Todos os livros

Profissional

Apps Sobre Coach Entrar Começar a ler

Matemática · Glossário

O que é família ortonormal?

Definição 23.5 Matemática universitária — Graduação 1 · Capítulo 23 — Espaços Euclidianos

x⊥yx \perp y quando ⟨x,y⟩=0\langle x, y \rangle = 0. Uma família é ortogonal quando os seus vetores são dois a dois ortogonais, e ortonormal quando, além disso, cada um tem norma 11. O complemento ortogonal de um subespaço FF é

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

um subespaço de EE.

Exemplos

Exemplo 23.7 (Coordenadas ortonormais, com uma verificação de Parseval)

Desenvolva x=(1,2,3)x = (1, 2, 3) na base ortonormal do Exercício 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).

Nenhum sistema a resolver — três produtos internos:

⟨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}.

Certificação pela fórmula da norma da proposição:

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 .

Esta verificação por soma dos quadrados das coordenadas (uma identidade de Parseval finita) custa segundos e pega erros de sinal e de normalização com quase certeza — torne-a um hábito sempre que calcular um desenvolvimento ortonormal; a sua versão em dimensão infinita, para os coeficientes de Fourier do Exemplo 23.14, é um teorema do volume do terceiro ano de graduação.

Exemplo 23.9 (Gram–Schmidt sobre polinômios, por extenso)

Ortonormalize (1,X,X2)(1, X, X^2) em R2[X]\R_2[X] com ⟨P,Q⟩=∫01PQ\langle P, Q\rangle = \int_0^1 PQ. Passo 1: ∥1∥2=1\norm{1}^2 = 1, logo e1=1e_1 = 1. Passo 2: w2=X−⟨X,1⟩ 1=X−12w_2 = X - \langle X, 1\rangle\,1 = X - \frac12, e ∥w2∥2=∫01(x−12)2 ⁣dx=112\norm{w_2}^2 = \int_0^1\bigl(x - \frac12\bigr)^2 \dd x = \frac1{12}: e2=12 (X−12)e_2 = \sqrt{12}\,\bigl(X - \frac12\bigr). Passo 3: ⟨X2,e1⟩=13\langle X^2, e_1\rangle = \frac13 e

⟨X2,e2⟩=12∫01x2(x−12) ⁣dx=1212,logow3=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{logo}\qquad w_3 = X^2 - \frac13 - \Bigl(X - \frac12\Bigr) = X^2 - X + \frac16 .

A sua norma foi calculada no Exercício 23.9: ∥w3∥2=1180\norm{w_3}^2 = \frac1{180}, donde e3=180 (X2−X+16)e_3 = \sqrt{180}\,\bigl(X^2 - X + \frac16\bigr). Os polinômios 11, X−12X - \frac12, X2−X+16X^2 - X + \frac16 são, a menos de escala, os primeiros polinômios de Legendre do intervalo [0, 1]\intcc{0}{1}; a construção prossegue um grau de cada vez, cada novo polinômio ortogonal a todos os seus antecessores. Note como o algoritmo reaproveita o trabalho anterior: a projeção subtraída no passo 3 é exatamente a melhor aproximação afim de X2X^2 encontrada no Exemplo 23.12 — Gram–Schmidt é projeção ortogonal iterada.

Exemplo 23.11 (As projeções nunca alongam)

Aplicando Pitágoras à decomposição 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 ,

com igualdade se e somente se x∈Fx \in F. Numa base ortonormal (e1,…,ek)(e_1, \dots, e_k) de FF isto lê-se ∑i≤k⟨x,ei⟩2≤∥x∥2\sum_{i \leq k}\langle x, e_i\rangle^2 \leq \norm x^2 (uma desigualdade de Bessel): por mais direções ortonormais que se meçam, as coordenadas ao quadrado nunca ultrapassam o comprimento ao quadrado — compare com a igualdade exata do Exemplo 23.7 quando a família é uma base completa. Esta desigualdade de uma linha é o que torna somáveis os coeficientes de Fourier no volume do terceiro ano de graduação; aqui ela já explica por que acrescentar mais funções de base a um ajuste de mínimos quadrados só pode diminuir o resíduo.

Ler no capítulo →