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Dispensa n.6

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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

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