Nøgleord og begreber Ortogonalt komplement Tømrerprincippet. [LA] 13 Ortogonal projektion

Relaterede dokumenter
Oversigt [LA] 11, 12, 13

Definition 13.1 For en delmængde af vektorer X R n er det ortogonale komplement. v 2

Definition. og lœngden, normen. og afstanden mellem vektorer a og b. Der gælder

Oversigt [LA] 11, 12, 13

Lineær algebra 1. kursusgang

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) JANUAR 2006 AARHUS UNIVERSITET.. Beregn den retningsafledede D u f(0, 0).

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Opgave 1 Lad R betegne kvartcirkelskiven x 2 + y 2 4, x 0, y 0. (Tegn.) Udregn R x2 y da. Løsning y. Opgave 1 - figur. Calculus Uge 50.

Oversigt Matematik Alfa 1, Januar 2003

Figur. To ligninger i to ubekendte. Definition Ved m lineære ligninger med n ubekendte forstås. Definition 6.4 Givet ligningssystemet

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

Opgave 1 Betragt funktionen. x + y for x > 0, y > 0. 3) Angiv en enhedsvektor u så at den retningsafledede D u f(5, 2) er 0.

Opgave 1 - løsning 1) De partielle afledede beregnes. Opgave 1 Betragt funktionen. x + y for x > 0, y > 0. f x = y 1 (x + y) 2.

Calculus Uge

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Lineær Algebra eksamen, noter

Underrum - generaliserede linjer og planer

Oversigt [LA] 10, 11; [S] 9.3

Module 1: Lineære modeller og lineær algebra

Tidligere Eksamensopgaver MM505 Lineær Algebra

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 7

3.1 Baser og dimension

Lineær Algebra, kursusgang

Skriftlig eksamen Vejledende besvarelse MATEMATIK B (MM02)

x 2 + y 2 dx dy. f(x, y) = ln(x 2 + y 2 ) + 2 1) Angiv en ligning for tangentplanen til fladen z = f(x, y) i punktet

Diagonalisering. Definition (diagonaliserbar)

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 6

Vejledende besvarelse på august 2009-sættet 2. december 2009

Besvarelser til Lineær Algebra Reeksamen August 2016

Oversigt [LA] 6, 7, 8

Opgave 1 - løsning 1) De partielle afledede beregnes. Opgave 1 Betragt funktionen. x + y for x > 0, y > 0. f x = y 1 (x + y) 2.

Lineær Algebra, TØ, hold MA3

Lidt alment om vektorrum et papir som grundlag for diskussion

Symmetriske matricer

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

Nøgleord og begreber. Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er

Eksamen i Lineær Algebra

Affine rum. a 1 u 1 + a 2 u 2 + a 3 u 3 = a 1 u 1 + (1 a 1 )( u 2 + a 3. + a 3. u 3 ) 1 a 1. Da a 2

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [LA] 15, 16, 17

Eksamen i Lineær Algebra. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet

Reeksamen i Lineær Algebra

Lineær Algebra F08, MØ

Definition. og lœngden, normen. og afstanden mellem vektorer a og b. Der gælder

Besvarelse af Eksamensopgaver Juni 2005 i Matematik H1

Lineær Algebra - Beviser

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

Oversigt [LA] 6, 7, 8

Vektorer og lineær regression

Vektorer og lineær regression. Peter Harremoës Niels Brock

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

Løsninger til udvalgte Eksamensopgaver i Lineær Algebra Juni 2000 og Juni 2001.

Eksamen i Lineær Algebra

Lineære normale modeller (1) udkast. 1 Flerdimensionale stokastiske variable

6.1 Reelle Indre Produkter

Eksamen i Lineær Algebra

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

Definition multiplikation En m n-matrix og en n p-matrix kan multipliceres (ganges sammen) til en m p-matrix.

Nøgleord og begreber. Definition multiplikation En m n-matrix og en n p-matrix kan multipliceres (ganges sammen) til en m p-matrix.

Reeksamen i Lineær Algebra

(Prøve)eksamen i Lineær Algebra

Oversigt [LA] 3, 4, 5

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Lineær algebra: Spænd. Lineær (u)afhængighed

Nøgleord og begreber Separable ligninger 1. ordens lineær ligning August 2002, opgave 7 Rovdyr-Byttedyr system 1. ordens lineært system Opgave

Symmetriske matricer. enote Skalarprodukt

MA TEMA TIK 1 LA, GAMMEL T PENSUM

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2017

Forslag til hjemmeopgaver, som forbereder arbejdet med de nye emner den pågældende kursusgang, men primært er baseret på gymnasiepensum:

DesignMat Uge 11 Lineære afbildninger

Reeksamen i Lineær Algebra. Første Studieår ved Det Tekniske Fakultet for IT og Design samt Det Ingeniør- og Naturvidenskabelige Fakultet

Vektorrum. enote Generalisering af begrebet vektor

Eksamen i Lineær Algebra

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær eksamen - 6. Juni 2016

Matematik: Struktur og Form Spænd. Lineær (u)afhængighed

To ligninger i to ubekendte

Eksamen i Lineær Algebra

Egenværdier og egenvektorer

LiA 5 Side 0. Lineær algebra Kursusgang 5

Mat10 eksamensspørgsmål

(Prøve)eksamen i Lineær Algebra

Oversigt [LA] 3, 4, 5

DesignMat Uge 11. Vektorrum

LinAlg 2013 Q3. Tobias Brixen Mark Gottenborg Peder Detlefsen Troels Thorsen Mads Buch 2013

Lineær algebra 4. kursusgang

DesignMat. Preben Alsholm. September Egenværdier og Egenvektorer. Preben Alsholm. Egenværdier og Egenvektorer

Sætning (Kædereglen) For f(u), u = g(x) differentiable er den sammensatte funktion F = f g differentiabel med

1 Vektorrum. MATEMATIK 3 LINEÆR ALGEBRA M. ANV. 4. oktober Miniprojekt: Lineær algebra på polynomier

Eksempel på 2-timersprøve 2 Løsninger

LiA 2 Side 0. Lineær algebra 3. kursusgang

DesignMat Uge 2. Preben Alsholm. Efterår Lineære afbildninger. Preben Alsholm. Lineære afbildninger. Eksempel 2 på lineær.

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

2010 Matematik 2A hold 4 : Prøveeksamen juni 2010

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2018

Eksamen i Lineær Algebra

1.1. n u i v i, (u, v) = i=1

Prøveeksamen A i Lineær Algebra

Eksamensspørgsmål. Spørgsmål 1: Funktioner

Uge 11 Lille Dag. Opgaver til OPGAVER 1. Det ortogonale komplement

Transkript:

Oversigt [LA] 11, 12, 13 Nøgleord og begreber Ortogonalt komplement Tømrerprincippet Ortogonal projektion Projektion på 1 vektor Projektion på basis Kortest afstand August 2002, opgave 6 Tømrermester Januar 2006, opgave 4 Gram-Schmidt Calculus 2-2006 Uge 46.1-1 Komplement Definition 13.1 For en delmængde af vektorer X R n er det ortogonale komplement X = {v R n v u = 0, u X} Fra regnereglerne for skalarproduktet følger straks, at dette er et underrum. Calculus 2-2006 Uge 46.1-2 Komplement Bemærkning 13.2 Nogle nyttige observationer: 1. Der gælder 0 = R n og (R n ) = 0. 2. X (X ). 3. X X 0. 4. Hvis U er et underrum, så er U U = 0. Calculus 2-2006 Uge 46.1-3 Planen Eksempel 13.4 For to egentlige vektorer u, v i R 2 som er ortogonale u v er det ortogonale komplement u = {w w u = 0} underrummet Span(v). Span(v) ORTOGONAL KOMPLEMENT u Calculus 2-2006 Uge 46.1-4

Bestem komplement Eksempel 13.5 For u = (3, 1) R 2 er det ortogonale komplement {v v u = 0} bestemt ved ligningen, v = (v 1, v 2 ), 3v 1 + v 2 = 0 Løsning Skrives ( v 1 v 2 ) ( ) ( 1 = v 3 2 = v 2 v 2 1 3 1 Span(u) = Span(( 1 3, 1)) ) Calculus 2-2006 Uge 46.1-5 Bestem komplement Eksempel 13.5 - figur Span(u) y ( 1 3, 1) 1 u = (3, 1) Calculus 2-2006 Uge 46.1-6 Tømrerprincippet Sætning 13.6 For en delmængde af vektorer X R n som udspænder et underrum U R n er det ortogonale komplement X = U Altså gælder w U w, X Calculus 2-2006 Uge 46.1-7 Beregn komplement Eksempel 13.7 For U = Span((1, 1, 1), (2, 3, 4)) R 3 er det ortogonale komplement U = {v v u = 0, u U} bestemt ved ligningssystemet, v = (v 1, v 2, v 3 ), v 1 + v 2 + v 3 = 0 2v 1 + 3v 2 + 4v 3 = 0 Calculus 2-2006 Uge 46.1-8

Beregn komplement Eksempel 13.7 - fortsat Det rækkereducerede system er v 1 + v 3 = 0 v 2 + 2v 3 = 0 Løsningerne kan skrives v 3 1 = 2v 3 = v 3 2 1 v 1 v 2 v 3 v 3 Dermed er U = Span((1, 2, 1)) Calculus 2-2006 Uge 46.1-9 Beregn komplement Eksempel 13.7 - figur Dermed er U = Span((1, 2, 1)) (1, 2, 1) z U = Span((1, 1, 1), (2, 3, 4)) y Calculus 2-2006 Uge 46.1-10 Komplement som nulrum Sætning 13.8 For en m n-matri er nulrummet det ortogonale komplement til rækkerummet N A = Span(a 1,..., a m ) Bevis Produktet A = 0 betyder netop at a i for i = 1,..., m. Calculus 2-2006 Uge 46.1-11 Underrum og komplement Sætning 13.9 Lad U være et underrum i R n. Så har enhver vektor R n en entydig fremstilling = v + w, v U, w U Calculus 2-2006 Uge 46.1-12

Underrum og komplement Sætning 13.9 - fortsat Bevis Lad u 1,..., u m være en basis for U. Det følger, at U er nulrummet for m n-matricen med basen for U som rækker. Rangformlen giver, at dim U = n m. Vælg en basis for U u m+1,..., u n. En fremstilling j a ju j = 0 giver m a j u j = j=1 n j=m+1 a j u j U U Det følger, at sættet u 1,..., u n er lineært uafhængigt og dermed en basis for R n. En opskrivning = j a ju j giver resultatet. Calculus 2-2006 Uge 46.1-13 Vektor og komplement Eksempel 13.10 For U = Span((1, 1, 1)) er det ortogonale komplement U bestemt ved ligningen v 1 v 2 v 3 = 0 Løsningerne kan skrives v 1 v 2 + v 3 1 1 v 2 = v 2 = v 2 1 + v 3 0 0 1 v 3 v 3 Calculus 2-2006 Uge 46.1-14 Vektor og komplement Eksempel 13.10 - fortsat Dermed er U = Span((1, 1, 0), (1, 0, 1)) Vektoren (3, 0, 0) kan skrives (3, 0, 0) = (1, 1, 1) + (1, 1, 0) + (1, 0, 1) og dermed (3, 0, 0) = (1, 1, 1) + (2, 1, 1) hvor (1, 1, 1) U, (2, 1, 1) U. Calculus 2-2006 Uge 46.1-15 Ortogonal projektion Definition 13.11 Situationen relateres til følgende figur w = v U v ORTOGONAL PROJEKTION PÅ UNDERRUM U Calculus 2-2006 Uge 46.1-16

Ortogonal projektion Definition 13.11 - fortsat For et underrum U R n er den ortogonale projektion af en vektor på U den vektor v U, som opfylder Der gælder = v + w, v = w U Den ortogonale projektion betegnes Vektoren kaldes restvektoren. v U, w U proj U () = v w = v = proj U () Calculus 2-2006 Uge 46.1-17 Projektion på 1 vektor Sætning 13.13 For et underrum U = Span(u) R n udspændt af netop én vektor u 0 er den ortogonale projektion af en vektor på U givet ved v = u Det skrives proj u () = u Bevis Eftervis ( u ) u altså ( u ) u = u u u = 0 Calculus 2-2006 Uge 46.1-18 Projektion på 1 vektor Sætning 13.13 - figur w = v U v = au U = Span(u) ORTOGONAL PROJEKTION v = proj u (), a = u u u Calculus 2-2006 Uge 46.1-19 Beregn projektion Eksempel 13.14 For et underrum U = Span(u) R 3 udspændt af vektoren u = (1, 1, 1) er den ortogonale projektion af en vektor = ( 1, 2, 3 ) på U givet ved proj u () = u = 1 + 2 + 3 3 (1, 1, 1) Calculus 2-2006 Uge 46.1-20

Beregn projektion Eksempel 13.15 Tegn en figur for overblik 2 = (1, 18) proj u () = (9, 12) u = (3, 4) 1 ORTOGONAL PROJEKTION proj u () på Span(u) 1 Calculus 2-2006 Uge 46.1-21 Beregn projektion Eksempel 13.15 - fortsat For et underrum U = Span(u) R 2 udspændt af vektoren u = (3, 4) er den ortogonale projektion af en vektor = (1, 18) på U givet ved proj u () = u = 3 + 4 18 3 2 + 4 2 (3, 4) = 3(3, 4) = (9, 12) Calculus 2-2006 Uge 46.1-22 Projektion på basis Sætning 13.16 Lad u 1,..., u k R n være indbyrdes ortogonale egentlige vektorer. Antag at de udspænder underrummet U. Så gælder 1. Sættet u 1,..., u k er en basis for U. 2. Den ortogonale projektion af en vektor R n på U er givet ved k proj U () = proj uj () j=1 3. Det er en opskrivning af projektionen i basen u 1,..., u k proj U () = k j=1 u j u j u j u j Calculus 2-2006 Uge 46.1-23 Beregn projektion Eksempel 13.17 Lad u 1 = (1, 1, 1), u 2 = (1, 2, 1) R 3 være indbyrdes ortogonale vektorer der udspænder underrummet U. Så er den ortogonale projektion proj U () = proj u1 () + proj u2 () = u 1 u 1 u 1 u 1 + u 2 u 2 u 2 u 2 = 1 2 + 3 3 = ( 1 + 3 2 (1, 1, 1) + 1 + 2 2 + 3 6, 2, 1 + 3 ) 2 (1, 2, 1) Calculus 2-2006 Uge 46.1-24

Beregn projektion Eksempel 13.17 - figur proj U proj u1 proj u2 u 1 u 2 Calculus 2-2006 Uge 46.1-25 Mindste afstand Sætning 13.19 Lad U R n være et underrum. Antag at vektoren har ortogonal projektion v = proj U () på U. Så gælder: 1. Projektionen v er den vektor i U, der har kortest afstand til. 2. Normen af restvektoren v den korteste afstand. Bevis For en vektor v v U gælder (v v ) 2 = ( v) + v 2 ifølge Pythagoras, da ( v) v. = v 2 + v 2 Calculus 2-2006 Uge 46.1-26 Mindste afstand Sætning 13.19 - figur v (v v ) v v MINDSTE AFSTAND TIL UNDERRUM U Calculus 2-2006 Uge 46.1-27 Afstand til linje Eksempel 13.20 For en linje U = Span(u) R 3 udspændt af vektoren u = (1, 1, 1) er den vektor i U med kortest afstand til en vektor = ( 1, 2, 3 ) givet ved Kvadratafstanden er proj u () = u = 1 + 2 + 3 3 (1, 1, 1) proj u () 2 = ( 1 m) 2 + ( 2 m) 2 + ( 3 m) 2 hvor m = 1+2+3 3. Calculus 2-2006 Uge 46.1-28

Opgave Matematik Alfa 1, August 2002 Opgave 6 Betragt det lineære underrum U R 4, der er udspændt af vektorer u 1 = (1, 1, 1, 1) og u 2 = (0, 1, 1, 0). Angiv den vektor u i U, der har kortest afstand til vektoren v = (1, 2, 3, 4). Løsning Vektoren u er den ortogonale projektion af v på U. Den korteste afstand er v u Calculus 2-2006 Uge 46.1-29 Opgave Matematik Alfa 1, August 2002 Opgave 6 - fortsat Vektorerne u 1 = (1, 1, 1, 1) og u 2 = (0, 1, 1, 0) har u 1 u 2 = 1 0 + 1 1 + ( 1) 1 + ( 1) 0 = 0 Projektionen af v = (1, 2, 3, 4) er u = proj U (v) = proj u1 (v) + proj u2 (v) = v u 1 u 1 + v u 2 u 2 u 1 u 1 u 2 u 2 = 4 4 (1, 1, 1, 1) + 5 (0, 1, 1, 0) 2 = ( 1, 3, 7, 1) 2 2 Calculus 2-2006 Uge 46.1-30 Opgave Matematik Alfa 1, August 2002 Opgave 6 - ekstra Restvektoren v u = (1, 2, 3, 4) ( 1, 3 2, 7 2, 1) = (2, 1 2, 1 2, 3) har længde, som angiver den mindste afstand fra v til U v u = (2, 1, 1, 3) 2 2 27 = 2 = 3 2 6 Calculus 2-2006 Uge 46.1-31 Tømrermester Bemærkning 13.21 To vektorer kan rettes op w = v proj u (v) v proj u (v) TO VEKTORER RETTET OP u Calculus 2-2006 Uge 46.1-32

Tømrermester Bemærkning 13.21 - fortsat Lad u, v være ikke-parallelle vektorer der udspænder underrummet U. Sæt w = v proj u (v) = v v u Så er u, w ortogonale og udspænder U. Den ortogonale projektion af vektoren på U er da proj U () = proj u () + proj w () = u + w w w w Calculus 2-2006 Uge 46.1-33 Tømrermester arbejder Eksempel 13.22 Lad u = (1, 1, 1), v = (1, 2, 3) være vektorer der udspænder underrummet U. Sæt w = v proj u (v) = v v u = (1, 2, 3) 2(1, 1, 1) = ( 1, 0, 1) Den ortogonale projektion af vektoren = (3, 3.6, 6) på U er da proj U () = proj u () + proj w () = u + w w w w = 12.6 3 (1, 1, 1) + 3 ( 1, 0, 1) 2 = (2.7, 4.2, 5.7) Calculus 2-2006 Uge 46.1-34 Tømrermester arbejder Calculus 2 Januar 2006 Opgave 4 - let modificeret Betragt følgende vektorer i R 4 u 1 = (1, 0, 1, 0), u 2 = (2, 1, 0, 0) og lad U betegne underrummet U = Span(u 1, u 2 ). 1) Opret vektorerne ovenfor til et ortogonalt sæt u 1, u 3 som udspænder U. 2) Lad v betegne vektoren v = (5, 4, 3, 3). Angiv den ortogonale projektion proj U (v) af vektoren v på U. 3) Beregn den korteste afstand fra v til U. Calculus 2-2006 Uge 46.1-35 Tømrermester arbejder Calculus 2 Januar 2006 Løsning 1) Vektoren u 3 er givet ved opretning u 3 = u 2 proj u1 (u 2 ) = u 2 u 2 u 1 u 1 u 1 u 1 = (2, 1, 0, 0) (1, 0, 1, 0) = (1, 1, 1, 0) 2) Bemærk, at u 3 U og u 2 = u 1 + u 3 Span(u 1, u 3 ), så U = Span(u 1, u 3 ) er udspændt af to ortogonale vektorer. Projektionen af v på underrummet U er proj U (v) = proj u1 (v) + proj u3 (v) = v u 1 u 1 u 1 u 1 + v u 3 u 3 u 3 u 3. Calculus 2-2006 Uge 46.1-36

Tømrermester arbejder Calculus 2 Januar 2006 Løsning - fortsat u 1 = (1, 0, 1, 0), u 3 = (1, 1, 1, 0), v = (5, 4, 3, 3): u 1 u 1 = (1, 0, 1, 0) (1, 0, 1, 0) = 1 + 0 + 1 + 0 = 2 u 1 v = (1, 0, 1, 0) (5, 4, 3, 3) = 5 + 4 + 3 + 0 = 8 u 3 u 3 = (1, 1, 1, 0) (1, 1, 1, 0) = 1 + 1 + 1 + 0 = 3 u 3 v = (1, 1, 1, 0) (5, 4, 3, 3) = 5 + 4 3 + 0 = 6 proj U (v) = v u 1 u 1 u 1 u 1 + v u 3 u 3 u 3 u 3 = 8 2 (1, 0, 1, 0) + 6 (1, 1, 1, 0) 3 = (4, 0, 4, 0) + (2, 2, 2, 0) = (6, 2, 2, 0) Calculus 2-2006 Uge 46.1-37 Tømrermester arbejder Calculus 2 Januar 2006 Løsning - fortsat 3) Problemstillingen er vist på figuren v v proj U (v) proj U (v) U Længden af restvektoren er v proj U (v) er den korteste afstand fra v til U. Calculus 2-2006 Uge 46.1-38 Tømrermester arbejder Calculus 2 Januar 2006 Løsning - fortsat 3) v = (5, 4, 3, 3), proj U (v) = (6, 2, 2, 0). Længden af restvektoren er v proj U (v) er den korteste afstand fra v til U. Restvektoren udregnes v proj U (v) = (5, 4, 3, 3) (6, 2, 2, 0) = ( 1, 2, 1, 3) og den korteste afstand beregnes ( 1, 2, 1, 3) = 1 + 4 + 1 + 9 = 15. Calculus 2-2006 Uge 46.1-39 Gram-Schmidt Sætning 13.23 Et sæt vektorer v 1,..., v m R n som udspænder et underrum U kan oprettes til en basis u 1,..., u k for U bestående af indbyrdes ortogonale vektorer. Bevis Tag vektorer 0 fra følgende procedure u = v j+1 proj Span(v1,...,v j)(v j+1 ) Calculus 2-2006 Uge 46.1-40