Skalárszorzat, norma, szög, távolság. Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach@inf.nyme.hu http://inf.nyme.hu/ takach/ 2005.

Hasonló dokumentumok
Kvadratikus alakok és euklideszi terek (előadásvázlat, október 5.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Szinguláris értékek. Wettl Ferenc április 3. Wettl Ferenc Szinguláris értékek április 3. 1 / 28

Szinguláris értékek. Wettl Ferenc április 12. Wettl Ferenc Szinguláris értékek április / 35

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Vektorok. Wettl Ferenc október 20. Wettl Ferenc Vektorok október / 36

VIK A2 Matematika - BOSCH, Hatvan, 3. Gyakorlati anyag. Mátrix rangja

Funkcionálanalízis. Gyakorló feladatok március 22. Metrikus tér, normált tér és skalárszorzat tér

Rang, sajátérték. Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach/ február 15

Kódelméleti és kriptográai alkalmazások

Matematika (mesterképzés)

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

LINEÁRIS ALGEBRA. matematika alapszak. Euklideszi terek. SZTE Bolyai Intézet, őszi félév. Euklideszi terek LINEÁRIS ALGEBRA 1 / 40

1. feladatsor Komplex számok

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

Diszkrét matematika II., 8. előadás. Vektorterek

Mátrixok 2017 Mátrixok

Lineáris algebra gyakorlat

1. Az euklideszi terek geometriája

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

1. Házi feladat. Határidő: I. Legyen f : R R, f(x) = x 2, valamint. d : R + 0 R+ 0

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Vektorterek. Wettl Ferenc február 17. Wettl Ferenc Vektorterek február / 27

Lineáris Algebra. Tartalomjegyzék. Pejó Balázs. 1. Peano-axiomák

Lineáris algebra és a rang fogalma (el adásvázlat, szeptember 29.) Maróti Miklós

Diszkrét matematika II., 1. el adás. Lineáris leképezések

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

rank(a) == rank([a b])

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

2. gyakorlat. A polárkoordináta-rendszer

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Funkcionálanalízis. n=1. n=1. x n y n. n=1

Bázistranszformáció és alkalmazásai 2.

Diszkrét matematika I., 12. előadás Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach november 30.

12. Mikor nevezünk egy részhalmazt nyíltnak, illetve zártnak a valós számok körében?

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Matematika A1a Analízis

3. el adás: Determinánsok

17. előadás: Vektorok a térben

Alkalmazott algebra - SVD

Lineáris leképezések. 2. Lineáris-e az f : R 2 R 2 f(x, y) = (x + y, x 2 )

Vizsga Lineáris algebra tárgyból. 2012/13 akadémiai év, I. félév

Ortogonalizáció. Wettl Ferenc Wettl Ferenc Ortogonalizáció / 41

Bevezetés az algebrába 2 Vektor- és mátrixnorma

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Testek. 16. Legyen z = 3 + 4i, w = 3 + i. Végezzük el az alábbi. a) (2 4), Z 5, b) (1, 0, 0, 1, 1) (1, 1, 1, 1, 0), Z 5 2.

DiMat II Végtelen halmazok

1. A Hilbert féle axiómarendszer

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Függvények

Mer legesség. Wettl Ferenc Wettl Ferenc Mer legesség / 40

Lin.Alg.Zh.1-2 feladatok

HALMAZELMÉLET feladatsor 1.

Diszkrét matematika I. gyakorlat

,,BABEŞ-BOLYAI TUDOMÁNYEGYETEM LINEÁRIS ALGEBRA

2. Hogyan számíthatjuk ki két komplex szám szorzatát, ha azok a+bi alakban, illetve trigonometrikus alakban vannak megadva?

Bázistranszformáció és alkalmazásai

Wigner tétele kvantummechanikai szimmetriákról

Miért fontos számunkra az előző gyakorlaton tárgyalt lineáris algebrai ismeretek

0,424 0,576. f) P (X 2 = 3) g) P (X 3 = 1) h) P (X 4 = 1 vagy 2 X 2 = 2) i) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2 X 0 = 2) j) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2)

Matematika. 4. konzultáció: Kétváltozós függvények szélsőértéke. Parciális függvény, parciális derivált

A KroneckerCapelli-tételb l következik, hogy egy Bx = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek

Bevezetés. 1. fejezet. Algebrai feladatok. Feladatok

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

6. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 6. előadás Bázis, dimenzió

Sztojka Miroszláv LINEÁRIS ALGEBRA Egyetemi jegyzet Ungvár 2013

egyenlőtlenségnek kell teljesülnie.

Determinánsok. A determináns fogalma olyan algebrai segédeszköz, amellyel. szolgáltat az előbbi kérdésekre, bár ez nem mindig hatékony.

2. SZÉLSŽÉRTÉKSZÁMÍTÁS. 2.1 A széls érték fogalma, létezése

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

Keresztmetszet másodrendű nyomatékainak meghatározása

Vizsga Lineáris algebra tárgyból. 2018/19 akadémiai év, I. félév

1. A k-szerver probléma

Lineáris egyenletrendszerek

Riemanngeometria 1 c. gyakorlat A Riemann-terekkel kapcsolatos fogalmak, jelölések

10. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 10. előadás Sajátérték, Kvadaratikus alak

1 Lebegőpontos számábrázolás

Shor kvantum-algoritmusa diszkrét logaritmusra

ARCHIMEDES MATEMATIKA VERSENY

Opkut deníciók és tételek

Alkalmazott algebra - skalárszorzat

9. Tétel Els - és másodfokú egyenl tlenségek. Pozitív számok nevezetes közepei, ezek felhasználása széls érték-feladatok megoldásában

Komplex számok. Wettl Ferenc szeptember 14. Wettl Ferenc Komplex számok szeptember / 23

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

Numerikus módszerek 1.

A lineáris algebrában központi szerepet betöltı vektortér fogalmát értelmezzük most, s megvizsgáljuk e struktúra legfontosabb egyszerő tulajdonságait.

Meghirdetés féléve 2 Kreditpont Összóraszám (elm+gyak) 2+0

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Miller-Rabin prímteszt

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

1 p, c = p 1 és d = 4. Oldjuk meg az alábbi egyenletrendszert a c és d paraméterek minden értékére. x + 2z = 5 2x y = 8 3x + 6y + cz = d

1. Bázistranszformáció

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

Valasek Gábor

1. Mit jelent az, hogy egy W R n részhalmaz altér?

9. AZ R k VEKTORTÉR. 9.1 Az R k vektortér fogalma

DISZKRÉT MATEMATIKA: STRUKTÚRÁK Előadáson mutatott példa: Bércesné Novák Ágnes

Lineáris algebra - jegyzet. Kupán Pál

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Átírás:

1 Diszkrét matematika II., 4. el adás Skalárszorzat, norma, szög, távolság Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach@inf.nyme.hu http://inf.nyme.hu/ takach/ 2005. március 1 A téma jelent sége Ha valamiféle geometriát szeretnénk értelmezni a vektorainkon vagy pontjainkon, akkor nem elég egy vektortér, kell valamilyen skalárszorzatot is rögzítenünk. Nem mindig a standard skalárszorzat felel meg a céljainknak. Néha nem is egy skalárszorzatból indulunk ki, csak valamilyen módon távolságot deniálunk. A távolságfogalomnak nagy szerepe van a hibajavító ill. hibajelz kódolásoknál. Ott szokás két egyenl hosszú bitsorozat távolságán az eltér bitek számát érteni. Ekkor ha bármely két lehetséges elküldött üzenet távolsága legalább d, akkor a címzett észlel minden olyan hibát, amikor legfeljebb d 1 bit sérül meg. S t, ki is tud javítani minden olyan hibát, ahol d=2-nél kevesebb bit sérül meg! Gyakorlati célok Ezen el adáson, és a hozzá kapcsolódó gyakorlaton való aktív részvétellel Ön képes lesz az n-komponens valós vektorok körében kiszámolni egy vektor hosszát, két vektor szögét és két pont távolságát akár a standard, akár valamely szendvicsmátrixszal adott skalárszorzat esetén; ellen rizni, hogy egy véges halmazon adott kétváltozós függvény vajon távolságfüggvénynek tekinthet -e; úgy megadni egy függvényt egy véges halmazon, hogy az távolságfüggyvény legyen és el re megadott értékeket vegyen fel; Elméleti, fogalmi célok Ezen el adáson, és a hozzá kapcsolódó gyakorlaton való aktív részvétellel Ön megérti a skalárszorzatból származtatott norma és távolságfogalmat; megérti, hogy más skalárszorzathoz más norma ill. távolság tartozik; tudatára ébred, hogy nem egzotikus módon is megadható távolságfüggvény, és hogy ennek esetleg semmi köze nincs skalárszorzathoz. Szükséges fogalmak és módszerek korábbról vektortér, bázis; középiskolás skalárszorzat-fogalom; bilineáris függvény, szimmetria, denitség; Gram-Schmidt ortoganalizáció;

Euklideszi terek 2 Deníció. A skalárszorzat szimmetrikus, pozitív denit bilineáris függvény: x z = z x; (x + y) z = x z + y z; (x) z = (x z); x 6= 0! x x > 0: Deníció. Euklideszi téren skalárszorzattal ellátott vektorteret értünk. Norma Euklideszi terekben Deníció. Egy Euklideszi térben egy x vektor hosszán (normáján, abszolút értékén) az jjxjj p = x x számot értjük. Tétel. A hossz az alábbi tulajdonságokkal rendelkezik: (N1) jjxjj 0 és jjxjj = 0, x = 0; (N2) jjxjj = jj jjxjj; (N3) jjx + zjj jjxjj + jjzjj. Bizonyítás. (N1) (és egyben a deníció jósága) a skalárszorzat pozitív deinitségén múlik. (N2) a skalárszorzat homogenitásán múlik. (N3) kés bb. Szögfogalom Euklideszi terekben } Láttuk, hogy ha van skalárszorzat, akkor van mer legességfogalom. A norma segítségével szögfogalmat is deniálunk. A motiváció a skalárszorzat középiskolás deníciója: x z = jjxjj jjzjj cos : Deníció. Egy Euklideszi tér x; z 6= 0 vektorai által közbezárt szögön azt a 0 szöget értjük, amelyre cos = x z jjxjj jjzjj : A denició helyessége következik a kés bb következ CSB-egyenl tlenségb l. Ortonormált bázis Deníció. Az e 1 ; : : : ; e n vektorok ortonormált rendszert alkotnak, ha e i e j = ij (Kronecker-delta). Azaz minden vektor hossza egy, és a vektorok páronként mer legesek. Ha az e i vektorok egyben bázist is alkotnak, akkor ortonormált bázisról beszélünk. A Gram-Schmidt ortogonalizációval kaphatunk ortonormált bázist egy tetsz leges bázisból kiindulva. Normált terek Tegyük fel, hogy egy olyan vektortérben vagyunk, amely nem rendelkezik skalárszorzattal. Ekkor is adható értelmes hosszfogalom a hossz Euklideszi térbeli hossz tulajdonságai alapján. Deníció. Egy valós vektorteret normált térnek nevezünk, ha értelmezve van rajta egy jj jj : V! R norma, amely rendelkezik az alábbi tulajdonságokkal:

3 (N1) jjxjj 0 és jjxjj = 0, x = 0; (N2) jjxjj = jj jjxjj; (N3) jjx + zjj jjxjj + jjzjj. Minden Euklideszi tér normált, de fordítva nem feltétlenül. Távolságfogalom normált terekben Ahogyan a skalárszorzatból normát értelmeztünk, a normából megalkotjuk a távolságfogalmat. Így minden normált térben, speciálisan Euklideszi terekben is beszélhetünk távolságról. Deníció. Egy normált térben az x és z pont távolságán az r(x; z) = jjx zjj számot értjük. Tétel. A távolság rendelkezik az alábbi tulajdonságokkal (M1) r(x; z) 0 és és r(x; z) = 0, x = z; (M2) r(x; z) = r(z; x); (M3) r(x; z) r(x; y) + r(y; z). Bizonyítás. Mindegyik tulajdonság következik az azonos számú (N) tulajdonságból. } Metrikus terek Tegyük fel, hogy egy olyan vektortérben vagyunk, amely nem rendelkezik normafogalommal. Ekkor is adható értelmes távolságfogalom a norma normált térbeli tulajdonságai alapján. Deníció. Egy H halmazt metrikus térnek nevezünk, ha értelmezve van rajta egy H H! R távolság (metrika), amely rendelkezik az alábbi tulajdonságokkal: (M1) r(x; z) 0 és és r(x; z) = 0, x = z; (M2) r(x; z) = r(z; x); (M3) r(x; z) r(x; y) + r(y; z). Minden normált tér egyben metrikus tér is, de fordítva nem. Tétel. (Cauchy-Schwarz-Bunyakovszkij-egyenl tlenség) Egy Euklideszi tér bármely x és z vektorára fenáll az jx zj jjxjj jjzjj egyenl tlenség. Egyenl ség pontosan akkor teljesül, ha x és z lineárisan összefügg ek. Bizonyítás. A két oldalt egy ortonormál bázis szerinti koordinátákkal felírva, és négyzetre emelve a következ lesz: Átrendezve: (x 1 z 1 + : : : + x n z n ) 2 (x 2 1 + : : : + x2 n )(z2 1 + : : : + z2 n ): X 0 (x i z j x j z i ) 2 : ii<jn Ez a négyzetösszeg nemnegatív, és pontosan akkor nulla, ha x és z koordinátái arányosak, azaz egymás konstansszorosai. }

Következmények 4 Az (N3) Háromszög-egyenl tlenség igazolása. Az jjx + zjj jjxjj + jjzjj összefüggést kell igazolni. Négyzetre emelve: (x + z) (x + z) (x x + z z) 2 jjxjj 2 + 2 x z + jjzjj 2 jjxjj 2 + 2jjxjj jjzjj + jjzjj 2 x z jjxjj jjzjj Ez pedig következik a CSB-egyenl tlenségb l. } A CSB-egyenl tlenségb l az is következik, hogy a szögfogalom jól értelmezett, hisz a jobb oldallal végigosztva kapjuk, hogy j cos j 1. Mivel a cos függvény bijektíven képezi le a [0; ] intervallumot a [ 1; 1] intervallumra, így a két vektor szöge egyértelm en deniált. Összefoglalás Az el adás elején deniáltuk a skalárszoratot ill. az Euklideszi tereket. A skalárszorzatból norma- és szögfogalmat származtattunk. Az Euklideszi terek normájának legfontosabb tulajdonságait axiómának tekintve értelmeztük a normált vektortér fogalmát, és csupán ezekb l származtattuk a távolságfogalmat. Hasonlóan az el z elvhez, a normált terek távolságfüggvényének legfontosabb tulajdonságait axiómának tekintve értelmeztük a metrikus tér fogalmát. A metrikus terekben már nem követeltünk meg vektortérstruktúrát, csupán a tér pontnak nevezett elemeinek kell tudnunk a távolságát. A származtatáskor a kiindulási tér tulajdonságai implikálják a származtatott tér megfelel tulajdonságait. Az egyetlen nehézséget a normára vonatkozó háromszög-egyenl tlenség jelentette, amit a CSB-egyenl tlenségb l vezettünk le. Ellen rz kérdések 1. Mit értünk azon, hogy a skalárszorzat pozitív denit? 2. Hogyan deniáljuk a normát illetve a szöget Euklideszi terekben? 3. Mit értünk ortonormált bázison és milyen vektorterekben van értelme err l beszélni? 4. Mondja ki a távolságaxiómákat! 5. Hogyan szól a CSB-egyenl tlenség, és hol használjuk?

M veletigény a lineáris algebrai számításokban 5 A lineáris algebrai tanulmányaink végén ismételjük át a legfontosabb feladatokat, és adjuk meg m veletigényüket. A m veletigény számításakor a szorzások számát gyeljük az input méretének függvényében, mert a szorzás végrehajtása számítógépen ugyanúgy nagyságrenddel nagyobb ideig tart, mintha papíron végeznénk el. 1. Egyenletrendszer megoldása Jordan-eliminációval. 2. Egyenletrendszer megoldása Gauss-eliminációval. 3. Determinánsszámítás deníció szerint. 4. Determinánsszámítás eliminációval. 5. Determinánsszámítás kifejtési tétellel. 6. Mátrixok szorzása. 7. Mátroxok invertálása el jeles aldeterminánsokkal. 8. Mátrixok invertálása eliminációval. 9. Egyenletrendszer magoldása Cramer-szabállyal. 10. Függetlenség eldöntése. 11. Rang számítása. 12. Lineáris leképezés végrehajtása mátrixszorzással. 13. Mátrixok regularitásának eldöntése. 14. Sajátértékek kiszámítása. 15. Egy sajátértékhez tartozó sajátvektorok meghatározása. 16. Bilineáris függvények végrehajtása. 17. Egy bilineáris függvényre vonatkozóan ortogonális bázis keresése. 18. Kvadratikus alakba helyettesítés. 19. Kvadratikus alakdenitségének eldöntése ortogonalizációval. 20. Kvadratikus alakdenitségének eldöntése eliminációval. 21. Kvadratikus alak denitségének eldöntése f minorokkal.