אוסף תרגילים באלגברה לינארית אלכס גולדווד ולביא קרפ מכללת אורט בראודה המחלקה למתמטיקה .4מכפלה פנימית סימונים: .1מכפלה פנימית.hu; vi : .2 p נורמהhu; ui : = .kuk fv 2 V : hv; wi = 0; 8w 2 W g .3משלים אורתוגונלי: תת-מרחב של מרחב מכפלה פנימית .V = ? ,Wכאשר W תרגילים .1נציב ; hx; yi = ax1 y1 + bx2 y2 + cx3 y3 y = [y1 ; y2 ; y3 ]T ,x = [x1 ; x2 ; x3 ]Tונניח כי b ,aו cמספרים חיוביים. א .הראה כי הנוסחה ) (1מגדירה מכפלה פנימית ב .R3 ב .עבור b = 2 ,a = 3ו c = 5חשב את הנורמה של המכפלה הפנימית ).(1 .2תהי a b b c 1]T ; ; [3 2 )(1 לפי = Aמטריצה עם מקדמים ממשיים .הראה שאם ,a > 0ו ,det(A) > 0אז הביטוי מהווה מכפלה פנימית ב .R2 hx; yi = xT Ay .3קבע עבור איזה ממשי הביטוי hx; yi = x1 y1 + x2 y2 + x3 y3 + x2 y3 + x3 y2 מהווה מכפלה פנימית ב .R3 1 מכפלה פנימית .4יהי Vמרחב הפונקציות הרציפות בקטע ] [0; 1עם המכפלה הפנימית Z 1 f (t)g(t)dt = ; hf; gi 0 :f; g 2 V )(2 א .הראה ש ) (2מגדירה אמנם מכפלה פנימית ב .V ב .האם ) (t2 31ניצב ל 1במכפלה הפנימית )?(2 ג .נרמל את הווקטור )פונקציה( etלפי המכפלה הפנימית ).(2 .5יהי Vמרחב הפונקציות הרציפות בקטע ] ; [ עם המכפלה הפנימית Z f (t)g(t)dt = ; hf; gi :f; g 2 V )(3 ידוע כי 1 1 1 1 1 B = p ; p cos t; p cos 2t; : : : ; p sin t; p sin 2t; : : : 2 בסיס אורתונורמלי לפי המכפלה הפנימית ).(3 א .חשב את מקדמי פורייה של t בבסיס .B 2 ב .הראה כי tשווה )nt (cos t 7 cos 2 1 ( 1)n X n2 n=1 t 2 sin 2 + 5 cos +4 2 3 = 5 )f (t : .6יהי R22מרחב המטריצות הממשיות עם המכפלה הפנימית עם המכפלה הפנימית T )(4 ):hA; B i = tr(B A א .הראה ש 1 1 1 1 1 2 ; 1 1 1 1 2 בסיס אורתונורמלי של .R22 ב .מצא מקדמי פורייה של ג .חשב את הנורמה של 1 2 1 4 3 2 1 4 3 2 . ; 1 1 1 1 1 2 ; = Aבבסיס .F 1 1 1 1 1 2 = F מכפלה פנימית .7יהי Vמרחב מכפלה פנימית .הוכח את הטענות הבאות. א. ב. ג. ד. כלל המקבילית.ku + vk2 + ku vk2 = 2 kuj2 + kvk2 : אם S = fu1 ; :::; uk gקבוצה אורתוגונלית שאינה מכילה את וקטור האפס ,אז Sבלתי תלויה לינארית. אם B = fu1 ; :::; un gבסיס אורתונורמלי של Vו i = hx; ui iעבור ,i = 1; :::; nאז .kxk2 = 21 + + 2n אי שוויון בסל :Besselאם S = fu1 ; :::; uk gקבוצה אורתונורמלית ב V -ו i = hx; ui iעבור ,i = 1; :::; kאז :21 + + 2k kxk2 .8תרגיל זה עוסק בהיטל אורתוגונלי במרחב בכפלה פנימית .V W א .יהי B = fw1 ; :::; wk gבסיס אורתונורמלי של תת-מרחב הראה שההיטל האורתוגונלי של וקטור uעל Wניתן על ידי .V :PW (u) = hu; w1 iw1 + + hu; wk iwk ב .מצא את הנוסחה להיטל האורתוגונלי על Wכאשר B = fw1 ; :::; wk g בסיס אורתוגונלי בלבד. 2 ג .מצא את ההיטל אורתוגונלי של f (t) = tעל t; cos 2t; sin t; sin 2tg ;f := sp 1 cos W כאשר המכפלה הפנימית נתונה על ידי ).(3 .9מצא בסיס עבור ? ,W א .כאשר f ; ; ; ; ; g על ידי ,hx; yi = xT Ayכאשר = span [1 2 3]T [0 1 1]T 3 0 Wוהמכפלה הפנימית ב R3 -נתונה 1 5 1 2 2 1 2 1 0 2 :A = 4 ב .כאשר R33 Wזה אוסף המטריצות האלכסוניות והמכפלה הפנימית נתונה על ידי ).hA; B i = tr(B T A .10יהי Rnnמרחב מכפלה פנימית של כל המטריצות הממשיות n nעם המכפלה הפנימית ) .hA; B i = tr(B T Aיהי Sאוסף המטריצות הסימטריות ו Kאוסף המטריצות האנטי-סימטריות. 3 מכפלה פנימית א .הראה .Rnn = S K 1 רמז.A = 2 (A + AT ) + 12 (A AT ) : ב .הראה S ? Kבמכפלה הפנימית הנתונה. רמז :הראה תחילה ש ).tr(AB ) = tr(BA ג .הסק מסעיפים א׳ ו ב׳ ש S ? = Kו .K ? = S .11באמצעות השלבים הבאים הוכח את אי שוויון קושי-שוורץ-בוניאקובסקי: :jhu; vij kukkvk א. ב. ג. ד. ה. ו. )(5 וודא ש ) (5מתקיים כאשר .u = 0 בשלבים הבאים נניח כי .u 6= 0 יהי w = v uכאשר . = hkuu;kv2i הראה ש wאורתוגונלי ל . .u מסעיף ב׳ נובע כי .kvk = ku + wkהסבר מדוע .jj2 kuk2 + kwk2 = kvk2 השתמש בסעיף ג׳ להראות .jj2 kuk2 kvk2 הצב את לפי סעיף ב׳ באי שיוויון שבסעיף ד׳ וקבל מזה את ).(5 מה הוא התנאי שצריכים לקיים וקטורים על מנת שאי שוויון שהוכחנו יהפוך לשוויון? הוכיחו את התשובה שלכם. .12בהסתמך על אי-שוויון קושי-שוורץ הראה את האי-שוויוניים הבאים: א. ב. ג. ד. ! b2i n X ! i=1 ! 21 a2i a2i n X i=1 n X i=1 !2 ai :bi p jai j n n X i=1 n X i=1 :ai 2 R ; )) ; (tr(B T A))2 (tr(AT A))(tr(B T B f 2 (t)dt 1 Z 0 3 1 2 f (t)tdt 4 Z 1 0 ; :ai ; bi 2 R ; :A; B 2 Rnn ]:f 2 C [0; 1 מכפלה פנימית .13יהי ] V = P2 [xמרחב הפולינומים ממעלה קטנה או שווה לשניים עם המכפלה הפנימית Z 1 f (x)g(x)dx 0 = ; hf; gi :f; g 2 V השתמש בתהליך גרהם-שמידט על מנת למצוא פולינומים שיהוו בסיס אורתוגונלי עבור ].P2 [x fp0 ; p1 ; p2 g .14יהי ] V = P3 [xמרחב הפולינומים ממעלה קטנה או שווה לשלוש עם המכפלה הפנימית Z 1 f (x)g(x)dx )(6 :f; g 2 V = ; hf; gi 1 השתמש בתהליך גרהם-שמידט על מנת למצוא פולינומים fp0 ; p1 ; p2 ; p3 gשיהוו בסיס אורתוגונלי עבור ].P3 [x .15יהי ] V = P2 [xמרחב הפולינומים הממשיים ממעלה עד שניים עם המכפלה הפנימית ) (6ותהי ).f (x) = sin( 2 x x ) = sin( 2 ) f (xעל Vבאמצעות בסיס א .מצא היטל אורתוגונלי של אורתוגונלי. ב .מצא היטל אורתוגונלי של ) f (x) = sin( 2 xעל Vעל ידי פתרון של המערכת הנורמלית. ג .מצא ; ; 2 Rכך ש 12 2 x) dx 2 (sin + x + x2 1 Z 1 יהי מינימלי. .16יהי ]P2 [x הפנימית = Vמרחב הפולינומים הממשיים ממעלה עד שניים עם המכפלה ); hf; gi = f (0)g(0) + f (1)g(1) + f (2)g(2 א. ב. ג. ד. :f; g 2 V )(7 הראה ש ) (7מהווה מכפלה פנימית ב ].P2 [x האם ) (7מהווה מכפלה פנימית ב ]?P3 [x מצא בסיס אורתונורמלי של ] P2 [xבמכפלה הפנימית ).(7 חשב את ההיטל של ) sin( 4 xעל ] P2 [xלפי המכפלה הפנימית ).(7 5 מכפלה פנימית .17 יהי V = R22מרחב המטריצות עם מכפלה פנימית לפי )hA; B i = tr(B T A ויהי V Sאוסף המטריצות הסימטריות .חשב את ההיטל האורתוגונלי .18 יהי V = R32מרחב המטריצות הממשיות 2 ) .hA; B i = tr(B T Aיהי של a b c d = Aעל .S 9 = 3 ;a; b; c 2 R תת מרחב של .V 0 5: c 3 א .מצא היטל אורתוגונלי של 82 < 0 4 b = : a 1 W 0 2 1 1 5 0 1 1 ב .מצא B 2 Wכך ש 3 עם המכפלה הפנימית A = 4על .W : Cmin kA C k = kA B k 2W .19יהיה Vמרחב מכפלה פנימית ויהיו Uו W -שני תת-מרחבים שלו כך ש- .W Uיהיה fוקטור ב ,Vונסמן ב pאת ההיטל של fעל .Uהוכח שאם ,f ? Wאז גם .p ? W .20יהיה Vמרחב וקטורי של פונקציות רציפות בקטע ]a; a פנימית f (x)g(x) dx Z a a [ עם מכפלה = hf; gi א .נסמן ב A-קבוצה של פונקציות זוגיות מתוך Vוב B -קבוצה של פונקציות אי-זוגיות־ מ .V -הוכח ש A-ו B -תת מרחבים של .V ב .הוכח ש־ .A B = V רמז: )f (x) f ( x 2 + )f (x) + f ( x 2 = ):f (x ג .הוכח ש.A? = B - ד .יהיה Uתת מרחב של Vעם תכונה הבאה :לכל g (x) 2 Uגם :g( x) 2 Uהוכח שאם ) f (xפונקציה אי זוגית אז היטל שלה על U גם פונקציה אי זוגית. 6 מכפלה פנימית .21יהי )] C ([a; bמרחב הפונקציות הרציפות עם מכפלה פנימית Z b f (x)g(x)dx a = :hf; gi יהי ] Pn [xמרחב הפולינומים ממעלה קטנה או שווה ל .nעל סמך תהליך גרהם שמידט לכל שלם חיובי nקיים בסיס אורתונורמלי fp0 ; p1 ; :::; pn g של תת המרחב ].Pn [x א .הראה שאם qפולינום ממעלה ,n > mאז .hq; pn i = 0 ב .הראה שלפולינום pnיש nשורשים בקטע ].[a; b רמז :נניח בשלילה של pnיש m < nשורשים fx1 ; :::; xm gבקטע ] .[a; bנציב ) ,q (x) = (x x1 ) (x xmאז ) pn (x) = q (x)r(xכאשר ) r(xפולינום ללא שורשים בקטע ] .[a; bהשתמש בסעיף )א( על מנת לקבל סתירה. .22א .יהיו aו bוקטורים ב .Rnהראה ש.tr(abT ) = aT b - ב .יהי fu1 ; :::; un gבסיס אורתונורמלי של :Rnהראה שאוסף מטריצות fui uTj g; i; j = 1; :::; n מהווה בסיס אורתונורמלי של מרחב המטריצות Rnn פנימית עם מכפלה )hA; B i = tr(B T A .23הוכח שקבוצת פונקציות )הן נקראות פונקציות (Rademacher [2p x] ; p = 1; : : : n )1 ] [2p מסמן ערך שלם של x כאשר x מכפלה פנימית מוגדרת כך 2p f (x)g(x) dx 7 1 ( = )fp (x היא קבוצה אורתונורמלית כאשר Z 0 = hf; gi מכפלה פנימית תשובות p 40 .ב jj < 1 p pe22et1 .ג 3 , כן.ב f5; 1; 2; 0g p 30 1 .ב .ג 4 6 PW (u) = hkuw;w1 k12i w1 + + hkuw;wk kk2i wk . ב8 2 4 cos(t) + cos(2t) .א 3 f(0; 1; 1)T g 3 2 3 2 3 9 82 0 1 0 0 0 1 0 0 0 > > > > > 4 0 0 0 5 ; 4 0 0 0 5 ; 4 0 0 1 5 ;> > > > > > > > > = < 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 3 2 3 2 3 > 0 0 0 0 0 0 0 0 0 > > > > > > > > 4 1 0 0 5 ; 4 0 0 0 5 ; 4 0 0 0 5> > > > > ; : 0 0 0 1 0 0 0 1 0 f1; x 21 ; x2 x + 16 g .f1; x; x2 13 ; x3 53 xg = 122 = = ו0 .ג p , 122 x .ב f p13 ; p12 (x 1); p32 (x2 p 1 ( 2 B=4 8 1 14 , 122 x . א15 x + 31 )g . ג16 1 1 2 2 )x + ( 2 p2 )x .ד a b+c 0 13 2 2 . א9 .ב 3 0 0 5 0 1 2 .ב ,4 2 0 b+c 2 d 1 17 3 0 0 5 0 1 . א18
© Copyright 2024