Разложение вектора в ортогональном базисе

Рассмотрим базис пространства Rⁿ, в котором каждый век­тор ортогонален остальным векторам базиса:

Ортогональные базисы хорошо известны и широко использу­ются на плоскости и в пространстве (рис. 12.2). Базисы такого вида удобны прежде всего тем, что координаты разложения произвольного вектора определяются по весьма простой про­цедуре, не требующей трудоемких вычислений.

Действительно, пусть требуется найти разложение произ­вольного вектора в ортогональном базисе (12.13). Составим разложение этого вектора с неизвестными пока координатами разложения в данном базисе:

Умножим обе части этого равенства, представляющие собой векторы, на вектор ₁. В силу свойств 2 и 3 скалярного произ­ведения векторов имеем

Однако в силу взаимной ортогональности векторов базиса (12.13) все скалярные произведения векторов базиса, за исклю­чением первого, равны нулю, т.е. коэффициент α₁ определяется по формуле

Умножая поочередно равенство (12.14) на другие базисные век­торы, мы получаем простую формулу для вычисления коэффи­циентов разложения вектора :

Нетрудно видеть, что соотношения (12.15) имеют смысл, по­скольку | _i| ≠ 0.

Отметим особо частный случай ортогонального базиса, когда все векторы в (12.13) имеют единичную длину (| _i| = 1), или нормированы по своей длине. В таком случае базис назы­вают ортонормированным и координаты разложения (12.15) имеют наиболее простой вид:

УПРАЖНЕНИЯ

12.1. Найти линейную комбинацию векторов 3 + 4 - , где = (4, 1, 3, -2), = (1, 2, -2, 3), = (10, 8, 1, -3).

12.2. Найти линейную комбинацию векторов

где , , — векторы, указанные в предыдущей задаче.

12.3. Для векторов = (2, 4, -3, 0) и = (-1, 2, 2, -5) найти их длину и угол между ними.

12.4. Вычислить ( - )² , если |а| = 2 , |b| = 4, угол между векторами φ = 135°.

12.5. Найти координаты вектора = (2, -4, 3, 5) в ортогональ­ном базисе, состоящем из векторов

Глава 13. МАТРИЦЫ

Матрицы и операции над ними

Понятие матрицы

Определение 1. Прямоугольная таблица чисел вида

называется матрицей. Здесь a_ij — действительные числа (i = 1, 2,..., m, j = 1, 2, ..., n), называемые элементами матрицы, i и j — соответственно индексы строки и столбца. При этом произведение m х n числа строк на число столбцов называют размером матрицы А. Часто матрицу (13.1) запи­сывают в сокращенном виде:

Матрица, все элементы которой равны нулю, называется нулевой матрицей.

В том случае, когда m = n (число строк равно числу столб­цов):

матрица А называется квадратной.

Упорядоченная совокупность элементов a₁₁, a₂₂,. …, а_пп на­зывается главной диагональю квадратной матрицы. Квадрат­ная матрица называется диагональной, если ее элементы удов­летворяют условию

т.е. ненулевыми могут быть только элементы главной диагонали; матрица в этом случае имеет вид

Единичной матрицей называется диагональная матрица, у которой все элементы главной диагонали равны единице:

Определение 2. Две матрицы А и В называются равными (А = В), если они имеют одинаковые размеры и их соответ­ствующие элементы равны: a_ij = b_ij , i = 1, 2,..., m, j = 1, 2, .... n.