דף הנושא — אורתוגונליות

זווית, אי-שוויון המשולש, פיתגורס וקבוצות אורתוגונליות

22 תכונות
10 מהתרגול בלבד
6 מלכודות
בשורה אחת

אורתוגונליות היא בדיוק u,v=0\langle u,v\rangle=0 (בלי דרישה ש-u,v0Vu,v\ne0_V), וכל השבוע הוא ארבעת הדברים שנובעים ממנה או מקושי-שוורץ: הזווית cosθ=u,vuv\cos\theta=\frac{\langle u,v\rangle}{\|u\|\|v\|} מוגדרת היטב, פיתגורס u+v2=u2+v2\|u+v\|^2=\|u\|^2+\|v\|^2, אי-שוויון המשולש u+vu+v\|u+v\|\le\|u\|+\|v\|, וקבוצה אורתוגונלית שאינה מכילה את 0V0_V היא בת"ל.

מה צריך לדעת קודם
  • 9קושי-שוורץ — בלעדיו u,vuv1\left|\frac{\langle u,v\rangle}{\|u\|\|v\|}\right|\le1 לא נכון והזווית בכלל לא מוגדרת (הערה 2)
  • 9לינאריות ברכיב הראשון + צמוד ברכיב השני, ו-u=0    u=0V\|u\|=0\iff u=0_V — שתי אלה הן כל הכלים בהוכחות של השבוע
  • 1הגדרת בת"ל ותת-מרחב — הטענות המרכזיות של תרגול 11 (UU^\perp תמ"ו, אורתוגונליות \Rightarrow בת"ל) הן טענות בשפה הזו
למה זה מוביל
  • 11נוסחת המקדמים, ההיטל האורתוגונלי, אי-שוויון בסל ושוויון פרסבל — כולם מניחים בסיס אורתוגונלי/אורתונורמלי
  • 12גרם-שמידט: הוא בסך הכול חזרה על w=uu,vivi2viw=u-\sum\frac{\langle u,v_i\rangle}{\|v_i\|^2}v_i שכבר הוכח בהרצאה (תרגיל מבחן 2017)
  • 13מטריצות אורתוגונליות והמשפט הספקטרלי — תרגול 11 כבר נותן את כל תכונות PPt=IPP^t=I

מה אורתוגונליות נותנת — ומה היא לא נותנת

השורות המסויגות (לא ✓ ולא ✗) הן כמעט כולן אותם שני תנאים: "רק מעל R\mathbb{R}" או "רק אם הוקטורים אינם 0V0_V". שם נמצאות כל הטעויות.

תכונהנובע?למה, ואיך משתמשים בזה
קבוצה אורתוגונלית \Rightarrow בת"ל
רק אם 0V0_V אינו בקבוצה. {0V,v}\{0_V,v\} אורתוגונלית (כי 0V,v=0\langle0_V,v\rangle=0) וגם ת"ל. הניסוח המדויק מתרגול 11: "קבוצת וקטורים ניצבים שלא מכילה את וקטור האפס היא בת"ל".
פיתגורס: uvu+v2=u2+v2u\perp v\Rightarrow\|u+v\|^2=\|u\|^2+\|v\|^2
משפט 4. נכון גם מעל C\mathbb{C} — כי מה שמתאפס הוא u,v+u,v\langle u,v\rangle+\overline{\langle u,v\rangle}. וגם uv2=u2+v2\|u-v\|^2=\|u\|^2+\|v\|^2, כי u,v=u,v=0\langle u,-v\rangle=-\langle u,v\rangle=0.
ההפך של פיתגורס: u+v2=u2+v2uv\|u+v\|^2=\|u\|^2+\|v\|^2\Rightarrow u\perp v
רק מעל R\mathbb{R}. הפיתוח נותן 2Reu,v=02\mathrm{Re}\langle u,v\rangle=0 בלבד. נגדית ב-V=CV=\mathbb{C}: u=1,v=iu=1,v=iu+v2=1+i2=2=1+1\|u+v\|^2=|1+i|^2=2=1+1 אבל u,v=i0\langle u,v\rangle=-i\ne0.
uvu\perp v \Rightarrow הזווית ביניהם π2\frac{\pi}{2}
הערה 3 + מסקנה 1: רק אם u,v0Vu,v\ne0_V ובמרחב אוקלידי. מסקנה 1 מנוסחת בדיוק כך: אורתוגונליים אם"ם מאונכים או שלפחות אחד מהם 0\vec0.
u=v\|u\|=\|v\| \Rightarrow u+vuvu+v\perp u-v
רק מעל R\mathbb{R} (מטלה 11 ש׳1א): u+v,uv=u2u,v+v,uv2\langle u+v,u-v\rangle=\|u\|^2-\langle u,v\rangle+\langle v,u\rangle-\|v\|^2, והאמצע מתקזז בזכות סימטריה. מעל C\mathbb{C} הפרכה: u=1,v=iu=1,v=i נותן 1+i,1i=(1+i)2=2i0\langle1+i,1-i\rangle=(1+i)^2=2i\ne0.
שוויון באי-שוויון המשולש כאשר u,vu,v ת"ל
לא! ת"ל מרשה α<0\alpha<0: עבור u=v0u=-v\ne0 מקבלים u+v=0<2v\|u+v\|=0<2\|v\|. התנאי הנכון (מטלה 11 ש׳3ב), עבור v0Vv\ne0_V: u+v=u+v\|u+v\|=\|u\|+\|v\| אם"ם u=αvu=\alpha v עם α0\alpha\ge0 ממשי. בלי ההנחה v0Vv\ne0_V ה-אם"ם נשבר (v=0Vv=0_V, u0Vu\ne0_V).
כפל בסקלרים שומר אורתוגונליות של קבוצה
הערה 4 בהרצאה: אם {u1,,uk}\{u_1,\dots,u_k\} אורתוגונלית אז גם {α1u1,,αkuk}\{\alpha_1u_1,\dots,\alpha_ku_k\}. לכן תמיד אפשר לנרמל אורתוגונלי לאורתונורמלי בלי לאבד דבר.
העתקה הפיכה שומרת אורתוגונליות
תרגול 11, הפרכה מפורשת: T(xy)=(x+yy)T\binom{x}{y}=\binom{x+y}{y} הפיכה, ושולחת את הבסיס הניצב {(10),(01)}\left\{\binom10,\binom01\right\} ל-{(10),(11)}\left\{\binom10,\binom11\right\} שאינו ניצב (,=1\langle\cdot,\cdot\rangle=1).
מטריצה אורתוגונלית PP (PPt=IPP^t=I) שומרת אורתוגונליות ונורמה
תרגול 11: Pu,Pv=utPtPv=u,v\langle Pu,Pv\rangle=u^tP^tPv=\langle u,v\rangle, ולכן Pv=v\|Pv\|=\|v\|, ובסיס אורתונורמלי עובר לבסיס אורתונורמלי. זה ההבדל בין "הפיכה" ל"אורתוגונלית".
סימטרית \perp אנטי-סימטרית ב-Mn(R)M_n(\mathbb{R})
מטלה 11 ש׳4(ו). A,B=tr(BtA)=tr(BAt)=tr(ABt)=tr(BtA)=A,B\langle A,B\rangle=\mathrm{tr}(B^tA)=\mathrm{tr}(-BA^t)=-\mathrm{tr}(AB^t)=-\mathrm{tr}(B^tA)=-\langle A,B\rangle, ולכן A,B=0\langle A,B\rangle=0. תמיד, בלי תנאים.
ניצבות לכל איברי בסיס \Rightarrow ניצבות לכל התמ"ו
תרגול 11. מלינאריות ברכיב הראשון: αivi,w=αivi,w=0\langle\sum\alpha_iv_i,w\rangle=\sum\alpha_i\langle v_i,w\rangle=0. חוסך לך בדיקה של אינסוף וקטורים.
אורתוגונליות \Rightarrow אחד מהם 0V0_V או שהם שונים
וקטור יכול להיות ניצב לעצמו רק אם הוא 0V0_V — כי v,v=0    v=0V\langle v,v\rangle=0\iff v=0_V. זו למה קטנה שמשמשת להוכחת UU={0}U\cap U^\perp=\{0\}. מה שכן שגוי: "אורתוגונליים \Rightarrow הוקטורים שונים" — {0V,0V}\{0_V,0_V\} מפריכה.
לפני שאת משתמשת בכל טענה מהטבלה מעל C\mathbb{C}, שאלי: האם ההוכחה מקזזת u,v\langle u,v\rangle מול v,u\langle v,u\rangle? אם כן — היא נשענת על סימטריה והיא שגויה מעל C\mathbb{C}, וההפרכה תמיד היא V=CV=\mathbb{C}, u=1u=1, v=iv=i.

המשלים הניצב UU^\perp — טבלה שכולה מתרגול 11

U={vVu,v=0 uU}U^\perp=\{v\in V\mid \langle u,v\rangle=0\ \forall u\in U\}. אף אחת מהשורות האלה לא נמצאת בהרצאה 10, וכולן מופיעות במטלות ובמבחנים.

תכונהנכון?למה, ואיך משתמשים בזה
UU^\perp הוא תת-מרחב
ולכל תת-קבוצה UU, לא רק לתמ"ו. שלוש הבדיקות: 0U0\in U^\perp (כי 0,s=0\langle0,s\rangle=0), סגירות לחיבור (אדיטיביות), סגירות לכפל בסקלר (הומוגניות).
UU={0V}U\cap U^\perp=\{0_V\}
אם vv בשניהם אז v,v=0\langle v,v\rangle=0 ולכן v=0Vv=0_V. זו ההוכחה בת השורה האחת שכדאי לדעת בעל-פה.
V=UUV=U\oplus U^\perp
רק ל-VV נוצר-סופית ו-UU תמ"ו. ההוכחה בתרגול היא דרך T(v)=(v,u1,,v,uk)T(v)=(\langle v,u_1\rangle,\dots,\langle v,u_k\rangle), kerT=U\ker T=U^\perp, ומשפט המימדים.
U(U)U\subseteq(U^\perp)^\perp
תמיד, ובשורה אחת מההגדרה. שוויון מתקיים במימד סופי עבור UU תמ"ו (משיקולי מימד), אבל לא בהכרח אם UU רק תת-קבוצה.
(RowA)=NullA(\mathrm{Row}A)^\perp=\mathrm{Null}A עבור AMm×n(R)A\in M_{m\times n}(\mathbb{R})
תרגול 11, ושם מנוסח במפורש למטריצה ממשית. כי אז AvA\vec v הוא בדיוק וקטור המכפלות ri,v\langle r_i,\vec v\rangle של שורות AA עם v\vec v. מסקנה: (ColA)=NullAt(\mathrm{Col}A)^\perp=\mathrm{Null}A^t. מעל C\mathbb{C} זה נשבר — שם (RowA)=Null(A)(\mathrm{Row}A)^\perp=\mathrm{Null}(\overline{A}); עבור A=(1  i)A=(1\ \ i) מתקבל NullA=span{(i,1)}\mathrm{Null}A=\mathrm{span}\{(-i,1)\} אבל (RowA)=span{(i,1)}(\mathrm{Row}A)^\perp=\mathrm{span}\{(i,1)\}.
"מצאו את כל הניצבים ל-ww" = מערכת הומוגנית
משוואה אחת ב-nn נעלמים, ולכן התשובה היא span\mathrm{span} של n1n-1 וקטורים. מעל C\mathbb{C} אל תשכחי את הצמודים בכתיבת המשוואה — תרגול 11 עושה זאת עבור (1,2i,3)t(1,2i,3)^t ומקבל x2iy+3z=0x-2iy+3z=0.
"מצאו את {BBA}\{B\mid B\perp A\}" בכל מרחב — מטריצות, פולינומים, Cn\mathbb{C}^n — היא תמיד אותה שאלה: כתבי את ,A=0\langle\cdot,A\rangle=0 כמשוואה לינארית אחת במקדמים, פתרי, וכתבי כ-span\mathrm{span}. המימד יהיה dimV1\dim V-1.

מה שעלה בתרגול ולא בהרצאה (10)

בדיוק החלק שנופל בין הכיסאות — כאן הוא במקום אחד
  • UU^\perp הוא תת-מרחב לכל תת-קבוצה UVU\subseteq V, מתקיים UU={0V}U\cap U^\perp=\{0_V\}, ובמימד סופי V=UUV=U\oplus U^\perp. כל שלוש הטענות מתרגול 11 בלבד. ההוכחה של הסכום הישר: מגדירים T(v)=(v,u1,,v,uk)T(v)=(\langle v,u_1\rangle,\dots,\langle v,u_k\rangle) עבור בסיס של UU, מראים kerT=U\ker T=U^\perp, ומפעילים משפט המימדים.תרגול 11
  • מספיק לבדוק ניצבות מול איברי בסיס. אם vi,w=0\langle v_i,w\rangle=0 לכל ii אז v,w=0\langle v,w\rangle=0 לכל vspan{v1,,vk}v\in\mathrm{span}\{v_1,\dots,v_k\}. זה מה שהופך כל שאלת UU^\perp למערכת סופית של משוואות.תרגול 11
  • (RowA)=NullA(\mathrm{Row}A)^\perp=\mathrm{Null}A ו-(ColA)=NullAt(\mathrm{Col}A)^\perp=\mathrm{Null}A^t. הגשר בין כל פרק המכפלה הפנימית לבין מרחבי המטריצות מסמסטר א׳ — ופתאום "מצאו את המשלים הניצב של span{}\mathrm{span}\{\dots\}" זה סתם דירוג מטריצה.תרגול 11
  • נוסחת המקדמים: אם B=(u1,,un)B=(u_1,\dots,u_n) בסיס אורתונורמלי אז v=i=1nv,uiuiv=\sum_{i=1}^n\langle v,u_i\rangle u_i; אם BB רק אורתוגונלי אז v=i=1nv,uiui,uiuiv=\sum_{i=1}^n\frac{\langle v,u_i\rangle}{\langle u_i,u_i\rangle}u_i. תרגול 11 מדגים זאת על אותה שאלה פעמיים — קודם בדירוג מטריצה 3×43\times4, 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: T(xy)=(x+yy)T\binom{x}{y}=\binom{x+y}{y}. מה שכן שומר: מטריצה אורתוגונלית PP (PPt=IPP^t=I), ואז Pt=P1P^t=P^{-1}, detP=±1\det P=\pm1, Pv=v\|Pv\|=\|v\|, כל ע"ע ממשי הוא ±1\pm1 (בכלליות רק λ=1|\lambda|=1 — לסיבוב (0110)\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix} יש ע"ע ±i\pm i), והשורות והעמודות של PP הן בסיסים אורתונורמליים.תרגול 11
  • "T(v),v=0\langle T(v),v\rangle=0 לכל vv" — שלושה מצבים שונים: מעל R\mathbb{R} זה לא גורר T=0T=0 (הפרכה: סיבוב ב-9090^\circ, A=(0110)A=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}); מעל R\mathbb{R} עם TT לכסינה זה כן גורר T=0T=0 (כי כל ע"ע מקיים λv2=0\lambda\|v\|^2=0); מעל C\mathbb{C} זה גורר ש-TT נילפוטנטית, דרך המשפט היסודי של האלגברה + קיילי-המילטון — ולמעשה T=0T=0, כפי שהתרגול מציין בשורה שאחרי ההוכחה וכפי שנשאל במבחן 2024ב׳ ש׳5.1. כלומר על טענת נכון/לא נכון "מעל C\mathbb{C} נובע T=0T=0" התשובה נכון.תרגול 11 (+ מבחן 2024ב׳ ש׳5.1)
  • מטלה 11 ש׳2: אם u+vu+v, v+wv+w, w+uw+u אורתוגונליים זה לזה במרחב אוקלידי אז u=v=w\|u\|=\|v\|=\|w\|. המנגנון: כל אחת משלוש המשוואות יוצאת בצורה "2+S=0\|\cdot\|^2+S=0" עם אותו S=u,v+u,w+v,wS=\langle u,v\rangle+\langle u,w\rangle+\langle v,w\rangle — ולכן משווים ומקבלים את התוצאה בלי לחשב את SS בכלל.מטלה 11 ש׳2
  • מטלה 11 ש׳4(ב): אם u,w=uw|\langle u,w\rangle|=\|u\|\|w\| לכל uVu\in V ו-dimV>1\dim V>1 אז w=0Vw=0_V. ההוכחה: אילו w0Vw\ne0_V, מ-dimV>1\dim V>1 קיים uu שאינו ת"ל ב-ww, ואז קושי-שוורץ חד. שימי לב שההנחה dimV>1\dim V>1 היא הכרחית ומופיעה במפורש.מטלה 11 ש׳4(ב)
  • מטלה 11 ש׳4(ז): המטריצה הסימטרית הקרובה ביותר ל-AA היא A0=A+At2A_0=\frac{A+A^t}{2}. ההוכחה כולה בשתי עובדות: AA0=AAt2A-A_0=\frac{A-A^t}{2} אנטי-סימטרית ולכן ניצבת לכל סימטרית, ואז פיתגורס: AB2=AA02+A0B2AA02\|A-B\|^2=\|A-A_0\|^2+\|A_0-B\|^2\ge\|A-A_0\|^2.מטלה 11 ש׳4(ז)
  • מטלה 11 ש׳1: u=vu+vuv\|u\|=\|v\|\Rightarrow u+v\perp u-v נכון במרחב אוקלידי ושגוי במרחב הרמיטי. ההפרכה המינימלית בקורס: V=CV=\mathbb{C}, u=1u=1, v=iv=i.מטלה 11 ש׳1

תכונות קטנות שחייבים לדעת (12)

14 מסומנות בצהוב — אלה שמכריעות שאלות
  • קבוצת וקטורים אורתוגונליים שאינה מכילה את 0V0_V 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: u,vu,v אורתוגונליים u+v2=u2+v2\Rightarrow\|u+v\|^2=\|u\|^2+\|v\|^2. תקף בכל ממ"פ, גם מעל C\mathbb{C}, כי מה שמתאפס בפיתוח הוא u,v+u,v\langle u,v\rangle+\overline{\langle u,v\rangle}.הרצאה 10, משפט 4
  • אי-שוויון המשולש u+vu+v\|u+v\|\le\|u\|+\|v\|, ושרשרת ההוכחה היא שני אי-שוויונות שונים: 2Reu,v2u,v2\mathrm{Re}\langle u,v\rangle\le2|\langle u,v\rangle| (כי Rezz\mathrm{Re}\,z\le|z|) ואז 2u,v2uv2|\langle u,v\rangle|\le2\|u\|\|v\| (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 v0Vv\ne0_V, מתקיים u+v=u+v\|u+v\|=\|u\|+\|v\| אם"ם קיים α0\alpha\ge0 ממשי כך ש-u=αvu=\alpha v. 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: u,vuv1\left|\frac{\langle u,v\rangle}{\|u\|\|v\|}\right|\le1, ולכן הביטוי בקטע [1,1][-1,1] ו-cos\cos חח"ע ב-[0,π][0,\pi]. 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-R2\mathbb{R}^2. מטלה 11 ש׳4(ד) מחשבת את הזווית בין מטריצת סיבוב AθA_\theta לבין I2I_2 (עבור 0θπ0\le\theta\le\pi) ומקבלת בדיוק θ\theta.הרצאה 10, הגדרת זווית; החישוב עצמו — מטלה 11 ש׳4(ד)
  • θ=π\theta=\pi \Rightarrow v=αuv=\alpha u עם α<0\alpha<0. הדרך: cosπ=1\cos\pi=-1 נותן u,v=uv|\langle u,v\rangle|=\|u\|\|v\|, ומקושי-שוורץ הם ת"ל; אז מציבים v=αuv=\alpha u ומקבלים αα=1\frac{\alpha}{|\alpha|}=-1.הרצאה 10, תרגיל
  • אורתונורמליות: ui,uj=δij\langle u_i,u_j\rangle=\delta_{ij} — כלומר אורתוגונליים וגם כל אחד וקטור יחידה. הבסיס הסטנדרטי של Fn\mathbf{F}^n הוא אורתונורמלי ביחס למ"פ הסטנדרטית.הרצאה 10, הגדרה + תרגול 11
  • וקטור אורתוגונלי לכל v1,,vkv_1,\dots,v_k הוא אורתוגונלי לכל span{v1,,vk}\mathrm{span}\{v_1,\dots,v_k\} — מלינאריות. במרחב אוקלידי זה עובד גם כשמוציאים סקלרים מהרכיב השני (ההרצאה מציינת "השדה הוא R\mathbb{R}" בדיוק בצעד הזה).הרצאה 10, תרגיל מבחן 2017 ש׳5א + תרגול 11
  • ההיטל בזעיר-אנפין: w=ui=1ku,vivi,viviw=u-\sum_{i=1}^k\frac{\langle u,v_i\rangle}{\langle v_i,v_i\rangle}v_i אורתוגונלי ל-span{v1,,vk}\mathrm{span}\{v_1,\dots,v_k\} (עבור קבוצה אורתוגונלית). זו כבר הנוסחה של גרם-שמידט, והיא כבר הופיעה בהוכחת קושי-שוורץ במקרה k=1k=1.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 uu ל-vv מוגדר כ-vu\|v-u\|. "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 (u+vv+wu+v\perp v+w, {v1+v2,v1v2}\{v_1+v_2,v_1-v_2\} אורתונורמלית, ...)
שואליםזו מערכת משוואות ב-u2,v2\|u\|^2,\|v\|^2 ובמכפלות המעורבות. פותחים הכול ומחסרים.
המהלךפתחי כל תנאי בלינאריות לצורת 2±2,+2\|\cdot\|^2\pm2\langle\cdot,\cdot\rangle+\|\cdot\|^2, סמני את המשוואות (I),(II),(III)(\mathrm{I}),(\mathrm{II}),(\mathrm{III}), וחסרי. בתרגיל מבחן 2017 (בהרצאה) חיסור (I)(II)(\mathrm{I})-(\mathrm{II}) נותן מיד 4v1,v2=04\langle v_1,v_2\rangle=0; במטלה 11 ש׳2 שלוש המשוואות חולקות את אותו איבר מעורב ולכן u2=v2=w2\|u\|^2=\|v\|^2=\|w\|^2 ברגע.
נתוןנתונה קבוצה אורתוגונלית / אורתונורמלית ומבקשים את המקדמים של vv בצירוף
שואליםאל תדרגי מטריצה. המקדם הוא מכפלה פנימית אחת.
המהלךאורתונורמלי: αi=v,ui\alpha_i=\langle v,u_i\rangle. אורתוגונלי בלבד: αi=v,uiui2\alpha_i=\frac{\langle v,u_i\rangle}{\|u_i\|^2}. תרגול 11 מדגים בדיוק את ההשוואה — דירוג מלא מול שלוש מכפלות. וזו גם הוכחת הבוקוורק של מבחן 2023ב׳ ש׳3(א): מכפילים v=αiviv=\sum\alpha_iv_i ב-vjv_j וכל שאר האיברים מתאפסים.
נתון"מצאו את כל הוקטורים הניצבים ל-ww" או "מצאו את UU^\perp"
שואליםמערכת משוואות הומוגנית. התשובה היא span\mathrm{span}, והמימד הוא dimVdimU\dim V-\dim U.
המהלךרשמי x,w=0\langle x,w\rangle=0 עם הנעלמים כמקדמים — במטריצות זה tr(BAt)=0\mathrm{tr}(BA^t)=0 שיוצא משוואה אחת ב-a,b,c,da,b,c,d (תרגול 11: a+b+c=0a+b+c=0), ב-Cn\mathbb{C}^n זה xiwi=0\sum x_i\overline{w_i}=0 (עם הצמודים). אם UU נתון ע"י פורש — מספיק לדרוש ניצבות לאיברי הפורש. ואם UU הוא מרחב שורות/עמודות של מטריצה — UU^\perp הוא פשוט NullA\mathrm{Null}A או NullAt\mathrm{Null}A^t.
נתון"מצאו את הוקטור הקרוב ביותר ל-vv ב-UU" / "הוכיחו ש-x0x_0 ממזער את vx\|v-x\|"
שואליםמאפיינים לפי ניצבות ומוכיחים מינימליות בפיתגורס.
המהלךהראי ש-vx0Uv-x_0\perp U, ואז לכל xUx\in U כתבי vx=(vx0)+(x0x)v-x=(v-x_0)+(x_0-x) כאשר שני האיברים ניצבים, ולכן vx2=vx02+x0x2vx02\|v-x\|^2=\|v-x_0\|^2+\|x_0-x\|^2\ge\|v-x_0\|^2 (מטלה 11 ש׳4ז). הדרך הישירה בתרגול 11 — פרמטריזציה והשלמה לריבוע — עובדת רק כשהתמ"ו חד-מימדי.
נתון"הוכיחו ש-{v1,,vk}\{v_1,\dots,v_k\} בסיס" כשנתונה אורתוגונליות
שואליםבת"ל מגיע חינם — נשאר רק לספור.
המהלךשלב 1: ודאי שאף וקטור אינו 0V0_V (זו לא פורמליות — זה בדיוק התנאי במשפט). שלב 2: אורתוגונלית + ללא 0V0_V \Rightarrow בת"ל (תרגול 11). שלב 3: k=dimVk=\dim V \Rightarrow בסיס. אם צריך אורתונורמלי — חלקי כל וקטור בנורמה שלו (הערה 4 מבטיחה שהאורתוגונליות נשמרת).
נתוןטענה על אורתוגונליות שנשמעת נכונה, במרחב הרמיטי (C\mathbb{C})
שואליםחשד גבוה שזו הפרכה, וההפרכה קטנה.
המהלךבדקי אם ההוכחה ה"ממשית" מקזזת u,v\langle u,v\rangle מול v,u\langle v,u\rangle או מסיקה u,v=0\langle u,v\rangle=0 מ-Reu,v=0\mathrm{Re}\langle u,v\rangle=0. אם כן — קחי V=CV=\mathbb{C} מעל C\mathbb{C}, u=1u=1, v=iv=i: u=v=1\|u\|=\|v\|=1, u,v=i\langle u,v\rangle=-i, u+v,uv=2i\langle u+v,u-v\rangle=2i. זה מפריך גם את "u+vuvu+v\perp u-v" וגם את ההפך של פיתגורס.

מלכודות (6)

השורה האדומה היא מה שהמוח אומר לך אוטומטית
קבוצה אורתוגונלית היא תמיד בת"ל
צריך שלא תכיל את 0V0_V. 0V,v=0\langle0_V,v\rangle=0 לכל vv, ולכן {0V,v}\{0_V,v\} אורתוגונלית וגם ת"ל. בכל שימוש במשפט — כתבי במפורש "וכל הוקטורים שונים מ-0V0_V".
u+v2=u2+v2\|u+v\|^2=\|u\|^2+\|v\|^2, אז uvu\perp v
זה נותן רק Reu,v=0\mathrm{Re}\langle u,v\rangle=0. מעל R\mathbb{R} זה שקול לאורתוגונליות, מעל C\mathbb{C} לא: u=1,v=iu=1,v=i ב-C\mathbb{C} מקיימים 2=1+12=1+1 אבל u,v=i\langle u,v\rangle=-i.
שוויון באי-שוויון המשולש     \iff u,vu,v ת"ל
ת"ל זה תנאי השוויון של קושי-שוורץ, לא של המשולש. במשולש צריך u=αvu=\alpha v עם α0\alpha\ge0: עבור u=vu=-v הם ת"ל, אבל u+v=0\|u+v\|=0 ואילו u+v=2v\|u\|+\|v\|=2\|v\|. מטלה 11 ש׳3 מוכיחה זאת דרך Re(α)=αα0\mathrm{Re}(\alpha)=|\alpha|\Rightarrow\alpha\ge0.
לחשב זווית בין וקטורים ב-Cn\mathbb{C}^n
הגדרת הזווית בהרצאה פותחת ב-"יהי VV מרחב אוקלידי". מעל C\mathbb{C} המונה u,v\langle u,v\rangle בכלל לא ממשי. מה שכן מוגדר מעל C\mathbb{C}: אורתוגונליות (u,v=0\langle u,v\rangle=0), פיתגורס, קושי-שוורץ ואי-שוויון המשולש.
TT הפיכה, אז היא לוקחת בסיס ניצב לבסיס ניצב
הפיכות מבטיחה רק שהתמונה היא בסיס. T(xy)=(x+yy)T\binom{x}{y}=\binom{x+y}{y} הפיכה ושולחת {(10),(01)}\left\{\binom10,\binom01\right\} ל-{(10),(11)}\left\{\binom10,\binom11\right\} שאינו ניצב (תרגול 11). מה ששומר ניצבות הוא PP אורתוגונלית, PPt=IPP^t=I.
uu ניצב לוקטור אחד ב-UU, אז uUu\in U^\perp
UU^\perp דורש ניצבות לכל איברי UU. הקיצור הלגיטימי (תרגול 11): מספיק לבדוק מול איברי בסיס של UU — ואז הלינאריות ברכיב הראשון סוגרת את השאר.