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Matemática · Glossário

O que é produto interno?

Também chamado de: espaço euclidiano · espaço de Hilbert

Definição 23.1 Matemática universitária — Graduação 1 · Capítulo 23 — Espaços Euclidianos

Um produto interno em EE é uma aplicação ⟨⋅,⋅⟩ ⁣:E×E→R\langle\cdot,\cdot\rangle \colon E \times E \to \R bilinear, simétrica e definida positiva (⟨x,x⟩>0\langle x, x\rangle > 0 para x≠0x \neq 0). Um espaço de dimensão finita assim munido é um espaço euclidiano. A norma de xx é ∥x∥=⟨x,x⟩\norm{x} = \sqrt{\langle x, x\rangle}, e d(x,y)=∥x−y∥d(x, y) = \norm{x - y}.

Exemplos

Exemplo 23.2

Em Rn\R^n: o produto canônico ⟨x,y⟩=∑xiyi\langle x, y\rangle = \sum x_i y_i. Em C([a, b])C(\intcc{a}{b}): ⟨f,g⟩=∫abfg\langle f, g \rangle = \int_a^b fg (a definição positiva é o Teorema 15.7 (4)). Em Rn[X]\R_n[X]: ⟨P,Q⟩=∫01PQ\langle P, Q\rangle = \int_0^1 PQ, ou ∑iP(xi)Q(xi)\sum_{i} P(x_i)Q(x_i) sobre n+1n+1 pontos distintos.

Exemplo 23.3 (O ângulo entre dois polinômios)

Uma vez escolhido um produto interno, quaisquer dois vetores não nulos têm um ângulo, via cos⁡θ=⟨x,y⟩∥x∥ ∥y∥\cos\theta = \frac{\langle x, y\rangle}{\norm x\,\norm y} (um cosseno legítimo, por Cauchy–Schwarz). Para XX e X2X^2 em ∫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 :

um ângulo de cerca de 14.514.5 graus — em [0, 1]\intcc{0}{1}, os gráficos de xx e x2x^2 são “quase paralelos” no sentido da média quadrática, e é por isso que remover essa direção comum (Gram–Schmidt, abaixo) deixa apenas a pequena correção X2−X+16X^2 - X + \frac16.

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.

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Definição 13.1 Matemática universitária — Graduação 3 · Capítulo 13 — Espaços de Hilbert

Um produto interno é uma aplicação ⟨⋅,⋅⟩ ⁣:H×H→K\langle \cdot,\cdot\rangle \colon H\times H \to K, linear na segunda variável, com ⟨y,x⟩=⟨x,y⟩‾\langle y, x\rangle = \overline{\langle x, y\rangle} e ⟨x,x⟩>0\langle x, x\rangle > 0 para x≠0x \neq 0. Ele induz a norma ∥x∥=⟨x,x⟩1/2\norm x = \langle x, x\rangle^{1/2}, a desigualdade de Cauchy–Schwarz ∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥∥y∥\abs{\langle x, y\rangle} \leq \norm x\norm y (a demonstração do segundo ano — o discriminante — não muda) e a lei do paralelogramo

∥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 .

Um espaço de Hilbert é um espaço com produto interno completo para essa norma. Exemplos: ℓ2\ell^2 (Problema 8.1) e, o fundamental, L2(μ)L^2(\mu) com ⟨f,g⟩=∫fˉg  ⁣dμ\langle f, g\rangle = \int\bar fg\,\dd\mu — completo por Riesz–Fischer (Teorema 12.4); o produto interno é finito por Cauchy–Schwarz (== Hölder em p=q=2p = q = 2).

Exemplos

Exemplo 13.5 (Uma projeção, calculada até o fim)

Em H=L2([0, 1])H = L^2(\intcc01), qual é a melhor aproximação de f(x)=x2f(x) = x^2 por uma função afim? O subespaço F=Vect⁡(1,x)F = \operatorname{Vect}(1, x) é fechado (tem dimensão finita), e pF(f)=a+bxp_F(f) = a + bx fica caracterizada pela ortogonalidade do resíduo a 11 e a xx:

∫01(x2−a−bx)  ⁣dx=0,∫01x (x2−a−bx)  ⁣dx=0,\int_0^1(x^2 - a - bx)\,\dd x = 0, \qquad \int_0^1x\,(x^2 - a - bx)\,\dd x = 0,

isto é, 13=a+b2\frac13 = a + \frac b2 e 14=a2+b3\frac14 = \frac a2 + \frac b3: a=−16a = -\frac16, b=1b = 1. Logo pF(x2)=x−16p_F(x^2) = x - \frac16, e o erro é

d(f,F)2=∫01(x2−x+16)2 ⁣dx=1180,d(f,F)=165.d(f, F)^2 = \int_0^1\Bigl(x^2 - x + \frac16\Bigr)^2\dd x = \frac1{180}, \qquad d(f, F) = \frac1{6\sqrt5} .

Duas observações que vale internalizar. Primeira: o cálculo não passa de um sistema linear 2×22\times2 — as equações normais; para a base monomial, sua matriz (1i+j+1)\bigl(\frac1{i+j+1}\bigr) é a notoriamente mal condicionada matriz de Hilbert, e ortogonalizar antes (polinômios de Legendre, Problema 13.1) é o remédio. Segunda: a melhor aproximação uniforme de x2x^2 por funções afins é outra (x−18x - \frac18, por equioscilação): cada norma tem sua própria geometria, e só a hilbertiana responde com um sistema linear.

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