מרחבים ווקטוריים
קבוצה נקראת מרחב וקטורי מעל שדה אם מוגדרות שתי פעולות - חיבור וכפל בין איבר ב- לאיבר ב-, כך ש- חבורה קומוטטיבית עם חיבור וכפל בסקלר.
עבור מרחב וקטורי ועבור קבוצה של וקטורים בו ו- סקלרים בשדה , כל ביטוי מהצורה:
נקרא צירוף ליניארי והוא וקטור השייך למרחב .
אוסף כל הצירופים הליניאריים נקרא המרחב הנפרש ע"י קבוצת הוקטורים הנ"ל אשר תקרא הקבוצה הפורשת. הקבוצה המתקבלת הינה תת מרחב של וסימונה:
פרישה ליניארית היא תת המרחב הקטן ביותר אשר יכול להכיל את כל הוקטורים הנ"ל(אם הם בת"ל).
איחוד וחיתוך מרחבים
בהינתן שני תתי-מרחבים של שיקראו ו-, חיתוכם הוא בהכרח תת מרחב של .
בהינתן שני תתי מרחבים של שיקראו נגדיר את סכומם כ:
חיבור זה הוא תת מרחב המקיים .
דוגמות למרחבים ווקטורים
המרחב הכי מוכר הוא הוא נבנה מכל הקורדינטות הנכתבות כאוסף של סקלרים ממשיים בסידור כלשהו, עם הגדרה פשוטה של חיבור וכפל בסקלר.
מה יהיו תתי מרחבים של המרחב ?
- אם נתעניין בתת-קבוצה של כל הקודינטות המקיימות את התכונה אזי יתקבל תת-מרחב של .
- אם הדרישה היא אינו תת מרחב שכן וקטור האפס לא נמצא שם.
אם נסתכל על כל הפולינומיים האפשריים מדרגה עם מקדמים ממשיים, אזי אוסף זה מגדיר מרחב וקטורי כאשר חיבור וכפל מוגדרים כמו שחושבים.
מעל תחום הגדרה משותף , נגדיר את אוסף כל הפונקציות . אוסף זה יוצר מרחב, ובו חיבור וכפל מתקבלים ע"י:
לדוגמה, אם נדרוש שכל הפונקציה בקבוצה הנאספת תהייה גזירה פעמיים ברציפות ותקיים את הקשר:
יתקבל תת מרחב של מרחב הפונקציות הנ"ל. גם הפעם, כמו בדוגמה הראשונה, השוויון לאפס קריטי.
מרחב הפתרונות של משוואה הומוגנית:
בסיס ומימד
עבור מרחב וקטורי , קבוצת הוקטורים תקרא תלויה ליניארית אם קיימים כך שלא כולם אפסים כך ש:
יהי המ"ו הנפרש מקבוצת וקטורים בת"ל. אזי קבוצה זו תקרא בסיס למרחב ומספר האיברים בקבוצה הוא המימד של מרחב זה וסימונו .
- לכל בסיס של מרחב וקטורי יש את אותו מספר איברים
- בכל קבוצה פורשת של יש לפחות איברים.
- בסיס הוא קבוצה פורשת מינימלית וקבוצה בת"ל מקסימלית ב-.
- אם המימד של הוא , אז כל קבוצה של איברים היא ת"ל ב-.
- יהא בסיס למ"ו , אזי כל איבר ב- ניתן לכתיבה כצירוף ליניארי של איברי .
- עבור מרחב וקטורי ושני תתי מרחבים שלו - מתקיים:
מרחב מכפלה פנימית
למרחב וקטורי מעל שדה נגדיר פונקציה אשר תקרא מכפלה פנימית, אם היא מקיימת את התכונות הבאות.
- ליניאריות:
- סימטריות (הרמטיות): כלומר צמוד מרוכב.
- חיוביות לחלוטין: ושוויון ל-0 מתקבל רק עבור .
למרחב בעל פונקציה כזו נקרא מרחב מכפלה פנימית.
מכפלה פנימית של וקטור עם עצמו תמיד ממשית בשל הצימוד המרוכב בתכונת הסימטריות. אנו נעסוק רוב הזמן בשדה הממשיים.
שני וקטורים במרחב מכפלה פנימית, ייחשבו כניצבים אם מתקיים כי . מקרה זה יסומן כ:
למרחב האוקלידי ה- מימדי מעל שדה הממשיים, מכפלה פנימית נפוצה בשימוש היא ההבאה:
כשעוסקים במספרים מרוכבים ההגדרה הזו משתנית בהרכח ל:
נורמה
למרחב וקטורי נורמי מעל שדה , נגדיר פונקציה אשר תקרא נורמה, אם היא מקיימת את התכונות הבאות:
- חיובית לחלוטין: ושוויון ל- מתקבל רק עבור .
- הומוגניות: .
- אי שוויון המשולש: .
למרחב וקטורי בעל פונקציה נורמה יקרא מרחב וקטורי נורמי.
האם היא אכן נורמה?
עלינו לבחון את שלושת התכונות שעל נורמה חוקית לקיים:
- חיוביות: נשים לב שאם אז ברור שהנורמה היא 0. כמו כן,
- הומוגניות: .
- אי שוויון המשולש:
\begin{align*} \forall \underline{x},\underline{y}\in V:\; ||\underline{x}+\underline{y}||&=\underset{k=1,2,\dots,n}{\max}|x_{k}+y_{k}| \\ & \leq \underset{k=1,2,\dots,n}{\max}(|x_{k}|+|x_{k}|) \\ & \leq \underset{k=1,2,\dots,n}{\max}|x_{k}|+\underset{k=1,2,\dots,n}{\max}|y_{k}|=||\underline{x}||_{\infty}+||\underline{y}||_{\infty} \end{align*}
כנדרש.
נורמה מושרית
דרך אחת לבניית נורמה היא ע"י המכפלה הפנימית, לפי:
נורמה זו היא נורמה מושרית המקיימת את שלושת האקסיומות שהוזכרו בהגדרה הקודמת.
הוכחת אי השוויון נעשית ע"י פיתוח הביטוי כמשוואה ריבועית ודירשה לאי-שליליות.
בעזרת אי שוויון קושי-שוורץ מתאפשרת הוכחת אי-שוויון המשולש לנורמה מושרית.
שימו לב- שיוויון זה נכון לנורמה מושרית.
אם אזי
מרחב מטרי
ראינו שניתן להצמיד למרחב וקטורי כלי עזר כמו מכפלה פנימית ו/או נורמה
הרעיון של מרחב וקטורי מטרי הוא להסוף להגדרות המרחב הבסיסיות הגדרת פונקציית מרחק בין שני וקטורים(זוהי המטריקה) עם תכונות מסויימות
בחירה טבעית של מטריקה היא נורמת ההפרש. כלומר, .
ואז זו תהיה מטריקה מושרית מהגדרת הנורמה.