Определение 1. Пусть дано вещественное линейное пространство E. Оно называется евклидовым, если на нем задано отображение из каждой пары векторов в соответствующее ей вещественное число. Назовем это отображение скалярным произведением. Отображение должно удолетворять следующим аксиомам:
- (x,y)=(y,x),
- (λx,y)=λ(x,y),
- (x+y,z)=(x,z)+(y,z),
- (x,x)>0приx≠0;(x,x)=0приx=0;∀x,y,z∈E,∀λ∈R.
Отсюда можно получить ряд следствий:
- (x,λy)=λ(x,y),
- (x,y+z)=(x,y)+(x,z),
- (x−z,y)=(x,y)−(z,y),
- (x,y−z)=(x,y)−(x,z),
- ∀a=m∑j=1αjxj, b=n∑i=1βiyi:(x,y)=(m∑j=1αjxj,b=n∑i=1βiyi)=m∑j=1n∑i=1αjβi(xj,yi)
Любое n-мерное линейное пространство можно превратить в евклидово(с помощью определения в нем скалярного произведения). В n-мерном линейном пространстве скалярное произведение можно задать различными способами.
Например, возьмем в произвольном вещественном пространстве G его некоторый базис g=e1,e2,⋯,en и два любых вектора x, y. Допустим, x=n∑i=1αieiy=n∑i=1βiei
Теперь можно ввести скалярное произведение: (x,y)=n∑i=1αiβi.
Любое подпространство из E может быть Евклидовым, если в нем сохраняется скалярное произведение, определенное в E.
Определение 2. Пусть дан вектор x, принадлежащий евклидову пространству. Если (x,x)=1, то этот вектор называется нормированным. Ненулевой вектор можно нормировать, если умножить его на произвольное число λ: (λx,λx)=λ2(x,x)=1.
Значит, нормирующий множитель (λ)=(x,x)−12
Определение 3. Пусть вектор x принадлежит евклидову пространству E. Длиной вектора x назовем число ∣x∣=+√(x,x), где x∈R. Данное определение имеет свойства длины:
- ∣0∣=0.
- ∣x∣>0,еслиx≠0.
- ∣λ⋅x∣=∣λ∣∣x∣ — свойство абсолютной однородности.
Определение 4. Пусть даны векторы x,y, принадлежащие евклидову пространствую. Тогда cos(x,y)=(x,x)∣x∣⋅∣y∣,0⩽(x,y)⩽π — косинус угла между этими векторами
Рассмотрим применимость школьной геометрии к геометрии евклидова пространства. Пусть заданы два вектора x,y∈E;x≠0,y≠0 — две стороны треугольника. Тогда разность y−x — третья сторона. С помощью формулы для угла можно вычислить квадрат третьей стороны: ∣y−x∣2=(y−x,y−x)=∣y∣2+∣x∣2−2(y,x)=∣y∣2+∣x∣2−∣y∣∣x∣cos(b,a)
Получили теорему косинусов. Разумеется, если y⊥x, то треугольник является прямоугольным. Также, из последней формулы можно получить теорему Пифагора: ∣y−x∣2=∣y∣2+∣x∣2. Из той же формулы получаем отношение длин сторон треугольника, если оценивать множитель cos(ba) сверху: ∣y−x∣2⩽∣y∣2+∣x∣2+2∣y∣∣x∣=(∣y∣+∣x∣)2⇒∣y−x∣⩽∣y∣+∣x∣.
И снизу: ∣y−x∣2⩽∣y∣2+∣x∣2−2∣y∣∣x∣=(∣y∣−∣x∣)2⇒∣y−x∣⩽∣y∣−∣x∣.
Литература
- Электронный конспект по линейной алгебре Белозерова Г.С.
- Воеводин В.В. Линейная алгебра.Стр. 88-90
- Курош А.Г. Курс высшей алгебры.Стр. 211-212