Mathematics · Buku 3 · Bachelor Year 1

Matematika Universitas — Tahun 1

Matematika Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

23Ruang Euklides

Menambahkan hasil kali dalam pada ruang vektor real membeli gagasan geometrinya — panjang, sudut, keortogonalan, jarak — dan satu teorema yang menjulang di atas bab ini: bahwa setiap subruang mempunyai proyeksi ortogonal, yang dapat dihitung lewat Gram–Schmidt, dan mewujudkan jarak terpendeknya. Adapun isometri bidang menutup bab ini dan geometri tahun ini.

Sepanjang bab ini, EE merupakan ruang vektor real.

23.1 Hasil kali dalam

Definisi 23.1

Sebuah hasil kali dalam pada EE adalah pemetaan ⟨⋅,⋅⟩ ⁣:E×E→R\langle\cdot,\cdot\rangle \colon E \times E \to \R yang bilinear, setangkup, dan tegas positif (⟨x,x⟩>0\langle x, x\rangle > 0 untuk x≠0x \neq 0). Adapun ruang berdimensi hingga yang dilengkapi demikian disebut ruang Euklides. Sedangkan norma xx adalah ∥x∥=⟨x,x⟩\norm{x} = \sqrt{\langle x, x\rangle}, dan d(x,y)=∥x−y∥d(x, y) = \norm{x - y}.

Contoh 23.2

Pada Rn\R^n: hasil kali kanoniknya ⟨x,y⟩=∑xiyi\langle x, y\rangle = \sum x_i y_i. Pada C([a, b])C(\intcc{a}{b}): ⟨f,g⟩=∫abfg\langle f, g \rangle = \int_a^b fg (dengan ketegasan positifnya adalah Teorema 15.7 (4)). Pada Rn[X]\R_n[X]: ⟨P,Q⟩=∫01PQ\langle P, Q\rangle = \int_0^1 PQ, atau ∑iP(xi)Q(xi)\sum_{i} P(x_i)Q(x_i) atas n+1n+1 titik yang berbeda.

Contoh 23.3 (Sudut antara dua polinomial)

Sekali sebuah hasil kali dalam dipilih, sebarang dua vektor taknol mempunyai sudut, lewat cos⁡θ=⟨x,y⟩∥x∥ ∥y∥\cos\theta = \frac{\langle x, y\rangle}{\norm x\,\norm y} (yaitu kosinus yang sah menurut Cauchy–Schwarz). Bagi XX dan X2X^2 pada ∫01\int_0^1:

⟨X,X2⟩=14,∥X∥=13,∥X2∥=15,cos⁡θ=1/41/15=154≈0.968:\langle X, X^2\rangle = \frac14, \qquad \norm X = \frac1{\sqrt3}, \qquad \norm{X^2} = \frac1{\sqrt5}, \qquad \cos\theta = \frac{1/4}{1/\sqrt{15}} = \frac{\sqrt{15}}{4} \approx 0.968 :

yaitu sudut sekitar 14.514.5 derajat — jadi pada [0, 1]\intcc{0}{1}, grafik xx dan x2x^2 “nyaris sejajar” dalam makna rerata kuadratnya, dan itulah sebabnya membuang arah yang terbagi itu (lewat Gram–Schmidt, di bawah) hanya menyisakan koreksi kecil X2−X+16X^2 - X + \frac16.

Teorema 23.4 (Cauchy–Schwarz; sifat normanya)

Untuk semua x,y∈Ex, y \in E:

∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥ ∥y∥,\abs{\langle x, y\rangle} \leq \norm x\, \norm y ,

dengan kesamaannya jika dan hanya jika x,yx, y sebanding. Akibatnya ∥⋅∥\norm\cdot memenuhi ketaksamaan segitiga ∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥\norm{x + y} \leq \norm x + \norm y (dan ∥λx∥=∣λ∣∥x∥\norm{\lambda x} = \abs\lambda \norm x, ∥x∥=0  ⟺  x=0\norm x = 0 \iff x = 0). Lebih-lebih:

∥x+y∥2=∥x∥2+2⟨x,y⟩+∥y∥2,⟨x,y⟩=14(∥x+y∥2−∥x−y∥2).\norm{x+y}^2 = \norm x^2 + 2\langle x, y\rangle + \norm y^2, \qquad \langle x, y \rangle = \tfrac14\bigl(\norm{x+y}^2 - \norm{x-y}^2\bigr) .

Bukti. Jika y=0y = 0, segalanya sepele. Kalau tidak, kuadratik t↦∥x+ty∥2=∥x∥2+2t⟨x,y⟩+t2∥y∥2t \mapsto \norm{x + ty}^2 = \norm x^2 + 2t\langle x, y\rangle + t^2 \norm y^2 bernilai ≥0\geq 0 untuk semua tt: sehingga diskriminannya ≤0\leq 0, dan itulah Cauchy–Schwarz; adapun kesamaannya berarti akar rangkap t0t_0, yaitu x+t0y=0x + t_0 y = 0 (lewat ketegasannya): jadi kesebandingan. Adapun ketaksamaan segitiganya: jabarkanlah,

∥x+y∥2=∥x∥2+2⟨x,y⟩+∥y∥2≤∥x∥2+2∥x∥ ∥y∥+∥y∥2=(∥x∥+∥y∥)2,\norm{x + y}^2 = \norm x^2 + 2\langle x, y\rangle + \norm y^2 \leq \norm x^2 + 2\norm x\,\norm y + \norm y^2 = \bigl(\norm x + \norm y\bigr)^2 ,

dengan langkah tengahnya adalah Cauchy–Schwarz; dan kesamaannya memaksa ⟨x,y⟩=∥x∥∥y∥\langle x, y\rangle = \norm x\norm y, yaitu kasus kesamaan yang positif, jadi kesebandingan dengan nisbah taknegatif — sehingga secara geometri, segitiganya merosot hanya ketika kedua vektornya menunjuk arah yang sama. Kedua kesamaan terakhirnya merupakan penjabaran langsung (dengan yang kedua, yaitu kesamaan polarisasi, memulihkan hasil kalinya dari normanya). ∎

23.2 Keortogonalan

Definisi 23.5

x⊥yx \perp y ketika ⟨x,y⟩=0\langle x, y \rangle = 0. Sebuah keluarga disebut ortogonal bila vektornya ortogonal berpasangan, dan ortonormal bila lebih-lebih masing-masingnya bernorma 11. Adapun pelengkap ortogonal sebuah subruang FF adalah

F⊥={x∈E:∀y∈F, ⟨x,y⟩=0},F^{\perp} = \{x \in E : \forall y \in F,\ \langle x, y\rangle = 0\},

sebuah subruang EE.

Proposisi 23.6

(Pythagoras) Jika x⊥yx \perp y maka ∥x+y∥2=∥x∥2+∥y∥2\norm{x+y}^2 = \norm x^2 + \norm y^2. Sebuah keluarga ortogonal berisi vektor taknol bersifat bebas. Pada basis ortonormal (e1,…,en)(e_1, \dots, e_n), koordinat dan hasil kalinya adalah

x=∑i⟨x,ei⟩ ei,⟨x,y⟩=∑i⟨x,ei⟩⟨y,ei⟩,∥x∥2=∑i⟨x,ei⟩2.x = \sum_{i} \langle x, e_i\rangle\, e_i, \qquad \langle x, y \rangle = \sum_i \langle x, e_i\rangle \langle y, e_i\rangle, \qquad \norm x^2 = \sum_i \langle x, e_i\rangle^2 .

Bukti. Pythagoras: jabarkanlah. Kebebasannya: ambillah ⟨ ⋅ ,xj⟩\langle\,\cdot\,, x_j\rangle atas sebuah kombinasi nol: maka λj∥xj∥2=0\lambda_j \norm{x_j}^2 = 0. Koordinatnya: tulislah x=∑λieix = \sum \lambda_i e_i lalu ambillah hasil kalinya dengan eje_j: λj=⟨x,ej⟩\lambda_j = \langle x, e_j\rangle; dan kedua rumusnya menyusul lewat kebilinearan. ∎

Contoh 23.7 (Koordinat ortonormal, dengan periksa Parseval)

Jabarkanlah x=(1,2,3)x = (1, 2, 3) pada basis ortonormal Latihan 23.3,

e1=12(1,1,0),e2=16(1,−1,2),e3=13(−1,1,1).e_1 = \tfrac{1}{\sqrt2}(1,1,0), \quad e_2 = \tfrac{1}{\sqrt6}(1,-1,2), \quad e_3 = \tfrac{1}{\sqrt3}(-1,1,1).

Tak ada sistem yang perlu dipecahkan — hanya tiga hasil kali dalam:

⟨x,e1⟩=32,⟨x,e2⟩=1−2+66=56,⟨x,e3⟩=−1+2+33=43.\langle x, e_1\rangle = \frac{3}{\sqrt2}, \qquad \langle x, e_2\rangle = \frac{1 - 2 + 6}{\sqrt6} = \frac{5}{\sqrt6}, \qquad \langle x, e_3\rangle = \frac{-1 + 2 + 3}{\sqrt3} = \frac{4}{\sqrt3}.

Pengesahannya lewat rumus norma pada proposisinya:

92+256+163=27+25+326=14=∥x∥2=1+4+9.\frac{9}{2} + \frac{25}{6} + \frac{16}{3} = \frac{27 + 25 + 32}{6} = 14 = \norm{x}^2 = 1 + 4 + 9 .

Periksa jumlah kuadrat koordinat ini (yaitu kesamaan Parseval yang hingga) berongkos beberapa detik dan menangkap galat tanda dan penormalan nyaris pasti — jadikanlah ia kebiasaan kapan pun sebuah penjabaran ortonormal dihitung; adapun versi berdimensi takhingganya, bagi koefisien Fourier pada Contoh 23.14, merupakan teorema jilid Tahun 3.

Teorema 23.8 (Gram–Schmidt)

Setiap ruang Euklides mempunyai basis ortonormal. Secara eksplisit, dari sebarang basis (v1,…,vn)(v_1, \dots, v_n), resepnya

wk=vk−∑i=1k−1⟨vk,ei⟩ ei,ek=wk∥wk∥w_k = v_k - \sum_{i=1}^{k-1} \langle v_k, e_i\rangle\, e_i , \qquad e_k = \frac{w_k}{\norm{w_k}}

menghasilkan basis ortonormal (e1,…,en)(e_1, \dots, e_n) dengan Vect⁡(e1,…,ek)=Vect⁡(v1,…,vk)\operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_k) = \operatorname{Vect}(v_1, \dots, v_k) untuk setiap kk.

Bukti. Induksi pada kk. Dengan mengandaikan (e1,…,ek−1)(e_1, \dots, e_{k-1}) ortonormal dan merentang Vect⁡(v1,…,vk−1)\operatorname{Vect}(v_1, \dots, v_{k-1}): maka vektor wkw_k ortogonal terhadap setiap eje_j (j<kj < k) menurut konstruksinya (⟨wk,ej⟩=⟨vk,ej⟩−⟨vk,ej⟩\langle w_k, e_j \rangle = \langle v_k, e_j\rangle - \langle v_k, e_j\rangle), dan wk≠0w_k \neq 0 karena vk∉Vect⁡(v1,…,vk−1)v_k \notin \operatorname{Vect}(v_1, \dots, v_{k-1}). Menormalkannya menjaga keortogonalannya; sedangkan pernyataan rentangnya berlaku karena eke_k merupakan kombinasi atas vkv_k dan eie_i yang terdahulu, secara terbalikkan. ∎

Contoh 23.9 (Gram–Schmidt pada polinomial, selengkapnya)

Ortonormalkanlah (1,X,X2)(1, X, X^2) di dalam R2[X]\R_2[X] dengan ⟨P,Q⟩=∫01PQ\langle P, Q\rangle = \int_0^1 PQ. Langkah 1: ∥1∥2=1\norm{1}^2 = 1, sehingga e1=1e_1 = 1. Langkah 2: w2=X−⟨X,1⟩ 1=X−12w_2 = X - \langle X, 1\rangle\,1 = X - \frac12, dan ∥w2∥2=∫01(x−12)2 ⁣dx=112\norm{w_2}^2 = \int_0^1\bigl(x - \frac12\bigr)^2 \dd x = \frac1{12}: jadi e2=12 (X−12)e_2 = \sqrt{12}\,\bigl(X - \frac12\bigr). Langkah 3: ⟨X2,e1⟩=13\langle X^2, e_1\rangle = \frac13 dan

⟨X2,e2⟩=12∫01x2(x−12) ⁣dx=1212,sehinggaw3=X2−13−(X−12)=X2−X+16.\langle X^2, e_2\rangle = \sqrt{12}\int_0^1 x^2\Bigl(x - \frac12\Bigr)\dd x = \frac{\sqrt{12}}{12}, \qquad\text{sehingga}\qquad w_3 = X^2 - \frac13 - \Bigl(X - \frac12\Bigr) = X^2 - X + \frac16 .

Normanya dihitung pada Latihan 23.9: ∥w3∥2=1180\norm{w_3}^2 = \frac1{180}, dan dari situlah e3=180 (X2−X+16)e_3 = \sqrt{180}\,\bigl(X^2 - X + \frac16\bigr). Adapun polinomial 11, X−12X - \frac12, X2−X+16X^2 - X + \frac16 merupakan, sampai skalanya, polinomial Legendre yang pertama pada selang [0, 1]\intcc{0}{1}; dan konstruksinya berlanjut satu derajat setiap kali, dengan setiap polinomial barunya ortogonal terhadap semua pendahulunya. Perhatikanlah bagaimana algoritmanya mendaur ulang kerja terdahulunya: proyeksi yang dikurangkan pada langkah 3 tepat merupakan hampiran afin terbaik atas X2X^2 yang ditemukan pada Contoh 23.12 — jadi Gram–Schmidt adalah proyeksi ortogonal yang berulang.

Teorema 23.10 (Proyeksi ortogonal)

Misalkan FF subruang ruang Euklides EE. Maka

E=F⊕F⊥,E = F \oplus F^{\perp},

dan proyeksi pFp_F yang berkaitan ke FF (yaitu proyeksi ortogonal) diberikan, pada sebarang basis ortonormal (e1,…,ek)(e_1, \dots, e_k) pada FF, oleh pF(x)=∑i⟨x,ei⟩eip_F(x) = \sum_i \langle x, e_i\rangle e_i. Ia mewujudkan jarak ke FF: karena untuk semua y∈Fy \in F,

∥x−pF(x)∥≤∥x−y∥,\norm{x - p_F(x)} \leq \norm{x - y},

dengan kesamaannya hanya untuk y=pF(x)y = p_F(x); dan orang menulis d(x,F)=∥x−pF(x)∥d(x, F) = \norm{x - p_F(x)}.

Bukti. Ambillah basis ortonormal (ei)i≤k(e_i)_{i \leq k} pada FF (Teorema 23.8 di dalam FF) lalu tetapkanlah π(x)=∑⟨x,ei⟩ei∈F\pi(x) = \sum \langle x, e_i\rangle e_i \in F. Maka x−π(x)⊥ejx - \pi(x) \perp e_j untuk setiap jj (lewat penghapusan yang sama seperti di atas), sehingga x−π(x)∈F⊥x - \pi(x) \in F^\perp: jadi E=F+F⊥E = F + F^\perp. Dan F∩F⊥={0}F \cap F^\perp = \{0\}: karena vektor yang demikian memenuhi ⟨x,x⟩=0\langle x, x\rangle = 0. Jadi jumlahnya langsung dan π=pF\pi = p_F.

Jaraknya: untuk y∈Fy \in F, uraikanlah x−y=(x−pF(x))+(pF(x)−y)x - y = (x - p_F(x)) + (p_F(x) - y), yaitu potongan ortogonal (F⊥F^\perp dan FF); lalu Pythagoras:

∥x−y∥2=∥x−pF(x)∥2+∥pF(x)−y∥2≥∥x−pF(x)∥2,\norm{x - y}^2 = \norm{x - p_F(x)}^2 + \norm{p_F(x) - y}^2 \geq \norm{x - p_F(x)}^2,

dengan kesamaannya jika dan hanya jika y=pF(x)y = p_F(x). ∎

Contoh 23.11 (Proyeksi tak pernah memanjangkan)

Menerapkan Pythagoras pada pembelahan x=pF(x)+(x−pF(x))x = p_F(x) + (x - p_F(x)):

∥pF(x)∥2=∥x∥2−∥x−pF(x)∥2≤∥x∥2,\norm{p_F(x)}^2 = \norm x^2 - \norm{x - p_F(x)}^2 \leq \norm x^2 ,

dengan kesamaannya jika dan hanya jika x∈Fx \in F. Pada basis ortonormal (e1,…,ek)(e_1, \dots, e_k) pada FF ini terbaca ∑i≤k⟨x,ei⟩2≤∥x∥2\sum_{i \leq k}\langle x, e_i\rangle^2 \leq \norm x^2 (yaitu ketaksamaan Bessel): sebanyak apa pun arah ortonormal yang diukur orang, kuadrat koordinatnya tak pernah melampaui kuadrat panjangnya — bandingkanlah kesamaan persis pada Contoh 23.7 ketika keluarganya basis penuh. Ketaksamaan sebaris inilah yang membuat koefisien Fourier terjumlahkan pada jilid Tahun 3; sedangkan di sini ia sudah menjelaskan mengapa menambahkan lebih banyak fungsi basis pada suatu pencocokan kuadrat terkecil hanya dapat mengurangi sisaannya.

Contoh 23.12 (Hampiran kuadratik terbaik)

Di dalam C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) dengan ⟨f,g⟩=∫01fg\langle f, g\rangle = \int_0^1 fg, polinomial berderajat ≤1\leq 1 yang terdekat dengan f(x)=x2f(x) = x^2 dalam jarak (rerata kuadrat) yang berkaitan adalah pF(f)p_F(f) dengan F=R1[X]F = \R_1[X]. Gram–Schmidt pada (1,X)(1, X): e1=1e_1 = 1, w2=X−12w_2 = X - \frac12, ∥w2∥2=∫01(x−12)2=112\norm{w_2}^2 = \int_0^1 (x - \frac12)^2 = \frac{1}{12}, e2=12 (X−12)e_2 = \sqrt{12}\,(X - \tfrac12). Lalu

pF(f)=⟨f,e1⟩e1+⟨f,e2⟩e2=13+12(∫01x2(x−12) ⁣dx)(X−12)=X−16,p_F(f) = \langle f, e_1\rangle e_1 + \langle f, e_2\rangle e_2 = \frac13 + 12\Bigl(\int_0^1 x^2\bigl(x - \tfrac12\bigr)\dd x\Bigr)\bigl(X - \tfrac12\bigr) = X - \frac{1}{6},

dengan memakai ∫01x2(x−12) ⁣dx=14−16=112\int_0^1 x^2(x - \frac12)\dd x = \frac14 - \frac16 = \frac{1}{12}. Jadi gagasan “kuadrat terkecil” dalam satu baris aljabar linear.

Metode 23.13 (Tiga rute menuju sebuah jarak d(x,F)d(x, F))

  1. Basis ortonormal pada FF: maka pF(x)=∑i⟨x,ei⟩eip_F(x) = \sum_i \langle x, e_i\rangle e_i dan, menurut Pythagoras,

    d(x,F)2=∥x∥2−∥pF(x)∥2=∥x∥2−∑i⟨x,ei⟩2,d(x, F)^2 = \norm{x}^2 - \norm{p_F(x)}^2 = \norm x^2 - \sum_i \langle x, e_i\rangle^2 ,

    yang kerap lebih murah daripada menghitung x−pF(x)x - p_F(x) itu sendiri.

  2. Persamaan normal: dengan sebarang keluarga pembangun FF, pecahkanlah ⟨x−p,vj⟩=0\langle x - p, v_j\rangle = 0 bagi koefisien pp (Latihan 23.5) — jadi tak ada pengortonormalan yang diperlukan.
  3. Lewat pelengkapnya: jika F⊥F^\perp lebih kecil daripada FF (misalnya FF sebuah hiperbidang, dan F⊥F^\perp sebuah garis Vect⁡(n)\operatorname{Vect}(n)), proyeksikanlah ke F⊥F^\perp sebagai gantinya:

    d(x,F)=∥pF⊥(x)∥=∣⟨x,n⟩∣∥n∥,d(x, F) = \norm{p_{F^\perp}(x)} = \frac{\abs{\langle x, n\rangle}}{\norm n} ,

    yaitu rumus jarak ke sebuah bidang yang klasik (Latihan 25.8 memakainya).

Rute 3 merupakan kasus khusus sebuah gerak naluri umum: yaitu selalu proyeksikanlah ke mana pun di antara FF, F⊥F^\perp yang berdimensi lebih kecil.

Contoh 23.14 (Keortogonalan trigonometri: pratinjau Fourier)

Pada C([0, 2π])C(\intcc{0}{2\pi}) dengan ⟨f,g⟩=1π∫02πfg\langle f, g\rangle = \frac1\pi\int_0^{2\pi} fg, keluarga

(12, cos⁡x, sin⁡x, cos⁡2x, sin⁡2x, … )\Bigl(\frac{1}{\sqrt2},\ \cos x,\ \sin x,\ \cos 2x,\ \sin 2x,\ \dots\Bigr)

bersifat ortonormal: misalnya ⟨cos⁡px,cos⁡qx⟩=1π∫02πcos⁡pxcos⁡qx  ⁣dx=0\langle \cos px, \cos qx\rangle = \frac1\pi\int_0^{2\pi}\cos px\cos qx\,\dd x = 0 untuk p≠qp \neq q (linearkanlah hasil kalinya menjadi 12[cos⁡(p−q)x+cos⁡(p+q)x]\frac12[\cos(p{-}q)x + \cos(p{+}q)x] lalu integralkanlah atas periode penuhnya), sedangkan 1π∫02πcos⁡2px  ⁣dx=1\frac1\pi\int_0^{2\pi}\cos^2 px\,\dd x = 1. Maka proyeksi ortogonal ke rentang 2N+12N + 1 fungsi yang pertama ini karenanya berkoordinat ⟨f,ei⟩\langle f, e_i\rangle — yaitu integral terhadap kosinus dan sinus. Inilah koefisien Fourier pada ff, dan proyeksinya adalah hampiran trigonometri rerata kuadrat terbaiknya; adapun jilid Tahun 3 mempelajari kekonvergenannya. Keortogonalanlah yang mengerjakan segalanya: karena rumus koefisiennya adalah Teorema 23.10 secara harfiah.

23.3 Isometri bidang

Definisi 23.15

Sebuah endomorfisma uu pada ruang Euklides disebut isometri (atau pemetaan ortogonal) ketika ia mengawetkan normanya: ∥u(x)∥=∥x∥\norm{u(x)} = \norm x untuk semua xx — setara dengan itu (lewat polarisasi) ia mengawetkan hasil kali dalamnya; setara dengan itu matriksnya AA pada basis ortonormal memenuhi ATA=IA^{\mathsf T} A = I. Adapun isometri membentuk grup, yaitu grup ortogonal O(E)O(E).

Contoh 23.16 (Mengenali sebuah isometri sekali pandang)

Apakah A=15(3−443)A = \dfrac15\begin{pmatrix} 3 & -4\\ 4 & 3\end{pmatrix} ortogonal? Kolomnya: normanya 159+16=1\frac15\sqrt{9 + 16} = 1 dan 1516+9=1\frac15\sqrt{16 + 9} = 1; hasil kalinya 125(3⋅(−4)+4⋅3)=0\frac1{25}(3\cdot(-4) + 4\cdot3) = 0. Ya — dan det⁡A=9+1625=1\det A = \frac{9 + 16}{25} = 1, sehingga ia rotasi RθR_\theta dengan cos⁡θ=35\cos\theta = \frac35, sin⁡θ=45\sin\theta = \frac45 (yaitu “rotasi 33-44-55”, yang sudutnya bukan pecahan π\pi yang istimewa). Sebaliknya B=12(1101)B = \frac{1}{\sqrt2}\begin{pmatrix} 1 & 1\\ 0 & 1\end{pmatrix} tampak berdeterminan terskalakan satuan tetapi kolom pertamanya tak bersatuan (12\frac1{\sqrt2}): jadi tak ortogonal — karena determinan ±1\pm1 belaka tak mengesahkan apa pun, kolomnya mesti diperiksa.

Teorema 23.17 (Isometri bidang)

Pada basis ortonormal sebuah bidang Euklides, matriks isometrinya tepat berupa

Rθ=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ)(rotasi bersudut θ, det⁡=1),R_\theta = \begin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta\\ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix} \quad (\text{rotasi bersudut } \theta,\ \det = 1),
Sθ=(cos⁡θsin⁡θsin⁡θ−cos⁡θ)(det⁡=−1),S_\theta = \begin{pmatrix} \cos\theta & \sin\theta\\ \sin\theta & -\cos\theta \end{pmatrix} \quad (\det = -1),

dengan yang terakhirnya adalah pencerminan pada garis yang bersudut θ2\frac\theta2 dengan vektor basis pertamanya.

Bukti. Misalkan A=(acbd)A = \begin{pmatrix} a & c\\ b & d\end{pmatrix} dengan ATA=IA^{\mathsf T}A = I: maka kolomnya bersatuan dan ortogonal. Kolom pertamanya adalah (cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos\theta, \sin\theta) bagi suatu θ\theta; sedangkan yang kedua, yang bersatuan dan ortogonal terhadapnya, adalah ±(−sin⁡θ,cos⁡θ)\pm(-\sin\theta, \cos\theta). Adapun tanda ++ memberikan RθR_\theta; sedangkan tanda −- memberikan SθS_\theta. Orang memeriksa Sθ2=IS_\theta^2 = I dan bahwa vektor (cos⁡θ2,sin⁡θ2)(\cos\frac\theta2, \sin\frac\theta2) tertetapkan sedangkan ortogonalnya terbalikkan: jadi sebuah pencerminan. (Dan RαRβ=Rα+βR_\alpha R_\beta = R_{\alpha+\beta}: sehingga grup rotasinya adalah grup sudutnya — bandingkanlah Teorema 3.7.) ∎

Dua pencerminan membuat sebuah rotasi: mencerminkan M = (2, 0.5) pada sumbu x, lalu pada garis y = x, mendarat di (-0.5, 2) — yaitu peta M di bawah rotasi bersudut π2 terhadap titik asalnya, yakni dua kali sudut π4 antara sumbunya. Adapun soal akhir pekannya mengubah gambar ini menjadi hukum komposisi semua isometri bidang.
Dua pencerminan membuat sebuah rotasi: mencerminkan M=(2,0.5)M = (2, 0.5) pada sumbu xx, lalu pada garis y=xy = x, mendarat di (−0.5,2)(-0.5, 2) — yaitu peta MM di bawah rotasi bersudut π2\frac\pi2 terhadap titik asalnya, yakni dua kali sudut π4\frac\pi4 antara sumbunya. Adapun soal akhir pekannya mengubah gambar ini menjadi hukum komposisi semua isometri bidang.

Catatan 23.18 (Jebakan yang lazim)

Rumus proyeksinya menuntut basis ortonormal: karena bagi keluarga pembangun (vi)(v_i) pada FF belaka, jumlah ∑i⟨x,vi⟩vi\sum_i\langle x, v_i\rangle v_i bukan pF(x)p_F(x) (ujilah F=R2F = \R^2, v1=e1v_1 = e_1, v2=e1+e2v_2 = e_1 + e_2); jadi dengan keluarga yang tak ortonormal, pecahkanlah persamaan normalnya sebagai gantinya (Metode 23.13 (2)). Keluarga ortogonal mesti menghindari 00 agar bebas: karena vektor nol ortogonal terhadap segalanya, termasuk terhadap dirinya sendiri — sedangkan kebebasan pada Proposisi 23.6 menuntut vektor yang taknol. F⊥F^\perp bergantung pada hasil kali dalamnya: di dalam R1[X]\R_1[X], pelengkap Vect⁡(X)\operatorname{Vect}(X) bagi ∫01PQ\int_0^1 PQ bukanlah konstantanya melainkan Vect⁡(1−32X)\operatorname{Vect}(1 - \frac32 X) — hitunglah ∫01x(1−32x)=12−12=0\int_0^1 x(1 - \frac32 x) = \frac12 - \frac12 = 0; jadi “tegak lurus” tak bermakna sampai hasil kalinya dinamai. Jangan menjabarkan ∥x+y∥\norm{x + y} secara linear: karena kesamaan yang benar adalah ∥x+y∥2=∥x∥2+2⟨x,y⟩+∥y∥2\norm{x+y}^2 = \norm x^2 + 2\langle x, y\rangle + \norm y^2; sedangkan suku silangnya lenyap hanya di bawah keortogonalan (Pythagoras), dan ketaksamaan segitiganya memang sebuah ketaksamaan. Mengirim vektor satuan ke vektor satuan belumlah cukup: karena u(x,y)=(x+y, 0)u(x, y) = (x + y,\ 0) memetakan kedua vektor basis kanoniknya ke vektor satuan (1,0)(1, 0), namun ∥u(1,1)∥=2≠2\norm{u(1,1)} = 2 \neq \sqrt2: jadi bukan isometri. Definisinya menuntut ∥u(x)∥=∥x∥\norm{u(x)} = \norm x untuk semua xx; dan dalam istilah matriks ATA=IA^{\mathsf T}A = I, yaitu kolom yang bersatuan dan ortogonal berpasangan — jadi kedua syaratnya, diperiksa bersama.

Catatan 23.19 (Ke mana hasil kali dalamnya pergi)

Proyeksi ortogonal merupakan teorema bab ini yang paling banyak diterapkan: ia melandasi kuadrat terkecil (karena soal akhir pekan Bab 25 membangun garis regresi di atasnya), koefisien Fourier (Contoh 23.14), dan persamaan normal Latihan 23.5, yang dipecahkan analisis numeris secara besar-besaran. Adapun penggolongan Rθ/SθR_\theta / S_\theta dilengkapkan di bawah: karena soal akhir pekannya menggolongkan semua transformasi bidang yang mengawetkan jarak, yang linear ataupun bukan, beserta grup hingganya — yaitu matematika rozet dan segi banyak beraturan. Pada jilid Tahun 2 hasil kali dalamnya bertemu teori nilai eigen (yaitu matriks setangkup, bentuk kuadratik); sedangkan pada Tahun 3, geometri Euklides berdimensi takhingga menjadi teori ruang Hilbert.

Catatan 23.20 (Cakrawala di dalam Buku 3)

Dua jembatan meninggalkan bab ini. Ke belakang, menuju aljabar linearnya: matriks Gram pada Latihan 23.11 membungkus hasil kali dalam ke dalam mesin determinan Bab 22, dan proyeksi ortogonal merupakan proyektor istimewa Bab 20 yang kernelnya F⊥F^\perp — sehingga seluruh aljabarnya (p2=pp^2 = p, s=2p−ids = 2p - \mathrm{id}) berlaku secara harfiah, kini dengan bonus bahwa ∥x−p(x)∥\norm{x - p(x)} merupakan sebuah jarak. Ke depan, menuju analisisnya: Bab 24 mengukur panjang busur dengan norma bab ini dan tak menggolongkan apa pun tanpa isometrinya; Bab 25 membaca gradiennya lewat Cauchy–Schwarz (yaitu pendakian tercuram) dan menutup jilid ini dengan kuadrat terkecil, yang merupakan Teorema 23.10 yang diterapkan pada sebuah vektor data di dalam Rn\R^n. Jadi hasil kali dalamnya adalah titik tempat aljabar buku ini dan analisisnya akhirnya bertemu.

23.4 Latihan

Latihan 23.1 ★

Di dalam R3\R^3 yang kanonik: hitunglah ⟨u,v⟩\langle u, v\rangle, ∥u∥\norm u, ∥v∥\norm v dan sudut antara u=(1,2,2)u = (1, 2, 2) dan v=(2,−2,1)v = (2, -2, 1). Periksalah Cauchy–Schwarz secara numeris.

Solusi

Solusi Latihan 23.1.

⟨u,v⟩=2−4+2=0\langle u, v\rangle = 2 - 4 + 2 = 0; ∥u∥=∥v∥=3\norm u = \norm v = 3. Adapun vektornya ortogonal: sehingga sudutnya π2\frac\pi2. Cauchy–Schwarz: ∣0∣≤9\abs 0 \leq 9, dengan lapang.

Latihan 23.2 ★

Buktikan kesamaan jajargenjang ∥x+y∥2+∥x−y∥2=2∥x∥2+2∥y∥2\norm{x+y}^2 + \norm{x-y}^2 = 2\norm x^2 + 2\norm y^2 pada sebarang ruang Euklides, lalu pakailah ia untuk menunjukkan bahwa norma sup pada R2\R^2, ∥(x,y)∥∞=max⁡(∣x∣,∣y∣)\norm{(x,y)}_\infty = \max(\abs x, \abs y), tak berasal dari sebuah hasil kali dalam.

Solusi

Solusi Latihan 23.2.

Jabarkanlah kedua kuadrat normanya dengan kesamaan pada Teorema 23.4 lalu tambahkanlah: maka suku silangnya saling menghapus.

Norma supnya: ambillah x=(1,0)x = (1, 0), y=(0,1)y = (0, 1). Maka ∥x+y∥∞=∥x−y∥∞=1\norm{x + y}_\infty = \norm{x - y}_\infty = 1 dan kesamaannya akan menuntut 1+1=2(1)+2(1)=41 + 1 = 2(1) + 2(1) = 4: jadi salah. Sebuah norma yang melanggar kesamaan jajargenjang tak berasal dari hasil kali dalam mana pun.

Latihan 23.3 ★

Terapkanlah Gram–Schmidt pada ((1,1,0),(1,0,1),(0,1,1))\bigl((1,1,0), (1,0,1), (0,1,1)\bigr) di dalam R3\R^3 yang kanonik.

Solusi

Solusi Latihan 23.3.

e1=12(1,1,0)e_1 = \frac{1}{\sqrt 2}(1,1,0).

w2=(1,0,1)−⟨(1,0,1),e1⟩e1=(1,0,1)−12(1,1,0)=(12,−12,1)w_2 = (1,0,1) - \langle (1,0,1), e_1\rangle e_1 = (1,0,1) - \frac{1}{2}(1,1,0) = \bigl(\tfrac12, -\tfrac12, 1\bigr); ∥w2∥=32\norm{w_2} = \sqrt{\tfrac32}, sehingga e2=16(1,−1,2)e_2 = \frac{1}{\sqrt 6}(1, -1, 2).

w3=(0,1,1)−⟨⋅,e1⟩e1−⟨⋅,e2⟩e2=(0,1,1)−12(1,1,0)−16(1,−1,2)=(−23,23,23)w_3 = (0,1,1) - \langle\cdot, e_1\rangle e_1 - \langle\cdot, e_2\rangle e_2 = (0,1,1) - \frac12 (1,1,0) - \frac16(1,-1,2) = \bigl(-\tfrac23, \tfrac23, \tfrac23\bigr); dan dengan menormalkannya, e3=13(−1,1,1)e_3 = \frac{1}{\sqrt 3}(-1, 1, 1).

(Periksa: hasil kali berpasangannya lenyap; dan masing-masingnya bernorma 11.)

Latihan 23.4 ★

Di dalam R3\R^3, misalkan F=Vect⁡((1,1,1))F = \operatorname{Vect}\bigl((1,1,1)\bigr). Tentukanlah F⊥F^\perp (persamaan dan basisnya), matriks pFp_F pada basis kanoniknya, dan d((1,2,3),F)d\bigl((1, 2, 3), F\bigr).

Solusi

Solusi Latihan 23.4.

F⊥={(x,y,z):x+y+z=0}F^\perp = \{(x,y,z) : x + y + z = 0\}, dengan basis ((1,−1,0),(1,0,−1))\bigl((1,-1,0), (1,0,-1)\bigr). Dengan e=13(1,1,1)e = \frac{1}{\sqrt3}(1,1,1): pF(x)=⟨x,e⟩e=x1+x2+x33 (1,1,1)p_F(x) = \langle x, e\rangle e = \frac{x_1 + x_2 + x_3}{3}\,(1,1,1), sehingga

Mat⁡(pF)=13(111111111).\operatorname{Mat}(p_F) = \frac13 \begin{pmatrix} 1&1&1\\ 1&1&1\\ 1&1&1\end{pmatrix}.

Untuk x=(1,2,3)x = (1,2,3): pF(x)=(2,2,2)p_F(x) = (2,2,2) dan d(x,F)=∥(1,2,3)−(2,2,2)∥=∥(−1,0,1)∥=2d(x, F) = \norm{(1,2,3) - (2,2,2)} = \norm{(-1,0,1)} = \sqrt 2.

Latihan 23.5 ★★

(Persamaan normal) Misalkan F=Vect⁡((1,0,1),(0,1,1))⊆R3F = \operatorname{Vect}\bigl((1,0,1),(0,1,1)\bigr) \subseteq \R^3 dan x=(1,1,4)x = (1, 1, 4). Hitunglah pF(x)p_F(x) dengan memecahkan ⟨x−p,v⟩=0\langle x - p, v \rangle = 0 bagi kedua pembangunnya (p=α(1,0,1)+β(0,1,1)p = \alpha(1,0,1) + \beta(0,1,1)), lalu d(x,F)d(x, F). Mengapakah Gram–Schmidt tak diperlukan di sini?

Solusi

Solusi Latihan 23.5.

Misalkan p=α(1,0,1)+β(0,1,1)=(α,β,α+β)p = \alpha(1,0,1) + \beta(0,1,1) = (\alpha, \beta, \alpha + \beta). Keortogonalan x−px - p terhadap pembangunnya:

⟨x−p,(1,0,1)⟩=(1−α)+(4−α−β)=0,⟨x−p,(0,1,1)⟩=(1−β)+(4−α−β)=0,\langle x - p, (1,0,1)\rangle = (1 - \alpha) + (4 - \alpha - \beta) = 0, \qquad \langle x - p, (0,1,1)\rangle = (1 - \beta) + (4 - \alpha - \beta) = 0,

yaitu 2α+β=52\alpha + \beta = 5 dan α+2β=5\alpha + 2\beta = 5: sehingga α=β=53\alpha = \beta = \frac53. Jadi pF(x)=(53,53,103)p_F(x) = \bigl(\frac53, \frac53, \frac{10}{3}\bigr) dan

d(x,F)=∥x−p∥=∥(−23,−23,23)∥=23.d(x, F) = \norm{x - p} = \norm{\bigl(-\tfrac23, -\tfrac23, \tfrac23\bigr)} = \frac{2}{\sqrt 3} .

Gram–Schmidt tak diperlukan karena sifat yang mendefinisikan proyeksinya — yaitu x−p⊥Fx - p \perp F — itu sendiri sebuah sistem linear (“persamaan normal”) pada koefisiennya di dalam sebarang keluarga pembangun.

Latihan 23.6 ★★

Untuk ff yang kontinu pada [0, 1]\intcc{0}{1}, buktikanlah

(∫01f) ⁣2≤∫01f2,\Bigl(\int_0^1 f\Bigr)^{\!2} \leq \int_0^1 f^2 ,

beserta kasus kesamaannya, sebagai contoh Cauchy–Schwarz di dalam C([0, 1])C(\intcc{0}{1}). Lalu buktikanlah (∑i=1nai)2≤n∑ai2\bigl(\sum_{i=1}^n a_i\bigr)^2 \leq n \sum a_i^2 bagi aia_i yang real.

Solusi

Solusi Latihan 23.6.

Cauchy–Schwarz dengan g=1g = 1:

(∫01f⋅1)2≤∫01f2⋅∫0112=∫01f2,\Bigl(\int_0^1 f \cdot 1\Bigr)^2 \leq \int_0^1 f^2 \cdot \int_0^1 1^2 = \int_0^1 f^2 ,

dengan kesamaannya jika dan hanya jika ff sebanding dengan 11, yaitu tetap. Adapun versi diskretnya: di dalam Rn\R^n dengan x=(a1,…,an)x = (a_1, \dots, a_n), y=(1,…,1)y = (1, \dots, 1): (∑ai)2≤∥x∥2 ∥y∥2=n∑ai2\bigl(\sum a_i\bigr)^2 \leq \norm x^2\, \norm y^2 = n \sum a_i^2, dengan kesamaannya jika dan hanya jika semua aia_i sama.

Latihan 23.7 ★★

Buktikan bahwa untuk setiap subruang FF pada sebuah ruang Euklides: (F⊥)⊥=F(F^{\perp})^{\perp} = F dan dim⁡F⊥=dim⁡E−dim⁡F\dim F^{\perp} = \dim E - \dim F.

Solusi

Solusi Latihan 23.7.

Menurut Teorema 23.10, E=F⊕F⊥E = F \oplus F^\perp, sehingga dimensinya bertambah: dim⁡F⊥=dim⁡E−dim⁡F\dim F^\perp = \dim E - \dim F. Adapun pemuatan F⊆(F⊥)⊥F \subseteq (F^\perp)^\perp seketika (karena vektor FF ortogonal terhadap segalanya di dalam F⊥F^\perp). Dimensinya: dim⁡(F⊥)⊥=dim⁡E−dim⁡F⊥=dim⁡F\dim(F^\perp)^\perp = \dim E - \dim F^\perp = \dim F; dan sebuah pemuatan dengan dimensi (hingga) yang sama merupakan kesamaan (Teorema 19.14).

Latihan 23.8 ★★

Kenalilah isometri bidang yang bermatriks

A=12(1−111),B=15(344−3)A = \frac{1}{\sqrt 2}\begin{pmatrix} 1 & -1\\ 1 & 1\end{pmatrix}, \qquad B = \frac{1}{5}\begin{pmatrix} 3 & 4\\ 4 & -3\end{pmatrix}

(jenis, sudut atau sumbunya). Hitunglah A8A^8 dan B2B^2 tanpa mengalikan matriks.

Solusi

Solusi Latihan 23.8.

AA: kolomnya bersatuan, determinannya +1+1: jadi sebuah rotasi, dengan cos⁡θ=12\cos\theta = \frac{1}{\sqrt2}, sin⁡θ=12\sin\theta = \frac{1}{\sqrt2}: sehingga θ=π4\theta = \frac\pi4. Maka A8=R8π/4=R2π=IA^8 = R_{8\pi/4} = R_{2\pi} = I.

BB: determinannya 125(−9−16)=−1\frac{1}{25}(-9 - 16) = -1: jadi sebuah pencerminan SθS_\theta dengan cos⁡θ=35\cos\theta = \frac35, sin⁡θ=45\sin\theta = \frac45; dan sumbunya bersudut θ2\frac\theta2 dengan sumbu xx, yaitu garis yang berarah (cos⁡θ2,sin⁡θ2)\bigl(\cos\frac\theta2, \sin\frac\theta2\bigr) — secara nyata sumbunya adalah Vect⁡((2,1))\operatorname{Vect}\bigl((2, 1)\bigr), karena B(2,1)T=15(6+4,8−3)T=(2,1)TB(2,1)^{\mathsf T} = \frac15(6+4, 8-3)^{\mathsf T} = (2,1)^{\mathsf T}. Dan sebagai pencerminan, B2=IB^2 = I.

Latihan 23.9 ★★★

(Minimum sebagai sebuah proyeksi) Hitunglah

min⁡(a,b)∈R2∫01(x2−a−bx)2 ⁣dx,\min_{(a, b) \in \R^2} \int_0^1 \bigl(x^2 - a - bx\bigr)^2 \dd x ,

dengan memakai Contoh 23.12: karena minimumnya adalah ∥f−pF(f)∥2\norm{f - p_F(f)}^2 bagi f=X2f = X^2, F=R1[X]F = \R_1[X].

Solusi

Solusi Latihan 23.9.

Besarannya adalah ∥f−(a+bX)∥2\norm{f - (a + bX)}^2 di dalam C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) dengan hasil kali dalam integralnya: yang minimum tepat pada proyeksi ortogonalnya a+bX=pF(f)=X−16a + bX = p_F(f) = X - \frac16 (Contoh 23.12). Adapun minimumnya adalah

∥f−pF(f)∥2=∫01(x2−x+16) ⁣2 ⁣dx.\norm{f - p_F(f)}^2 = \int_0^1 \Bigl(x^2 - x + \frac16\Bigr)^{\!2} \dd x .

Jabarkanlah: ∫01(x2−x+16)2=∫01(x4−2x3+43x2−13x+136) ⁣dx=15−12+49−16+136=1180\int_0^1 (x^2 - x + \frac16)^2 = \int_0^1 \bigl(x^4 - 2x^3 + \frac{4}{3}x^2 - \frac13 x + \frac{1}{36}\bigr)\dd x = \frac15 - \frac12 + \frac49 - \frac16 + \frac{1}{36} = \frac{1}{180}. Jadi minimumnya sama dengan 1180\dfrac{1}{180}.

Latihan 23.10 ★★★

Misalkan uu sebuah isometri pada ruang Euklides EE. Buktikan bahwa ker⁡(u−id)⊥im⁡(u−id)\ker(u - \mathrm{id}) \perp \operatorname{im}(u - \mathrm{id}), lalu simpulkanlah E=ker⁡(u−id)⊕im⁡(u−id)E = \ker(u - \mathrm{id}) \oplus \operatorname{im}(u - \mathrm{id}). (Hitunglah ⟨x−u(x),y⟩\langle x - u(x), y\rangle bagi u(y)=yu(y) = y, dengan memakai pengawetan hasil kalinya.)

Solusi

Solusi Latihan 23.10.

Misalkan y∈ker⁡(u−id)y \in \ker(u - \mathrm{id}) (yaitu u(y)=yu(y) = y) dan x∈Ex \in E. Maka, dengan memakai pengawetan hasil kali dalamnya (⟨u(a),u(b)⟩=⟨a,b⟩\langle u(a), u(b)\rangle = \langle a, b\rangle):

⟨x−u(x), y⟩=⟨x,y⟩−⟨u(x),y⟩=⟨x,y⟩−⟨u(x),u(y)⟩=⟨x,y⟩−⟨x,y⟩=0:\langle x - u(x),\, y\rangle = \langle x, y\rangle - \langle u(x), y\rangle = \langle x, y\rangle - \langle u(x), u(y)\rangle = \langle x, y\rangle - \langle x, y\rangle = 0 :

jadi setiap vektor im⁡(u−id)\operatorname{im}(u - \mathrm{id}) ortogonal terhadap setiap vektor yang tetap.

Karenanya im⁡(u−id)⊆ker⁡(u−id)⊥\operatorname{im}(u - \mathrm{id}) \subseteq \ker(u - \mathrm{id})^{\perp}, dan menurut rank–nulitas beserta Latihan 23.7, keduanya berdimensi dim⁡E−dim⁡ker⁡(u−id)\dim E - \dim\ker(u - \mathrm{id}): sehingga keduanya sama. Maka E=ker⁡(u−id)⊕ker⁡(u−id)⊥=ker⁡(u−id)⊕im⁡(u−id)E = \ker(u - \mathrm{id}) \oplus \ker(u - \mathrm{id})^\perp = \ker(u - \mathrm{id}) \oplus \operatorname{im}(u - \mathrm{id}).

Latihan 23.11 ★★

(Matriks Gram) Untuk vektor v1,…,vkv_1, \dots, v_k pada sebuah ruang Euklides, misalkan G=(⟨vi,vj⟩)1≤i,j≤kG = \bigl(\langle v_i, v_j\rangle\bigr)_{1 \leq i, j \leq k} matriks Gram-nya.

  1. Buktikan bahwa (v1,…,vk)(v_1, \dots, v_k) bebas jika dan hanya jika GG dapat dibalik. (Jika Gc=0Gc = 0, hitunglah ∥∑icivi∥2\norm{\sum_i c_i v_i}^2.)
  2. Hitunglah matriks Gram atas (1,X,X2)(1, X, X^2) di dalam R2[X]\R_2[X] dengan ⟨P,Q⟩=∫01PQ\langle P, Q\rangle = \int_0^1 PQ, kenalilah matriks Hilbert H3H_3 pada soal akhir pekan Bab 22, lalu simpulkanlah kebebasannya dari det⁡H3=12160≠0\det H_3 = \frac1{2160} \neq 0.
Solusi

Solusi Latihan 23.11.

  1. Andaikan Gc=0Gc = 0 bagi sebuah kolom c=(c1,…,ck)Tc = (c_1, \dots, c_k)^{\mathsf T}. Maka

    ∥∑icivi∥2=∑i,jcicj⟨vi,vj⟩=cTG c=0,\Bigl\lVert\sum_i c_i v_i\Bigr\rVert^2 = \sum_{i,j} c_i c_j \langle v_i, v_j\rangle = c^{\mathsf T} G\, c = 0,

    sehingga ∑icivi=0\sum_i c_i v_i = 0. Jika keluarganya bebas maka ini memaksa c=0c = 0: jadi GG dapat dibalik. Sebaliknya, sebuah hubungan yang tak sepele ∑jcjvj=0\sum_j c_j v_j = 0 memberikan, dengan mengambil hasil kalinya dengan setiap viv_i, hubungan tak sepele Gc=0Gc = 0: jadi GG singular. Maka kebebasannya   ⟺  det⁡G≠0\iff \det G \neq 0.

  2. ⟨Xi−1,Xj−1⟩=∫01xi+j−2 ⁣dx=1i+j−1\langle X^{i-1}, X^{j-1}\rangle = \int_0^1 x^{i+j-2}\dd x = \frac{1}{i+j-1}: sehingga matriks Gram atas (1,X,X2)(1, X, X^2) tepat merupakan matriks Hilbert H3H_3, yang determinannya 12160\frac1{2160} dihitung pada soal akhir pekan Bab 22: yang taknol, sehingga monomialnya bebas — seperti yang diharapkan, tetapi kini disahkan oleh sebuah bilangan.

Latihan 23.12 ★★★

Misalkan uu sebuah endomorfisma pada ruang Euklides EE yang matriksnya AA pada basis ortonormal sekaligus ortogonal (ATA=IA^{\mathsf T}A = I) dan setangkup (AT=AA^{\mathsf T} = A).

  1. Tunjukkan A2=IA^2 = I, lalu simpulkanlah (lewat Teorema 20.15) bahwa E=ker⁡(u−id)⊕ker⁡(u+id)E = \ker(u - \mathrm{id}) \oplus \ker(u + \mathrm{id}).
  2. Tunjukkan bahwa kedua subruangnya ortogonal, sehingga uu merupakan kesetangkupan ortogonal terhadap F=ker⁡(u−id)F = \ker(u - \mathrm{id}): yaitu pencerminan lewat FF. (Bagi u(x)=xu(x) = x dan u(y)=−yu(y) = -y, hitunglah ⟨x,y⟩\langle x, y\rangle dengan dua cara.)
  3. Golongkanlah kasus bidangnya: matriks yang mana pada Teorema 23.17 yang setangkup, dan apakah pemetaan yang bersesuaian dengannya?
Solusi

Solusi Latihan 23.12.

  1. A2=AA=ATA=IA^2 = A A = A^{\mathsf T} A = I, sehingga u2=idu^2 = \mathrm{id}: jadi uu sebuah kesetangkupan, dan Teorema 20.15 (2) memberikan E=ker⁡(u−id)⊕ker⁡(u+id)E = \ker(u - \mathrm{id}) \oplus \ker(u + \mathrm{id}).
  2. Misalkan u(x)=xu(x) = x dan u(y)=−yu(y) = -y. Karena uu mengawetkan hasil kali dalamnya,

    ⟨x,y⟩=⟨u(x),u(y)⟩=⟨x,−y⟩=−⟨x,y⟩,\langle x, y\rangle = \langle u(x), u(y)\rangle = \langle x, -y\rangle = -\langle x, y\rangle ,

    sehingga ⟨x,y⟩=0\langle x, y\rangle = 0: jadi kedua ruang eigennya ortogonal, ker⁡(u+id)=F⊥\ker(u + \mathrm{id}) = F^\perp bagi F=ker⁡(u−id)F = \ker(u - \mathrm{id}), dan uu merupakan kesetangkupan ortogonal terhadap FF.

  3. RθR_\theta setangkup jika dan hanya jika −sin⁡θ=sin⁡θ-\sin\theta = \sin\theta, yaitu θ∈{0,π}\theta \in \{0, \pi\}: jadi pemetaan ±id\pm\mathrm{id} (yaitu identitas dan kesetangkupan pusat). Sedangkan setiap SθS_\theta setangkup: yaitu pencerminan garisnya. Inilah tepat kesetangkupan ortogonal bidangnya, dengan FF sama dengan seluruh bidangnya, {0}\{0\}, atau sumbu pencerminannya.

23.5 Soal: isometri bidang dan teorema Leonardo

Soal 23.1

Sebuah isometri bidang adalah sebarang pemetaan f ⁣:R2→R2f \colon \R^2 \to \R^2 yang mengawetkan jarak: ∥f(x)−f(y)∥=∥x−y∥\norm{f(x) - f(y)} = \norm{x - y} untuk semua x,yx, y — tanpa mengandaikan kelinearan. Soal ini membuktikan bahwa pemetaan yang demikian tepat berupa translasi, rotasi, pencerminan dan pencerminan geser (yaitu penggolongan isometri bidang), menghitung komposisinya, lalu menentukan semua grup hingga-nya: yaitu teorema Leonardo, matematika di balik pola rozet. Sejak Bagian II kita menyamakan R2\R^2 dengan C\C (Bab 3): dengan hasil kali dalam kanoniknya adalah ⟨z,w⟩=Re⁡(zw‾)\langle z, w\rangle = \operatorname{Re}(z\conj w) dan normanya adalah modulusnya.

Bagian I — Setiap isometri bersifat afin.

  1. Periksalah bahwa translasi ta(x)=x+at_a(x) = x + a, isometri linear, dan semua komposisinya merupakan isometri, dan bahwa isometrinya membentuk grup di bawah komposisi.
  2. Misalkan ff sebuah isometri dengan f(0)=0f(0) = 0. Tunjukkan bahwa ff mengawetkan norma, lalu — lewat polarisasi, Teorema 23.4 — bahwa ⟨f(x),f(y)⟩=⟨x,y⟩\langle f(x), f(y)\rangle = \langle x, y\rangle untuk semua x,yx, y.
  3. Masih dengan f(0)=0f(0) = 0: jabarkanlah ∥f(x+y)−f(x)−f(y)∥2\norm{f(x + y) - f(x) - f(y)}^2 dan ∥f(λx)−λf(x)∥2\norm{f(\lambda x) - \lambda f(x)}^2 dengan memakai pertanyaan 2, lalu simpulkanlah bahwa ff bersifat linear: yaitu f∈O(R2)f \in O(\R^2).
  4. Simpulkanlah bahwa setiap isometri ff tertulis secara tunggal sebagai f=ta∘gf = t_a \circ g dengan a=f(0)a = f(0) dan gg sebuah isometri linear (yaitu bagian linear pada ff).
  5. Sebutlah ff langsung bila det⁡g=1\det g = 1, dan taklangsung bila det⁡g=−1\det g = -1. Tunjukkan bahwa bagian linear sebuah komposisi adalah komposisi bagian linearnya, lalu nyatakanlah kaidah tanda yang dihasilkannya (yaitu langsung/taklangsung berkomposisi bagai +1/−1+1/-1).

Bagian II — Keempat jenisnya. Lewat Teorema 23.17, isometri linear pada C\C adalah z↦azz \mapsto az dan z↦az‾z \mapsto a\conj z dengan ∣a∣=1\abs a = 1; sehingga setiap isometri bidang berupa

f(z)=az+b(langsung)atauf(z)=az‾+b(taklangsung),∣a∣=1.f(z) = a z + b \quad (\text{langsung}) \qquad\text{atau}\qquad f(z) = a\conj z + b \quad (\text{taklangsung}), \qquad \abs a = 1 .
  1. Periksalah kamusnya: bahwa RθR_\theta adalah z↦eiθzz \mapsto \eu^{\iu\theta}z dan SθS_\theta adalah z↦eiθz‾z \mapsto \eu^{\iu\theta}\conj z (periksalah keduanya pada 11 dan i\iu).
  2. (Kasus langsungnya) Misalkan f(z)=az+bf(z) = az + b, ∣a∣=1\abs a = 1. Tunjukkan: bila a=1a = 1, maka ff sebuah translasi; bila a≠1a \neq 1, maka ff mempunyai titik tetap tunggal z0=b/(1−a)z_0 = b/(1 - a) dan f(z)−z0=a(z−z0)f(z) - z_0 = a(z - z_0): yaitu rotasi berpusat z0z_0 dan bersudut arg⁡a\arg a.
  3. (Kasus taklangsungnya) Misalkan f(z)=az‾+bf(z) = a\conj z + b, dan v=ab‾+bv = a\conj b + b. Tunjukkan f∘f=tvf \circ f = t_v dan f∘tv=tv∘ff \circ t_v = t_v \circ f. Jika v=0v = 0: tunjukkanlah bahwa titik tengah zz dan f(z)f(z) merupakan titik tetap, dan bahwa ff sebuah pencerminan pada sebuah garis. Jika v≠0v \neq 0: tunjukkanlah bahwa r=t−v/2∘fr = t_{-v/2}\circ f sebuah pencerminan yang sumbunya sejajar vv, sehingga f=tv/2∘rf = t_{v/2} \circ r merupakan pencerminan geser. Simpulkanlah: bahwa setiap isometri bidang berupa translasi, rotasi, pencerminan atau pencerminan geser (yaitu penggolongan isometri bidang).
  4. (Komposisinya) Tunjukkan: bahwa komposisi rotasi bersudut α\alpha dan β\beta adalah rotasi bersudut α+β\alpha + \beta (yaitu translasi bila α+β∈2πZ\alpha + \beta \in 2\pi\Z); sedangkan komposisi dua pencerminan adalah rotasi bersudut dua kali sudut antara sumbunya (yaitu translasi bila sumbunya sejajar).
  5. Simpulkanlah bahwa setiap isometri bidang merupakan komposisi paling banyak tiga pencerminan.

Bagian III — Tiga pengenalan.

  1. Golongkanlah selengkapnya f(z)=iz‾+1+if(z) = \iu\conj z + 1 + \iu: jenis, sumbu, dan vektor gesernya.
  2. Misalkan ff rotasi bersudut π2\frac\pi2 terhadap 00 dan gg rotasi bersudut π2\frac\pi2 terhadap 11. Hitunglah g∘fg \circ f dalam bentuk z↦az+bz \mapsto az + b lalu kenalilah ia (jenis, pusat, sudutnya).
  3. Misalkan r1(z)=z‾r_1(z) = \conj z (yaitu pencerminan pada sumbu real) dan r2(z)=iz‾r_2(z) = \iu\conj z (yaitu pencerminan pada garis y=xy = x). Hitunglah r2∘r1r_2 \circ r_1 lalu periksalah pertanyaan 9 pada contoh ini.

Bagian IV — Grup hingga: teorema Leonardo. Misalkan GG sebuah grup hingga berisi isometri bidang.

  1. Tunjukkan bahwa isometri mengawetkan barisentrum: bahwa jika λ1+⋯+λm=1\lambda_1 + \dots + \lambda_m = 1 dan f=ta∘gf = t_a \circ g (dengan gg linear), maka f(∑iλixi)=∑iλif(xi)f\bigl(\sum_i \lambda_i x_i\bigr) = \sum_i \lambda_i f(x_i).
  2. Tetapkanlah c=1∣G∣∑g∈Gg(x0)c = \frac{1}{\abs G}\sum_{g \in G} g(x_0) bagi sebarang x0x_0 yang dipilih. Tunjukkan bahwa setiap h∈Gh \in G menetapkan cc: jadi grup hingga berisi isometri mempunyai titik tetap bersama.
  3. Simpulkanlah bahwa, setelah dikonjugasikan oleh t−ct_{-c}, orang boleh mengandaikan G⊆O(R2)G \subseteq O(\R^2). Misalkan G+={g∈G:det⁡g=1}G^{+} = \{g \in G : \det g = 1\}; tunjukkanlah bahwa entah G=G+G = G^{+} atau G+G^{+} berindeks tepat 22 di dalam GG (tunjukkanlah sebuah bijeksi G+→G∖G+G^+ \to G \setminus G^+).
  4. Tunjukkan bahwa grup hingga berisi rotasi terhadap cc bersifat siklik: di antara unsurnya pilihlah rotasi Rθ0R_{\theta_0} yang bersudut terkecil θ0∈(0, 2π)\theta_0 \in \intoo{0}{2\pi}, lalu pakailah pembagian Euclid atas sudutnya untuk membuktikan bahwa ia membangun; lalu simpulkanlah θ0=2πn\theta_0 = \frac{2\pi}n dan G+={Rθ0 k}≅CnG^{+} = \{R_{\theta_0}^{\,k}\} \cong C_n.
  5. Andaikan G≠G+G \neq G^{+} lalu pilihlah sebuah pencerminan s∈Gs \in G. Tunjukkan G=G+∪sG+G = G^{+} \cup sG^{+}, bahwa srs=r−1s r s = r^{-1} bagi setiap rotasi r∈G+r \in G^{+}, dan bahwa kesemua nn unsur sG+sG^{+} merupakan pencerminan: jadi GG adalah grup dihedral DnD_n berorde 2n2n.
  6. Simpulkanlah (teorema Leonardo): bahwa setiap grup hingga berisi isometri bidang bersifat siklik CnC_n atau dihedral DnD_n.

Bagian V — Dividen, dan sintesisnya.

  1. Tunjukkan secara langsung bahwa grup hingga berisi isometri tak dapat memuat translasi ataupun pencerminan geser selain identitasnya (pandanglah pangkat unsur yang demikian).
  2. Misalkan PnP_n segi nn beraturan yang bertitik sudut akar satuan ke-nn (n≥3n \geq 3). Tunjukkan bahwa grup kesetangkupannya tepat DnD_n: yaitu nn rotasi z↦ωkzz \mapsto \omega^k z dan nn pencerminan z↦ωkz‾z \mapsto \omega^k \conj z, dengan ω=e2iπ/n\omega = \eu^{2\iu\pi/n}, dan tak ada yang lain.
  3. Tunjukkanlah bangun bidang yang grup kesetangkupannya C1C_1, D1D_1, D2D_2 dan C3C_3 berturut-turut.
  4. Daftarkanlah kedelapan unsur grup kesetangkupan pada persegi yang bertitik sudut ±1,±i\pm1, \pm\iu sebagai pemetaan z↦ωkzz \mapsto \omega^k z atau z↦ωkz‾z \mapsto \omega^k\conj z, lalu berikanlah sumbu masing-masing dari keempat pencerminannya.
  5. Misalkan f,gf, g rotasi bersudut sama θ∉2πZ\theta \notin 2\pi\Z terhadap pusat yang berbeda c1≠c2c_1 \neq c_2. Hitunglah f∘g−g∘ff\circ g - g\circ f titik demi titik lalu tunjukkanlah f∘g≠g∘ff\circ g \neq g\circ f; tunjukkanlah lebih-lebih bahwa (f∘g)∘(g∘f)−1(f \circ g)\circ(g\circ f)^{-1} merupakan translasi yang tak sepele, sehingga sebarang grup yang memuat ff dan gg takhingga — yaitu penjelasan kedua atas pusat tunggal pada teorema Leonardo.
  6. Sintesis, dalam empat kalimat: kedua hasil struktur yang mana yang mereduksi isometri sebarang menjadi aljabar linear (pertanyaan 3–4) dan grup hingga sebarang menjadi subgrup O(2)O(2) (pertanyaan 15); apakah daftar lengkap isometri bidangnya dan invarian yang mana (langsung/taklangsung, titik tetap) yang memisahkan keempat jenisnya; mengapakah kaidah komposisi pertanyaan 9 menjadikan pencerminan pembangun segalanya; dan apa yang ditambahkan teorema Leonardo pada skala hingganya. Namailah kedua teorema yang dibuktikan pada Bagian II dan IV.
Solusi

Solusi Soal 23.1.

1. ∥ta(x)−ta(y)∥=∥x−y∥\norm{t_a(x) - t_a(y)} = \norm{x - y}; adapun isometri linear mengawetkan norma, jadi juga jarak (∥g(x)−g(y)∥=∥g(x−y)∥=∥x−y∥\norm{g(x) - g(y)} = \norm{g(x - y)} = \norm{x-y}); dan komposisi pemetaan yang mengawetkan jarak pun mengawetkan jarak. Setiap isometri bersifat injektif (karena titik yang berbeda tetap berjarak positif) dan, menurut penggolongan di bawah, bijektif; sedangkan identitas dan inversnya merupakan isometri: jadi sebuah grup.

2. ∥f(x)∥=∥f(x)−f(0)∥=∥x−0∥=∥x∥\norm{f(x)} = \norm{f(x) - f(0)} = \norm{x - 0} = \norm x. Polarisasinya:

⟨f(x),f(y)⟩=∥f(x)∥2+∥f(y)∥2−∥f(x)−f(y)∥22=∥x∥2+∥y∥2−∥x−y∥22=⟨x,y⟩.\langle f(x), f(y)\rangle = \frac{\norm{f(x)}^2 + \norm{f(y)}^2 - \norm{f(x) - f(y)}^2}{2} = \frac{\norm x^2 + \norm y^2 - \norm{x - y}^2}{2} = \langle x, y\rangle .

3. Dengan menjabarkannya lewat pertanyaan 2 (karena setiap hasil kali ff sama dengan hasil kali argumennya):

∥f(x+y)−f(x)−f(y)∥2=∥x+y∥2+∥x∥2+∥y∥2−2⟨x+y,x⟩−2⟨x+y,y⟩+2⟨x,y⟩=0,\begin{align*} \norm{f(x+y) - f(x) - f(y)}^2 &= \norm{x+y}^2 + \norm x^2 + \norm y^2\\ &\quad - 2\langle x+y, x\rangle - 2\langle x+y, y\rangle + 2\langle x, y\rangle = 0 , \end{align*}

sebagaimana ditunjukkan periksa langsungnya; serupa pula ∥f(λx)−λf(x)∥2=∥λx∥2−2λ⟨λx,x⟩+λ2∥x∥2=0\norm{f(\lambda x) - \lambda f(x)}^2 = \norm{\lambda x}^2 - 2\lambda\langle \lambda x, x\rangle + \lambda^2\norm x^2 = 0. Jadi f(x+y)=f(x)+f(y)f(x + y) = f(x) + f(y) dan f(λx)=λf(x)f(\lambda x) = \lambda f(x): sehingga ff linear, dan mengawetkan norma: jadi f∈O(R2)f \in O(\R^2).

4. Tetapkanlah a=f(0)a = f(0) dan g=t−a∘fg = t_{-a}\circ f: yaitu isometri yang menetapkan 00, jadi isometri linear (pertanyaan 3), dan f=ta∘gf = t_a \circ g. Ketunggalannya: ta∘g=ta′∘g′t_a \circ g = t_{a'}\circ g' yang dinilai di 00 memberikan a=a′a = a', lalu g=g′g = g'.

5. (ta∘g)∘(ta′∘g′)=ta+g(a′)∘(g∘g′)(t_a\circ g)\circ(t_{a'}\circ g') = t_{a + g(a')}\circ(g\circ g'), karena g ta′=tg(a′) gg\,t_{a'} = t_{g(a')}\,g bagi gg yang linear. Jadi bagian linear sebuah komposisi adalah g∘g′g \circ g', dan det⁡(gg′)=det⁡gdet⁡g′\det(gg') = \det g \det g': sehingga langsung∘\circlangsung == taklangsung∘\circtaklangsung == langsung, langsung∘\circtaklangsung == taklangsung — yaitu kaidah tanda ±1\pm1.

6. z↦eiθzz \mapsto \eu^{\iu\theta}z mengirim 11 ke (cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos\theta, \sin\theta) dan i\iu ke ieiθ=(−sin⁡θ,cos⁡θ)\iu\eu^{\iu\theta} = (-\sin\theta, \cos\theta): yaitu kolom RθR_\theta. Dan z↦eiθz‾z \mapsto \eu^{\iu\theta}\conj z mengirim 11 ke (cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos\theta, \sin\theta) dan i\iu ke −ieiθ=(sin⁡θ,−cos⁡θ)-\iu\eu^{\iu\theta} = (\sin\theta, -\cos\theta): yaitu kolom SθS_\theta.

7. a=1a = 1: maka f=tbf = t_b. a≠1a \neq 1: maka persamaan titik tetapnya az0+b=z0az_0 + b = z_0 berpenyelesaian tunggal z0=b/(1−a)z_0 = b/(1 - a), dan lalu

f(z)−z0=az+b−(az0+b)=a(z−z0):f(z) - z_0 = az + b - (az_0 + b) = a(z - z_0):

jadi pada kerangka yang berpusat di z0z_0, ff adalah perkalian dengan a=eiarg⁡aa = \eu^{\iu\arg a}: yaitu rotasi berpusat z0z_0 dan bersudut arg⁡a\arg a.

8. f(f(z))=a(az‾+b)‾+b=aa‾ z+ab‾+b=z+vf(f(z)) = a\conj{(a\conj z + b)} + b = a\conj a\,z + a\conj b + b = z + v: jadi f2=tvf^2 = t_v. Komutasinya: f(z+v)=az‾+av‾+bf(z + v) = a\conj z + a\conj v + b dan av‾=a(ab‾+b)‾=b+ab‾=va\conj v = a\conj{(a\conj b + b)} = b + a\conj b = v, sehingga f∘tv=tv∘ff\circ t_v = t_v\circ f.

Kasus v=0v = 0: maka f2=idf^2 = \mathrm{id}. Untuk sebarang zz, titik tengah m=z+f(z)2m = \frac{z + f(z)}2 memenuhi (karena isometrinya afin, Bagian I) f(m)=f(z)+f2(z)2=mf(m) = \frac{f(z) + f^2(z)}{2} = m: jadi titik tetapnya ada. Dengan mengonjugasikannya lewat translasi ke sebuah titik tetap, ff menjadi isometri taklangsung yang linear, yaitu suatu SθS_\theta (Teorema 23.17): jadi pencerminan pada sebuah garis.

Kasus v≠0v \neq 0: maka r=t−v/2∘fr = t_{-v/2}\circ f bersifat taklangsung dan

r2=t−v/2 f t−v/2 f=t−v/2 t−v/2 f2=t−v tv=idr^2 = t_{-v/2}\,f\,t_{-v/2}\,f = t_{-v/2}\,t_{-v/2}\,f^2 = t_{-v}\,t_v = \mathrm{id}

(dengan memakai komutasinya), sehingga rr sebuah pencerminan, dan f=tv/2∘rf = t_{v/2}\circ r. Adapun sumbunya sejajar vv: karena rr berkomutasi dengan tvt_v (sebagaimana ff dan tv/2t_{v/2}), sehingga tvt_v memetakan sumbunya (yaitu garis tetap rr) ke dirinya, yang memaksa vv mengarahkannya. Maka ff merupakan pencerminan geser dengan vektor geser v/2v/2. Kini setiap isometri tergolongkan: yaitu translasi atau rotasi (yang langsung), pencerminan atau pencerminan geser (yang taklangsung).

9. Rotasi f(z)=az+bf(z) = az + b, g(z)=a′z+b′g(z) = a'z + b' dengan a=eiαa = \eu^{\iu\alpha}, a′=eiβa' = \eu^{\iu\beta}: maka g∘f(z)=a′az+(a′b+b′)g\circ f(z) = a'az + (a'b + b') berkoefisien linear ei(α+β)\eu^{\iu(\alpha+\beta)}: jadi rotasi bersudut α+β\alpha + \beta menurut pertanyaan 7, atau sebuah translasi ketika ei(α+β)=1\eu^{\iu(\alpha+\beta)} = 1. Sedangkan pencerminan ri(z)=aiz‾+bir_i(z) = a_i\conj z + b_i dengan ai=eiθia_i = \eu^{\iu\theta_i} (yaitu sumbu bersudut θi/2\theta_i/2):

r2∘r1(z)=a2a1‾ z+(a2b1‾+b2),r_2\circ r_1(z) = a_2\conj{a_1}\,z + (a_2\conj{b_1} + b_2),

yang langsung dan bersudut θ2−θ1=2(θ22−θ12)\theta_2 - \theta_1 = 2\bigl(\tfrac{\theta_2}2 - \tfrac{\theta_1}2\bigr): yaitu dua kali sudut antara sumbunya; sedangkan sumbu yang sejajar (θ1=θ2\theta_1 = \theta_2) memberikan translasi.

10. Rotasi berpusat cc dan bersudut θ\theta merupakan hasil kali dua pencerminan pada garis lewat cc yang bersudut θ/2\theta/2 (yaitu pertanyaan 9, dibaca terbalik); sedangkan translasi tvt_v adalah hasil kali dua pencerminan pada garis sejajar yang ortogonal terhadap vv pada jarak ∥v∥/2\norm v/2; sebuah pencerminan adalah satu pencerminan; dan pencerminan geser adalah pencerminan yang dikomposisikan dengan translasi, jadi tiga. Maksimumnya: tiga.

11. a=ia = \iu, b=1+ib = 1 + \iu: maka v=ab‾+b=i(1−i)+1+i=(1+i)+(1+i)=2+2i≠0v = a\conj b + b = \iu(1 - \iu) + 1 + \iu = (1 + \iu) + (1 + \iu) = 2 + 2\iu \neq 0: jadi pencerminan geser dengan vektor geser v/2=1+iv/2 = 1 + \iu. Adapun pencerminan r=t−(1+i)∘fr = t_{-(1+\iu)}\circ f adalah r(z)=iz‾r(z) = \iu\conj z, yang sumbunya garis bersudut 12arg⁡i=π4\frac12\arg\iu = \frac\pi4: yaitu garis y=xy = x. Jadi ff merupakan pencerminan geser bersumbu y=xy = x dan bervektor (1,1)(1, 1).

12. f(z)=izf(z) = \iu z dan g(z)=1+i(z−1)=iz+1−ig(z) = 1 + \iu(z - 1) = \iu z + 1 - \iu, sehingga

g∘f(z)=i(iz)+1−i=−z+1−i:g\circ f(z) = \iu(\iu z) + 1 - \iu = -z + 1 - \iu :

yaitu berkoefisien linear −1=eiπ-1 = \eu^{\iu\pi}, jadi rotasi bersudut π\pi (yakni setengah putaran), berpusat z0=1−i1−(−1)=1−i2z_0 = \frac{1 - \iu}{1 - (-1)} = \frac{1 - \iu}{2}.

13. r2∘r1(z)=i z‾‾=izr_2\circ r_1(z) = \iu\,\conj{\conj z} = \iu z: yaitu rotasi bersudut π2\frac\pi2 terhadap 00. Adapun sumbunya (yakni sumbu real, bersudut 00; dan garis y=xy = x, bersudut π4\frac\pi4) bertemu pada sudut π4\frac\pi4, dan dua kali itu adalah π2\frac\pi2: jadi pertanyaan 9 tertegaskan.

14. Dengan f=ta∘gf = t_a\circ g, gg yang linear, dan ∑iλi=1\sum_i \lambda_i = 1:

f(∑iλixi)=a+∑iλi g(xi)=∑iλi(a+g(xi))=∑iλif(xi).f\Bigl(\sum_i \lambda_i x_i\Bigr) = a + \sum_i \lambda_i\,g(x_i) = \sum_i \lambda_i\bigl(a + g(x_i)\bigr) = \sum_i \lambda_i f(x_i) .

15. Untuk h∈Gh \in G, dengan memakai pertanyaan 14 (karena koefisien 1∣G∣\frac1{\abs G} berjumlah 11):

h(c)=1∣G∣∑g∈Gh(g(x0))=1∣G∣∑g′∈Gg′(x0)=c,h(c) = \frac{1}{\abs G}\sum_{g \in G} h\bigl(g(x_0)\bigr) = \frac{1}{\abs G}\sum_{g' \in G} g'(x_0) = c ,

karena g↦hgg \mapsto hg merupakan bijeksi GG pada dirinya sendiri.

16. Konjugat t−c g tct_{-c}\,g\,t_{c} (g∈Gg \in G) membentuk sebuah grup isometri yang menetapkan 00, jadi isometri yang linear (pertanyaan 3): yaitu subgrup hingga pada O(R2)O(\R^2). Jika suatu s∈Gs \in G bersifat taklangsung, maka pemetaan g↦sgg \mapsto sg mengirim G+G^+ secara injektif ke dalam G∖G+G\setminus G^+ dan h↦s−1hh \mapsto s^{-1}h merupakan inversnya (lewat kaidah tanda pertanyaan 5): sehingga ∣G∣=2 ∣G+∣\abs G = 2\,\abs{G^+}; kalau tidak G=G+G = G^+.

17. Jika G+={id}G^{+} = \{\mathrm{id}\}, maka ia C1C_1. Kalau tidak tulislah unsurnya sebagai RθR_\theta, θ∈[0, 2π)\theta \in \intco{0}{2\pi}, lalu misalkan θ0\theta_0 sudut positif terkecil yang muncul. Untuk Rθ∈G+R_\theta \in G^{+}, pembagian Euclid θ=kθ0+ρ\theta = k\theta_0 + \rho dengan 0≤ρ<θ00 \leq \rho < \theta_0 memberikan Rρ=RθRθ0−k∈G+R_\rho = R_\theta R_{\theta_0}^{-k} \in G^{+}, sehingga ρ=0\rho = 0 lewat keminimalannya: jadi G+=⟨Rθ0⟩G^{+} = \langle R_{\theta_0}\rangle. Adapun membagi 2π2\pi oleh θ0\theta_0 dengan cara yang sama menunjukkan 2π=nθ02\pi = n\theta_0: sehingga G+≅CnG^{+} \cong C_n, yang dibangun oleh rotasi bersudut 2πn\frac{2\pi}n.

18. G=G+∪sG+G = G^{+} \cup sG^{+} menurut pencacahan pertanyaan 16. Dengan s(z)=az‾s(z) = a\conj z dan r(z)=ωzr(z) = \omega z (yaitu bentuk linear, setelah pertanyaan 16; ∣a∣=∣ω∣=1\abs a = \abs\omega = 1):

srs(z)=a ω az‾‾=aω‾a‾ z=ω‾ z=r−1(z).s r s(z) = a\,\conj{\omega\,a\conj z} = a\conj\omega\conj a\,z = \conj\omega\,z = r^{-1}(z) .

Setiap unsur srksr^k pada sG+sG^{+} bersifat taklangsung dan memenuhi (srk)2=(srks) rk=r−krk=id(sr^k)^2 = (sr^ks)\,r^k = r^{-k}r^k = \mathrm{id}: yaitu isometri taklangsung yang involutif dan menetapkan cc, jadi sebuah pencerminan. Sehingga GG terdiri atas nn rotasi dan nn pencerminan dengan hubungan rn=s2=idr^n = s^2 = \mathrm{id}, srs=r−1srs = r^{-1}: yaitu grup dihedral DnD_n.

19. Menggabungkannya: sebuah grup hingga berisi isometri bidang menetapkan sebuah titik cc (pertanyaan 15), tereduksi menjadi subgrup hingga pada O(2)O(2) (pertanyaan 16), dan berupa CnC_n jika ia memuat hanya rotasi (pertanyaan 17), dan DnD_n kalau tidak (pertanyaan 18): yaitu teorema Leonardo.

20. Sebuah translasi tv≠idt_v \neq \mathrm{id} berpangkat tkvt_{kv}, yang semuanya berbeda (kvkv berbeda berpasangan untuk v≠0v \neq 0): jadi berorde takhingga. Sedangkan pencerminan geser ff mempunyai f2=tvf^2 = t_v dengan v≠0v \neq 0: berorde takhingga lagi. Tak satu pun dari keduanya muat di dalam grup hingga — yang selaras dengan pertanyaan 15–19, yang hanya menghasilkan rotasi dan pencerminan.

21. Kesemua 2n2n pemetaannya mengawetkan himpunan titik sudutnya: ωkωj=ωk+j\omega^k \omega^j = \omega^{k+j} dan ωkωj‾=ωk−j\omega^k\conj{\omega^j} = \omega^{k-j}; dan karena isometri, semuanya mengawetkan segi banyaknya (karena ruas garisnya pergi ke ruas garis). Sebaliknya, sebuah kesetangkupan mengawetkan barisentrum 00 titik sudutnya (pertanyaan 14), jadi bersifat linear, dan mempermutasikan titik sudutnya (karena itulah titik segi banyaknya yang berjarak maksimal dari 00). Adapun isometri linear yang mengirim titik sudut 11 ke ωk\omega^k adalah z↦ωkzz \mapsto \omega^k z bila langsung, dan z↦ωkz‾z \mapsto \omega^k\conj z bila taklangsung (karena matriksnya ditentukan oleh satu kolom dan tandanya): jadi paling banyak 2n2n kesetangkupan, sehingga tepat DnD_n di atas.

22. C1C_1: yaitu segitiga sembarang (tanpa kesetangkupan yang tak sepele). D1D_1: yaitu segitiga samakaki yang bukan samasisi (dengan satu pencerminan). D2D_2: yaitu persegi panjang yang bukan persegi (dengan identitas, setengah putaran terhadap pusatnya, dan kedua pencerminan sumbunya). C3C_3: yaitu triskelion — tiga lengan bengkok yang sebangun dan terpasang pada selang 120120 derajat; karena bengkoknya membunuh setiap pencerminan tetapi menyisakan rotasi berorde 33.

23. Dengan ω=i\omega = \iu: yaitu rotasi z↦zz \mapsto z, iz\iu z, −z-z, −iz-\iu z (bersudut 0,π2,π,3π20, \frac\pi2, \pi, \frac{3\pi}2), dan pencerminan

z↦z‾ (sumbu y=0),iz‾ (y=x),−z‾ (x=0),−iz‾ (y=−x):z \mapsto \conj z \ (\text{sumbu } y = 0), \quad \iu\conj z \ (y = x), \quad -\conj z \ (x = 0), \quad -\iu\conj z \ (y = -x):

yaitu kedua diagonal dan kedua garis tengah perseginya — jadi grup dihedral D4D_4, berorde 88.

24. Tulislah a=eiθ≠1a = \eu^{\iu\theta} \neq 1: maka f(z)=az+c1(1−a)f(z) = az + c_1(1 - a) dan g(z)=az+c2(1−a)g(z) = az + c_2(1 - a). Lalu

f∘g(z)−g∘f(z)=(1−a)(ac2+c1−ac1−c2)=−(1−a)2(c2−c1)≠0,f\circ g(z) - g\circ f(z) = (1-a)\bigl(ac_2 + c_1 - ac_1 - c_2\bigr) = -(1 - a)^2(c_2 - c_1) \neq 0 ,

sehingga fg≠gff g \neq g f. Kedua komposisinya berkoefisien linear a2a^2, sehingga (fg)∘(gf)−1(fg)\circ(gf)^{-1} berkoefisien linear 11: jadi ia translasi sebesar fg(z)−gf(z)fg(z) - gf(z), yaitu tetapan taknol di atas. Adapun grup yang memuat ff dan gg memuat translasi ini dan semua pangkatnya: jadi ia takhingga. Dua pusat rotasi sudah satu kelebihan bagi grup hingga — yaitu jantung geometri teorema Leonardo.

25. (i) Pertanyaan 3–4 menunjukkan bahwa setiap pemetaan yang mengawetkan jarak bersifat afin dengan bagian linear yang ortogonal, dan pertanyaan 15 memakukan setiap grup hingga pada sebuah titik tetap: sehingga kedua hasilnya mengubah geometri metriknya menjadi aljabar linear di titik asalnya. (ii) Adapun daftar lengkapnya adalah translasi, rotasi, pencerminan, dan pencerminan geser; dengan determinan bagian linearnya memisahkan yang langsung dari yang taklangsung, sedangkan keberadaan titik tetapnya memisahkan kedua jenisnya di dalam tiap keparian. (iii) Menurut pertanyaan 9, dua pencerminan berkomposisi menjadi sebarang rotasi atau translasi, sehingga pencerminannya membangun seluruh grupnya — dan paling banyak tiga sudah cukup bagi sebarang isometri. (iv) Pada skala hingganya hanya dua keluarga yang bertahan, yaitu grup siklik dan dihedral, dan itulah sebabnya hiasan rozet hadir tepat dalam dua macam (dengan atau tanpa sumbu cermin). Bagian II membuktikan penggolongan isometri bidang; sedangkan Bagian IV membuktikan teorema Leonardo.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium