Alle boeken

Professioneel

Apps Over Coach Inloggen Begin met lezen

Wiskunde · Begrippenlijst

Wat is Duale ruimte, duale basis?

Ook bekend als: duale ruimte · duale basis

Definitie 2.1 Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Hoofdstuk 2 — Lineaire algebra

De duale ruimte van EE is E∗=L(E,K)E^* = \mathcal{L}(E, K), de ruimte van de lineaire vormen. Is B=(e1,…,en)\mathcal{B} = (e_1, \dots, e_n) een basis van EE, dan vormen de coördinaatvormen e1∗,…,en∗e_1^*, \dots, e_n^*, gedefinieerd door ei∗(ej)=δije_i^*(e_j) = \delta_{ij} (Kronecker: 11 als i=ji = j, anders 00), de duale basis B∗\mathcal{B}^* van E∗E^*; in het bijzonder is dim⁡E∗=dim⁡E\dim E^* = \dim E, en geldt

x=∑i=1nei∗(x) ei(x∈E),φ=∑i=1nφ(ei) ei∗(φ∈E∗).x = \sum_{i=1}^{n} e_i^*(x)\, e_i \quad (x \in E), \qquad \varphi = \sum_{i=1}^{n} \varphi(e_i)\, e_i^* \quad (\varphi \in E^*).

Voorbeelden

Voorbeeld 2.2

Op Kn[X]K_n[X] met basis (1,X,…,Xn)(1, X, \dots, X^n) is de duale basis P↦P(k)(0)k!P \mapsto \frac{P^{(k)}(0)}{k!} (de taylorcoëfficiënten). Een andere basis van de duale ruimte: de evaluaties P↦P(xi)P \mapsto P(x_i) in n+1n + 1 verschillende punten — de bijbehorende “antiduale” basis in Kn[X]K_n[X] is precies de familie van de lagrangeveeltermen LiL_i (volume van bachelorjaar 1), want Li(xj)=δijL_i(x_j) = \delta_{ij}. Interpolatie is dualiteit.

Voorbeeld 2.4 (Een duale basis van R2\R^2, volledig uitgerekend)

Voor de basis b1=(1,1)b_1 = (1, 1), b2=(1,−1)b_2 = (1, -1) van R2\R^2 moet de duale basis (b1∗,b2∗)(b_1^*, b_2^*) voldoen aan bi∗(bj)=δijb_i^*(b_j) = \delta_{ij}. Met b1∗(x,y)=αx+βyb_1^*(x, y) = \alpha x + \beta y geven de voorwaarden α+β=1\alpha + \beta = 1 en α−β=0\alpha - \beta = 0

b1∗(x,y)=x+y2,en evenzob2∗(x,y)=x−y2.b_1^*(x, y) = \frac{x + y}{2}, \qquad\text{en evenzo}\qquad b_2^*(x, y) = \frac{x - y}{2} .

Twee controles. Ten eerste is b1∗b_1^* niet de naïeve uitkomst e1∗+e2∗e_1^* + e_2^* — de duale basis hangt van de hele basis af, niet van elke vector afzonderlijk (vervang b2b_2 door (0,1)(0, 1) en b1∗b_1^* wordt x↦xx \mapsto x). Ten tweede klopt de ontwikkelingsformule: (x,y)=x+y2 b1+x−y2 b2(x, y) = \frac{x+y}2\,b_1 + \frac{x-y}2\,b_2, de ontbinding van een paar in een even en een oneven deel — duale basissen zijn coördinaatlezers, en deze leest het symmetrische en het antisymmetrische deel af.

Voorbeeld 2.9 (De getransponeerde, term voor term)

Zij u ⁣:R2→R3u \colon \R^2 \to \R^3 met matrix A=(120130)A = \left(\begin{smallmatrix} 1 & 2\\ 0 & 1\\ 3 & 0\end{smallmatrix}\right) in de canonieke basissen. Bereken voor ψ=b1f1∗+b2f2∗+b3f3∗∈(R3)∗\psi = b_1f_1^* + b_2f_2^* + b_3f_3^* \in (\R^3)^* de vorm uT(ψ)=ψ∘uu^{\mathsf T}(\psi) = \psi \circ u op de basis van R2\R^2:

(ψ∘u)(e1)=ψ(1,0,3)=b1+3b3,(ψ∘u)(e2)=ψ(2,1,0)=2b1+b2.(\psi \circ u)(e_1) = \psi(1, 0, 3) = b_1 + 3b_3, \qquad (\psi \circ u)(e_2) = \psi(2, 1, 0) = 2b_1 + b_2 .

Dus uT(ψ)=(b1+3b3) e1∗+(2b1+b2) e2∗u^{\mathsf T}(\psi) = (b_1 + 3b_3)\,e_1^* + (2b_1 + b_2)\,e_2^*, en in de duale basissen is de matrix van uTu^{\mathsf T}

(103210)=AT:\begin{pmatrix} 1 & 0 & 3\\ 2 & 1 & 0\end{pmatrix} = A^{\mathsf T} :

de abstracte getransponeerde is de gekantelde matrix, en er blijft niets over dat op goed vertrouwen moet worden aangenomen. Let op het mechanisme: de jj-de kolom van AA werd de jj-de rij van de nieuwe matrix, omdat ψ∘u\psi \circ u de uitvoer van uu door de coëfficiënten van ψ\psi heen leest.

Lees in het hoofdstuk →