דף הנושא — אורתוגונליות
זווית, אי-שוויון המשולש, פיתגורס וקבוצות אורתוגונליות
22 תכונות
10 מהתרגול בלבד
6 מלכודות
בשורה אחת
אורתוגונליות היא בדיוק (בלי דרישה ש-), וכל השבוע הוא ארבעת הדברים שנובעים ממנה או מקושי-שוורץ: הזווית מוגדרת היטב, פיתגורס , אי-שוויון המשולש , וקבוצה אורתוגונלית שאינה מכילה את היא בת"ל.
מה צריך לדעת קודם
מה אורתוגונליות נותנת — ומה היא לא נותנת
השורות המסויגות (לא ✓ ולא ✗) הן כמעט כולן אותם שני תנאים: "רק מעל " או "רק אם הוקטורים אינם ". שם נמצאות כל הטעויות.
| תכונה | נובע? | למה, ואיך משתמשים בזה |
|---|---|---|
| קבוצה אורתוגונלית בת"ל | רק אם אינו בקבוצה. אורתוגונלית (כי ) וגם ת"ל. הניסוח המדויק מתרגול 11: "קבוצת וקטורים ניצבים שלא מכילה את וקטור האפס היא בת"ל". | |
| פיתגורס: | משפט 4. נכון גם מעל — כי מה שמתאפס הוא . וגם , כי . | |
| ההפך של פיתגורס: | רק מעל . הפיתוח נותן בלבד. נגדית ב-: — אבל . | |
| הזווית ביניהם | הערה 3 + מסקנה 1: רק אם ובמרחב אוקלידי. מסקנה 1 מנוסחת בדיוק כך: אורתוגונליים אם"ם מאונכים או שלפחות אחד מהם . | |
| רק מעל (מטלה 11 ש׳1א): , והאמצע מתקזז בזכות סימטריה. מעל הפרכה: נותן . | ||
| שוויון באי-שוויון המשולש כאשר ת"ל | לא! ת"ל מרשה : עבור מקבלים . התנאי הנכון (מטלה 11 ש׳3ב), עבור : אם"ם עם ממשי. בלי ההנחה ה-אם"ם נשבר (, ). | |
| כפל בסקלרים שומר אורתוגונליות של קבוצה | הערה 4 בהרצאה: אם אורתוגונלית אז גם . לכן תמיד אפשר לנרמל אורתוגונלי לאורתונורמלי בלי לאבד דבר. | |
| העתקה הפיכה שומרת אורתוגונליות | תרגול 11, הפרכה מפורשת: הפיכה, ושולחת את הבסיס הניצב ל- שאינו ניצב (). | |
| מטריצה אורתוגונלית () שומרת אורתוגונליות ונורמה | תרגול 11: , ולכן , ובסיס אורתונורמלי עובר לבסיס אורתונורמלי. זה ההבדל בין "הפיכה" ל"אורתוגונלית". | |
| סימטרית אנטי-סימטרית ב- | מטלה 11 ש׳4(ו). , ולכן . תמיד, בלי תנאים. | |
| ניצבות לכל איברי בסיס ניצבות לכל התמ"ו | תרגול 11. מלינאריות ברכיב הראשון: . חוסך לך בדיקה של אינסוף וקטורים. | |
| אורתוגונליות אחד מהם או שהם שונים | וקטור יכול להיות ניצב לעצמו רק אם הוא — כי . זו למה קטנה שמשמשת להוכחת . מה שכן שגוי: "אורתוגונליים הוקטורים שונים" — מפריכה. |
לפני שאת משתמשת בכל טענה מהטבלה מעל , שאלי: האם ההוכחה מקזזת מול ? אם כן — היא נשענת על סימטריה והיא שגויה מעל , וההפרכה תמיד היא , , .
המשלים הניצב — טבלה שכולה מתרגול 11
. אף אחת מהשורות האלה לא נמצאת בהרצאה 10, וכולן מופיעות במטלות ובמבחנים.
| תכונה | נכון? | למה, ואיך משתמשים בזה |
|---|---|---|
| הוא תת-מרחב | ולכל תת-קבוצה , לא רק לתמ"ו. שלוש הבדיקות: (כי ), סגירות לחיבור (אדיטיביות), סגירות לכפל בסקלר (הומוגניות). | |
| אם בשניהם אז ולכן . זו ההוכחה בת השורה האחת שכדאי לדעת בעל-פה. | ||
| רק ל- נוצר-סופית ו- תמ"ו. ההוכחה בתרגול היא דרך , , ומשפט המימדים. | ||
| תמיד, ובשורה אחת מההגדרה. שוויון מתקיים במימד סופי עבור תמ"ו (משיקולי מימד), אבל לא בהכרח אם רק תת-קבוצה. | ||
| עבור | תרגול 11, ושם מנוסח במפורש למטריצה ממשית. כי אז הוא בדיוק וקטור המכפלות של שורות עם . מסקנה: . מעל זה נשבר — שם ; עבור מתקבל אבל . | |
| "מצאו את כל הניצבים ל-" = מערכת הומוגנית | משוואה אחת ב- נעלמים, ולכן התשובה היא של וקטורים. מעל אל תשכחי את הצמודים בכתיבת המשוואה — תרגול 11 עושה זאת עבור ומקבל . |
"מצאו את " בכל מרחב — מטריצות, פולינומים, — היא תמיד אותה שאלה: כתבי את כמשוואה לינארית אחת במקדמים, פתרי, וכתבי כ-. המימד יהיה .
מה שעלה בתרגול ולא בהרצאה (10)
בדיוק החלק שנופל בין הכיסאות — כאן הוא במקום אחד- הוא תת-מרחב לכל תת-קבוצה , מתקיים , ובמימד סופי . כל שלוש הטענות מתרגול 11 בלבד. ההוכחה של הסכום הישר: מגדירים עבור בסיס של , מראים , ומפעילים משפט המימדים.תרגול 11
- מספיק לבדוק ניצבות מול איברי בסיס. אם לכל אז לכל . זה מה שהופך כל שאלת למערכת סופית של משוואות.תרגול 11
- ו-. הגשר בין כל פרק המכפלה הפנימית לבין מרחבי המטריצות מסמסטר א׳ — ופתאום "מצאו את המשלים הניצב של " זה סתם דירוג מטריצה.תרגול 11
- נוסחת המקדמים: אם בסיס אורתונורמלי אז ; אם רק אורתוגונלי אז . תרגול 11 מדגים זאת על אותה שאלה פעמיים — קודם בדירוג מטריצה , ואז בשלוש מכפלות פנימיות. זה נשאל כהוכחת בוקוורק במבחן 2023ב׳ ש׳3(א).תרגול 11 (+ מבחן 2023ב׳ ש׳3א)
- העתקה הפיכה לא שומרת אורתוגונליות. ההפרכה מתרגול 11: . מה שכן שומר: מטריצה אורתוגונלית (), ואז , , , כל ע"ע ממשי הוא (בכלליות רק — לסיבוב יש ע"ע ), והשורות והעמודות של הן בסיסים אורתונורמליים.תרגול 11
- " לכל " — שלושה מצבים שונים: מעל זה לא גורר (הפרכה: סיבוב ב-, ); מעל עם לכסינה זה כן גורר (כי כל ע"ע מקיים ); מעל זה גורר ש- נילפוטנטית, דרך המשפט היסודי של האלגברה + קיילי-המילטון — ולמעשה , כפי שהתרגול מציין בשורה שאחרי ההוכחה וכפי שנשאל במבחן 2024ב׳ ש׳5.1. כלומר על טענת נכון/לא נכון "מעל נובע " התשובה נכון.תרגול 11 (+ מבחן 2024ב׳ ש׳5.1)
- מטלה 11 ש׳2: אם , , אורתוגונליים זה לזה במרחב אוקלידי אז . המנגנון: כל אחת משלוש המשוואות יוצאת בצורה "" עם אותו — ולכן משווים ומקבלים את התוצאה בלי לחשב את בכלל.מטלה 11 ש׳2
- מטלה 11 ש׳4(ב): אם לכל ו- אז . ההוכחה: אילו , מ- קיים שאינו ת"ל ב-, ואז קושי-שוורץ חד. שימי לב שההנחה היא הכרחית ומופיעה במפורש.מטלה 11 ש׳4(ב)
- מטלה 11 ש׳4(ז): המטריצה הסימטרית הקרובה ביותר ל- היא . ההוכחה כולה בשתי עובדות: אנטי-סימטרית ולכן ניצבת לכל סימטרית, ואז פיתגורס: .מטלה 11 ש׳4(ז)
- מטלה 11 ש׳1: נכון במרחב אוקלידי ושגוי במרחב הרמיטי. ההפרכה המינימלית בקורס: , , .מטלה 11 ש׳1
תכונות קטנות שחייבים לדעת (12)
14 מסומנות בצהוב — אלה שמכריעות שאלות- קבוצת וקטורים אורתוגונליים שאינה מכילה את היא בת"ל. זה המשפט המרכזי של השבוע — והוא מופיע בתרגול 11, לא בהרצאה 10. השימוש: כשמבקשים "הוכיחי שזה בסיס" ויש לך אורתוגונליות — נשאר רק לספור מימד.תרגול 11
- משפט פיתגורס: אורתוגונליים . תקף בכל ממ"פ, גם מעל , כי מה שמתאפס בפיתוח הוא .הרצאה 10, משפט 4
- אי-שוויון המשולש , ושרשרת ההוכחה היא שני אי-שוויונות שונים: (כי ) ואז (קושי-שוורץ). בכל הוכחת בוקוורק חייבים לצטט את שניהם.הרצאה 10, משפט 2 (נשאל כהוכחה במבחן 2023א׳ ש׳1a)
- תנאי השוויון באי-שוויון המשולש, שחסר בהרצאה: עבור , מתקיים אם"ם קיים ממשי כך ש-. לא "ת"ל" — כיווניות חיובית. מטלה 11 ש׳3 בונה את זה במפורש כתיקון לניסוח מההרצאה.מטלה 11 ש׳3
- הזווית מוגדרת היטב בזכות קושי-שוורץ: , ולכן הביטוי בקטע ו- חח"ע ב-. אם המבחן מבקש "הוכיחו שהזווית מוגדרת היטב" — זו כל התשובה.הרצאה 10, הערה 2
- הזווית מוגדרת בין כל שני איברים בממ"פ אוקלידי — גם בין מטריצות ובין פולינומים, לא רק ב-. מטלה 11 ש׳4(ד) מחשבת את הזווית בין מטריצת סיבוב לבין (עבור ) ומקבלת בדיוק .הרצאה 10, הגדרת זווית; החישוב עצמו — מטלה 11 ש׳4(ד)
- עם . הדרך: נותן , ומקושי-שוורץ הם ת"ל; אז מציבים ומקבלים .הרצאה 10, תרגיל
- אורתונורמליות: — כלומר אורתוגונליים וגם כל אחד וקטור יחידה. הבסיס הסטנדרטי של הוא אורתונורמלי ביחס למ"פ הסטנדרטית.הרצאה 10, הגדרה + תרגול 11
- וקטור אורתוגונלי לכל הוא אורתוגונלי לכל — מלינאריות. במרחב אוקלידי זה עובד גם כשמוציאים סקלרים מהרכיב השני (ההרצאה מציינת "השדה הוא " בדיוק בצעד הזה).הרצאה 10, תרגיל מבחן 2017 ש׳5א + תרגול 11
- ההיטל בזעיר-אנפין: אורתוגונלי ל- (עבור קבוצה אורתוגונלית). זו כבר הנוסחה של גרם-שמידט, והיא כבר הופיעה בהוכחת קושי-שוורץ במקרה .הרצאה 10, תרגיל מבחן 2017 ש׳5א
- קבוצה אורתוגונלית נשארת אורתוגונלית אחרי כפל כל וקטור בסקלר (הערה 4), ולכן כל בסיס אורתוגונלי אפשר לנרמל לאורתונורמלי — ואת החישוב הזה עושים תמיד בסוף, לא באמצע.הרצאה 10, הערה 4
- המרחק בין ל- מוגדר כ-. "הוקטור הקרוב ביותר" הוא תמיד זה שההפרש ממנו ניצב לתת-המרחב — וזו הסיבה שהמינימיזציה תמיד מסתדרת יפה.תרגול 11
אם נתון לי כך — באמת שואלים אותי את זה (6)
נתוןנתונות מספר אורתוגונליות בין צירופים (, אורתונורמלית, ...)
שואליםזו מערכת משוואות ב- ובמכפלות המעורבות. פותחים הכול ומחסרים.
המהלךפתחי כל תנאי בלינאריות לצורת , סמני את המשוואות , וחסרי. בתרגיל מבחן 2017 (בהרצאה) חיסור נותן מיד ; במטלה 11 ש׳2 שלוש המשוואות חולקות את אותו איבר מעורב ולכן ברגע.
נתוןנתונה קבוצה אורתוגונלית / אורתונורמלית ומבקשים את המקדמים של בצירוף
שואליםאל תדרגי מטריצה. המקדם הוא מכפלה פנימית אחת.
המהלךאורתונורמלי: . אורתוגונלי בלבד: . תרגול 11 מדגים בדיוק את ההשוואה — דירוג מלא מול שלוש מכפלות. וזו גם הוכחת הבוקוורק של מבחן 2023ב׳ ש׳3(א): מכפילים ב- וכל שאר האיברים מתאפסים.
נתון"מצאו את כל הוקטורים הניצבים ל-" או "מצאו את "
שואליםמערכת משוואות הומוגנית. התשובה היא , והמימד הוא .
המהלךרשמי עם הנעלמים כמקדמים — במטריצות זה שיוצא משוואה אחת ב- (תרגול 11: ), ב- זה (עם הצמודים). אם נתון ע"י פורש — מספיק לדרוש ניצבות לאיברי הפורש. ואם הוא מרחב שורות/עמודות של מטריצה — הוא פשוט או .
נתון"מצאו את הוקטור הקרוב ביותר ל- ב-" / "הוכיחו ש- ממזער את "
שואליםמאפיינים לפי ניצבות ומוכיחים מינימליות בפיתגורס.
המהלךהראי ש-, ואז לכל כתבי כאשר שני האיברים ניצבים, ולכן (מטלה 11 ש׳4ז). הדרך הישירה בתרגול 11 — פרמטריזציה והשלמה לריבוע — עובדת רק כשהתמ"ו חד-מימדי.
נתון"הוכיחו ש- בסיס" כשנתונה אורתוגונליות
שואליםבת"ל מגיע חינם — נשאר רק לספור.
המהלךשלב 1: ודאי שאף וקטור אינו (זו לא פורמליות — זה בדיוק התנאי במשפט). שלב 2: אורתוגונלית + ללא בת"ל (תרגול 11). שלב 3: בסיס. אם צריך אורתונורמלי — חלקי כל וקטור בנורמה שלו (הערה 4 מבטיחה שהאורתוגונליות נשמרת).
נתוןטענה על אורתוגונליות שנשמעת נכונה, במרחב הרמיטי ()
שואליםחשד גבוה שזו הפרכה, וההפרכה קטנה.
המהלךבדקי אם ההוכחה ה"ממשית" מקזזת מול או מסיקה מ-. אם כן — קחי מעל , , : , , . זה מפריך גם את "" וגם את ההפך של פיתגורס.
מלכודות (6)
השורה האדומה היא מה שהמוח אומר לך אוטומטיתקבוצה אורתוגונלית היא תמיד בת"ל
צריך שלא תכיל את . לכל , ולכן אורתוגונלית וגם ת"ל. בכל שימוש במשפט — כתבי במפורש "וכל הוקטורים שונים מ-".
, אז
זה נותן רק . מעל זה שקול לאורתוגונליות, מעל לא: ב- מקיימים אבל .
שוויון באי-שוויון המשולש ת"ל
ת"ל זה תנאי השוויון של קושי-שוורץ, לא של המשולש. במשולש צריך עם : עבור הם ת"ל, אבל ואילו . מטלה 11 ש׳3 מוכיחה זאת דרך .
לחשב זווית בין וקטורים ב-
הגדרת הזווית בהרצאה פותחת ב-"יהי מרחב אוקלידי". מעל המונה בכלל לא ממשי. מה שכן מוגדר מעל : אורתוגונליות (), פיתגורס, קושי-שוורץ ואי-שוויון המשולש.
הפיכה, אז היא לוקחת בסיס ניצב לבסיס ניצב
הפיכות מבטיחה רק שהתמונה היא בסיס. הפיכה ושולחת ל- שאינו ניצב (תרגול 11). מה ששומר ניצבות הוא אורתוגונלית, .
ניצב לוקטור אחד ב-, אז
דורש ניצבות לכל איברי . הקיצור הלגיטימי (תרגול 11): מספיק לבדוק מול איברי בסיס של — ואז הלינאריות ברכיב הראשון סוגרת את השאר.