercizio 7 Si trovi una base di R4 ortonormale rispetto al prodotto scalare<br />
standard che diagonalizzi la matrice simmetrica<br />
⎛<br />
1<br />
⎜<br />
A = ⎜ 1<br />
⎝−1<br />
1<br />
1<br />
0<br />
−1<br />
0<br />
1<br />
⎞<br />
0<br />
2 ⎟<br />
−2⎠<br />
0 2 −2 1<br />
Sia poi<br />
f<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
x1<br />
x2<br />
x3<br />
x4<br />
⎞<br />
⎛<br />
⎟<br />
⎠ =<br />
⎜<br />
⎝<br />
x3<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎠<br />
x1 − x2 + x3 − x4<br />
x1 − x2 + x3<br />
x1 + x3<br />
x2 + x4<br />
Si scriva la matrice associata nella base trovata all’aggiunta di f rispetto al<br />
prodotto scalare indotto dalla matrice A.<br />
2 Sottospazi ortogonali<br />
Richiami Sia V uno spazio vettoriale reale con un prodotto scalare 〈·, ·〉. Due<br />
vettori v, w ∈ V si dicono ortogonali se<br />
〈v, w〉 = 0<br />
Ovvero, fissando una base in cui il prodotto scalare sia associato alla matrice<br />
simmetrica A e i vettori v, w alle n−uple<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
x1<br />
.<br />
xn<br />
⎟<br />
⎠<br />
6<br />
⎜<br />
⎝<br />
y1<br />
.<br />
yn<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠
i due vettori sono ortogonali se e solo se<br />
<br />
x1 · · ·<br />
⎛<br />
a11<br />
⎜<br />
xn ⎝ .<br />
· · ·<br />
⎞ ⎛<br />
a1n<br />
⎟ ⎜<br />
. ⎠ ⎝<br />
an1 · · · ann<br />
y1<br />
.<br />
yn<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠ = 0<br />
Il sottospazio ortogonale al vettore v (indicato con v ⊥ ) è l’insieme dei vettori<br />
w tali che 〈v, w〉 = 0; il sottospazio ortogonale a un sottospazio W ( indicato<br />
con W ⊥ ) è l’insieme dei vettori ortogonali a tutti i vettori di w. Il sottospazio<br />
ortogonale a tutto lo spazio (indicato con V ⊥ ) si chiama radicale e corrisponde<br />
al nucleo della matrice associata A. Il radicale è il solo 0 se e solo se il prodotto<br />
scalare è non degenere.<br />
Esempio Si consideri R3 con il prodotto scalare standard; l’ortogonale di<br />
v = (1, 2, 3) è l’insieme dei vettori w = (x, y, z) tali che<br />
⎛ ⎞<br />
1<br />
⎛ ⎞<br />
x<br />
〈 ⎝ 2 ⎠ , ⎝ y ⎠〉 = 0<br />
3 z<br />
ovvero l’insieme delle soluzioni del sistema (di 1 equazione in 3 incognite)<br />
x + 2y + 3z = 0<br />
Volendo scrivere queste soluzioni in forma parametrica, si ottiene<br />
v ⊥ ⎧⎛<br />
⎨<br />
= ⎝<br />
⎩<br />
2s + 3t<br />
−s<br />
−t<br />
⎞ ⎫<br />
⎬<br />
⎠ | s, t ∈ R<br />
⎭<br />
oppure si può fornire una base di v⊥ :<br />
⎛<br />
⎝ 2<br />
⎞<br />
−1 ⎠<br />
0<br />
⎛<br />
⎝ 3<br />
0<br />
−1<br />
Esempio Si consideri in R4 il sottospazio<br />
⎧ ⎛ ⎞<br />
⎪⎨<br />
1<br />
⎜<br />
W = Span v1 = ⎜ 1 ⎟<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
1 ⎠<br />
1<br />
, v2<br />
⎛<br />
1<br />
⎜<br />
= ⎜ 0<br />
⎝ 1<br />
0<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎞⎫<br />
⎪⎬ ⎟<br />
⎠<br />
⎪⎭<br />
Ne vogliamo l’ortogonale rispetto al prodotto scalare standard.<br />
Ora, un vettore è ortogonale a W se è ortogonale a ogni suo vettore, quindi<br />
se è ortogonale a tutti i vettori di una base di W ; dobbiamo quindi trovare le<br />
soluzioni di 〈v1, w〉 = 0<br />
〈v2, w〉 = 0<br />
Ovvero, se w = (x, y, z, u), vogliamo le soluzioni di<br />
x + y + z + u = 0<br />
x + z = 0<br />
7
In forma parametrica abbiamo<br />
W ⊥ ⎧⎛<br />
⎪⎨ ⎜<br />
= ⎜<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
ovvero, tramite una base,<br />
W ⊥ ⎧⎛<br />
⎪⎨ ⎜<br />
= Span ⎜<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
−t<br />
−s<br />
t<br />
s<br />
−1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎫<br />
⎪⎬<br />
| s, t ∈ R<br />
⎪⎭<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠ ,<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
0<br />
−1<br />
0<br />
1<br />
Esempio Si consideri R 3 munito del prodotto scalare<br />
⎞⎫<br />
⎪⎬ ⎟<br />
⎠<br />
⎪⎭<br />
〈v, w〉 = v1w1 + v1w3 + v3w1 − 2v2w3 − 2w2v3<br />
Vogliamo trovare l’ortogonale del vettore<br />
⎛<br />
v = ⎝ 1<br />
1<br />
⎞<br />
⎠<br />
−1<br />
Innanzitutto scriviamo la matrice associata al prodotto scalare:<br />
⎛<br />
1 0<br />
⎞<br />
1<br />
A = ⎝0<br />
0 −2⎠<br />
1 −2 0<br />
Dobbiamo trovare i vettori w = (x, y, z) tali che v t Aw = 0, ovvero tali che<br />
Dunque<br />
ovvero<br />
0x + 2y − z = 0<br />
v ⊥ ⎧⎛<br />
⎨<br />
= ⎝<br />
⎩<br />
t<br />
⎞ ⎫<br />
⎬<br />
s ⎠ | t, s ∈ R<br />
⎭<br />
2s<br />
v ⊥ ⎧⎛<br />
⎨<br />
= Span ⎝<br />
⎩<br />
1<br />
0<br />
0<br />
⎞<br />
⎠ ,<br />
⎛<br />
⎝<br />
0<br />
1<br />
2<br />
⎞⎫<br />
⎬<br />
⎠<br />
⎭<br />
Esempio Si consideri R 4 munito del prodotto scalare<br />
〈v, w〉 = v1w2 + v2w3 + v3w4 + v2w1 + v3w2 + v4w3<br />
Si vuole trovare l’ortogonale del sottospazio<br />
⎧ ⎛ ⎞<br />
⎪⎨<br />
1<br />
⎜<br />
W = Span v = ⎜ 1 ⎟<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
0 ⎠<br />
1<br />
, v′ ⎛<br />
0<br />
⎜<br />
= ⎜ 1<br />
⎝ −1<br />
0<br />
8<br />
⎞⎫<br />
⎪⎬ ⎟<br />
⎠<br />
⎪⎭
Scriviamo innanzitutto la matrice associata al prodotto scalare:<br />
⎛<br />
0<br />
⎜<br />
A = ⎜1<br />
⎝0<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
⎞<br />
0<br />
0 ⎟<br />
1⎠<br />
0 0 1 0<br />
Ora dobbiamo risolvere il sistema<br />
〈v, w〉 = 0<br />
〈v ′ , w〉 = 0<br />
ovvero <br />
Dunque<br />
oppure<br />
W ⊥ ⎧⎛<br />
⎪⎨ ⎜<br />
= ⎜<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
W ⊥ ⎧⎛<br />
⎪⎨ ⎜<br />
= Span ⎜<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
x + y + 2z = 0<br />
x − y + z − u = 0<br />
s − 3t<br />
−2t − s<br />
2t<br />
2s<br />
1<br />
−1<br />
0<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠ ,<br />
⎫<br />
⎪⎬<br />
| t, s ∈ R<br />
⎪⎭<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
−3<br />
−2<br />
1<br />
0<br />
Esempio Sia V lo spazio vettoriale reale generato da<br />
e sia dato il seguente prodotto scalare<br />
{cos 2πx, sin 2πx, x}<br />
⎞⎫<br />
⎪⎬ ⎟<br />
⎠<br />
⎪⎭<br />
〈f(x), g(x)〉 = f(1)g(1) − f ′ (0)g ′ (0)<br />
Vogliamo trovare l’ortogonale del vettore h(x) = 2 sin 2πx − cos x.<br />
Calcoliamo la matrice associata al prodotto scalare rispetto alla base data:<br />
⎛<br />
1<br />
A = ⎝0 0<br />
−4π<br />
0<br />
2 ⎞<br />
2π⎠<br />
0 2π 0<br />
Dunque, vogliamo trovare i vettori<br />
tali che<br />
w(x) = a cos 2πx + b sin 2πy + cx<br />
〈w(x), h(x)〉 = 0<br />
Poiché nella base {cos 2πx, sin 2πx, x} il vettore h(x) corrisponde a<br />
⎛<br />
−1<br />
⎞<br />
⎝ 2<br />
0<br />
⎠<br />
9
ci basta risolvere il sistema lineare<br />
<br />
−1 2<br />
⎛<br />
1<br />
0 ⎝0<br />
0<br />
−4π<br />
0<br />
2 ⎞ ⎛<br />
2π⎠<br />
⎝<br />
0 2π 0<br />
e dunque<br />
Quindi<br />
oppure<br />
h(x) ⊥ ⎧⎛<br />
⎨<br />
= ⎝<br />
⎩<br />
h(x) ⊥ ⎧⎛<br />
⎨<br />
= Span ⎝<br />
⎩<br />
−x − 8π 2 y + 4πz = 0<br />
−8π 2 t + 4πs<br />
t<br />
s<br />
−8π 2<br />
1<br />
0<br />
⎞<br />
a<br />
b<br />
c<br />
⎞<br />
⎠ = 0<br />
⎞ ⎫<br />
⎬<br />
⎠ | s, t ∈ R<br />
⎭<br />
⎠ ,<br />
⎛<br />
⎝<br />
4π<br />
0<br />
1<br />
⎞⎫<br />
⎬<br />
⎠<br />
⎭<br />
Esercizio 8 Calcolare l’ortogonale dei seguenti vettori in R3 rispetto al prodotto<br />
scalare canonico:<br />
⎛<br />
i. ⎝ 1<br />
⎞<br />
0 ⎠<br />
0<br />
⎛<br />
0<br />
⎞<br />
ii. ⎝ 1<br />
1<br />
⎠<br />
⎛<br />
0<br />
⎞<br />
iii. ⎝ π<br />
0<br />
⎠<br />
⎛<br />
iv. ⎝ 1<br />
−1<br />
1<br />
⎞<br />
⎠<br />
Esercizio 9 Calcolare l’ortogonale dei seguenti sottospazi in R 3 rispetto al<br />
prodotto scalare canonico:<br />
i. W = {0}<br />
ii. W = R3 ⎧⎛<br />
⎨<br />
iii. W = Span ⎝<br />
⎩<br />
⎧⎛<br />
⎨<br />
iv. W = Span ⎝<br />
⎩<br />
⎧⎛<br />
⎨<br />
v. W = ⎝<br />
⎩<br />
1<br />
0<br />
0<br />
t<br />
2t + s<br />
s<br />
⎞<br />
0<br />
1<br />
−1<br />
⎠ ,<br />
⎞<br />
⎞<br />
⎠ ,<br />
⎛<br />
⎝<br />
1<br />
1<br />
0<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞⎫<br />
⎬<br />
⎠<br />
⎭<br />
−1<br />
1<br />
0<br />
⎫<br />
⎬<br />
⎠ , s, t ∈ R<br />
⎭<br />
⎞⎫<br />
⎬<br />
⎠<br />
⎭<br />
10
Esercizio 10 Calcolare l’ortogonale dei seguenti vettori in R4 rispetto al<br />
prodotto scalare canonico:<br />
⎛<br />
1<br />
⎜<br />
i. ⎜ 0<br />
⎝ 0<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛<br />
0<br />
⎜<br />
ii. ⎜ 1<br />
⎝ 1<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
iii. ⎜<br />
⎝<br />
0<br />
π<br />
0<br />
2π<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛<br />
1<br />
⎜<br />
iv. ⎜ −1<br />
⎝ 1<br />
−1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
Esercizio 11 Calcolare l’ortogonale dei seguenti sottospazi in R 4 rispetto al<br />
prodotto scalare canonico:<br />
i. W = {0}<br />
⎧⎛<br />
⎪⎨ ⎜<br />
ii. W = Span ⎜<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
⎞<br />
1<br />
0 ⎟<br />
0 ⎠<br />
0<br />
,<br />
⎛<br />
1<br />
⎜ 1<br />
⎝ 0<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠ ,<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
⎞⎫<br />
⎪⎬ ⎟<br />
⎠<br />
⎪⎭<br />
⎧⎛<br />
⎪⎨ ⎜<br />
iii. W = Span ⎜<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
⎞<br />
1<br />
0 ⎟<br />
0 ⎠<br />
1<br />
,<br />
⎛<br />
1<br />
⎜ 1<br />
⎝ 0<br />
1<br />
⎞⎫<br />
⎪⎬ ⎟<br />
⎠<br />
⎪⎭<br />
⎧⎛<br />
⎪⎨ ⎜<br />
iv. W = Span ⎜<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
0<br />
1<br />
−1<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠ ,<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎞⎫<br />
−1 ⎪⎬<br />
1 ⎟<br />
0 ⎠<br />
⎪⎭<br />
1<br />
⎧⎛<br />
⎞ ⎫<br />
⎪⎨<br />
t<br />
⎪⎬<br />
⎜<br />
v. W = ⎜ 2t + s ⎟<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
s ⎠ , s, t ∈ R<br />
⎪⎭<br />
2t − s<br />
Esercizio 12 Calcolare in R3 l’ortogonale del vettore<br />
⎛<br />
1<br />
⎞<br />
v = ⎝ 2<br />
−2<br />
⎠<br />
11
ispetto al prodotto scalare<br />
〈v, w〉 = v1w1 + 2v1w2 + 2w2v1 + v2w2 − v1w3 − w1v3 − 2v3w3<br />
Esercizio 13 Calcolare in R4 l’ortogonale del sottospazio<br />
⎧⎛<br />
⎪⎨ ⎜<br />
W = Span ⎜<br />
⎝<br />
⎪⎩<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠ ,<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
0<br />
2<br />
−1<br />
⎞⎫<br />
⎪⎬ ⎟<br />
⎠<br />
⎪⎭<br />
rispetto al prodotto scalare dato dalla matrice<br />
⎛<br />
1<br />
⎜<br />
A = ⎜−1<br />
⎝ 0<br />
−1<br />
2<br />
1<br />
0<br />
1<br />
2<br />
⎞<br />
0<br />
0 ⎟<br />
−1⎠<br />
0 0 −1 2<br />
Esercizio 14 Si consideri su R2[x] il prodotto scalare<br />
〈p(x), q(x)〉 = p(1)q(2) + p(2)q(1) − p ′ (0)q ′ (0)<br />
Si calcoli l’ortogonale del vettore p(x) = x 2 + x + 1 rispetto a questo prodotto<br />
scalare.<br />
Esercizio 15 Si consideri lo spazio vettoriale V generato su R dalle funzioni<br />
sin x, cos x, sin 2x, cos 2x, munito del prodotto scalare<br />
〈f(x), g(x)〉 =<br />
Si calcoli l’ortogonale del sottospazio<br />
2π<br />
0<br />
f(x)g(x)dx<br />
W = Span{sin x + cos x, sin 2x + cos 2x}<br />
12