Ортогональный и ортонормированный базис. Процесс ортогонализации. Сопряженные векторы в евклидовом пространстве.

 

Ортогональный базис.

 

Ортогональный (ортонормированный) базис — ортогональная (ортонормированная) система элементов линейного пространства со скалярным произведением, обладающая свойством полноты.

Ортогональный базис — базис, составленный из попарно ортогональных векторов.

Ортонормированный базис в 3-мерном евклидовом пространстве

Ортонормированный базис удовлетворяет еще и условию единичности нормы всех его элементов. То есть это ортогональный базис с нормированными элементами.

Последнее удобно записывается при помощи символа Кронекера:

то есть скалярное произведение каждой пары базисных векторов равно нулю, когда они не совпадают (), и равно единице при совпадающем индексе, то есть когда берется скалярное произведение любого базисного вектора с самим собой.

Очень многое записывается в ортогональном базисе гораздо проще, чем в произвольном, поэтому очень часто стараются использовать именно такие базисы, если только это возможно или использование какого-то специального неортогонального базиса не дает особых специальных удобств. Или если не отказываются от него в пользу базиса общего вида из соображений общности.

Ортонормированный базис является самодуальным (дуальный ему базис совпадает с ним самим). Поэтому в нём можно не делать различия между верхними и нижними индексами, и пользоваться, скажем, только нижними (как обычно и принято, если конечно при этом используются только ортонормированные базисы).

Линейная независимость следует из ортогональности, то есть достигается для ортогональной системы векторов автоматически.

Коэффициенты в разложении вектора по ортогональному базису:

можно найти так:

.

Полнота ортонормированной системы векторов эквивалентна равенству Парсеваля: для любого вектора квадрат нормы вектора равен сумме квадратов коэффициентов его разложения по базису:

Ортонормированный базис.

Ортонормированная система, состоящая из n векторов n -мерного евклидова пространства, образует базис этого пространства. Такой базис называется ортонормированным базисом.

Если e ₁, e ₂, ..., e _n — ортонормированный базис n -мерного евклидова пространства и

x = x ₁ e₁ + x ₂ e₂ +... + x_n e _n — разложение вектора x по этому базису, то координаты x _i вектора x в ортонормированном базисе вычисляются по формулам x _i =(x, e _i), i = 1, 2,..., n.

В любом конечномерном евклидовом пространстве существует ортонормированный базис.

Любую ортонормированную систему векторов конечномерного евклидова пространства можно дополнить до ортонормированного базиса.

Процесс Грама ― Шмидта

 

Процесс Грама (англ.) ― Шмидта — это один из алгоритмов, в которых на основе счётного множества линейно независимых векторов строится множество ортогональных векторов или ортонормированных векторов , причём так, что каждый вектор или может быть выражен линейн Пусть имеются линейно независимые векторы .

Определим оператор проекции следующим образом:

где — скалярное произведение векторов и . Этот оператор проецирует вектор ортогонально на вектор .

Классический процесс Грама — Шмидта выполняется следующим образом:

На основе каждого вектора может быть получен нормированный вектор: (у нормированного вектора направление будет таким же, как у исходного, а длина — единичной).

Результаты процесса Грама — Шмидта:

— система ортогональных векторов либо

— система ортонормированных векторов.

Вычисление носит название ортогонализации Грама — Шмидта, а — ортонормализации Грама — Шмидта.

ой комбинацией векторов .