Jeroen's Studie Archief
Lineaire algebra 12 september 2024

Inproduct

Definitie

Voor vectoren a,b0a, b \neq 0 met hoek θ\theta tussen aa en bb zodat 0θπ0\leq\theta\leq\pi, is het inproduct van aa en bb, notatie aba \cdot b, gelijk aan abcos(θ)|a||b|\cos(\theta).

Omdat cos(12π)=0cos(\frac12\pi)=0, volgt dat ab    ab=0a \perp b \iff a \cdot b = 0. Twee vectoren die loodrecht op elkaar staan, heten orthogonaal.

We spreken af dat als a=0a=0 of b=0b=0, ook geldt dat ab=0a \cdot b = 0.

Hoek θ\theta

De cosinusregel zegt dat voor driehoek ΔABC\Delta ABC met θ=BAC\theta = \angle BAC geldt:

BC2=AB2+AC22ABcos(θ) BC^2 = AB^2 + AC^2 - 2 \cdot AB \cdot \cos(\theta)

Stelling

Voor vectoren x=(x1,x2,x3)x = (x_1, x_2, x_3) en y=(y1,y2,y3)y = (y_1, y_2, y_3) geldt xy=x1y1+x2y2+x3y3x \cdot y = x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3.

Bewijs

In driehoek ΔABC\Delta ABC, neem x=ABx = AB en y=ACy = AC. Dan is yx=BCy - x = BC. Hieruit volgt dan:

yx2=x2+y22xycos(θ) |y-x|^2 = |x|^2 + |y|^2 - 2|x||y|\cos(\theta)

Maar yx2|y-x|^2 is ook gelijk aan:

yx2=(y1x1)2+(y2x2)2+(y3x3)2=x12+x22+x32+y12+y22+y322(x1y1+x2y2+x3y3)=x2+y22(x1y1+x2y2+x3y3) \begin{aligned} |y-x|^2 &= (y_1-x_1)^2 + (y_2-x_2)^2 + (y_3 - x_3)^2 \\ &= x_1^2 + x_2^2 + x_3^2 + y_1^2 + y_2^2 + y_3^2 - 2(x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3) \\ &= |x|^2 + |y|^2 - 2(x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3) \end{aligned}

Hieruit volgt dat:

x2+y22xycos(θ)=x2+y22(x1y1+x2y2+x3y3) |x|^2 + |y|^2 - 2|x||y|\cos(\theta) = |x|^2 + |y|^2 - 2(x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3)

xycos(θ)=x1y1+x2y2+x3y3=xy |x||y|\cos(\theta) = x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3 = x \cdot y

QED.

Met deze stelling kun je de hoek θ\theta tussen vectoren xx en yy berekenen met:

cos(θ)=xyxy=x1y1+x2y2+x3y3x12+x22+x32y12+y22+y32 \cos(\theta) = \frac{x \cdot y}{|x||y|} = \frac{x_1y_1 + x_2y_2 + x_3y_3}{\sqrt{x_1^2 + x_2^2 + x_3^2} \cdot \sqrt{y_1^2 + y_2^2 + y_3^2}}

Rekenregels voor inproducten

Voor vectoren x,y,zx,y,z en een getal λR\lambda\in\R gelden de volgende regels:

  • xy=yx x \cdot y = y \cdot x
  • (λx)y=λ(xy) (\lambda x) \cdot y = \lambda(x \cdot y)
  • (x+y)z=xz+yz (x + y) \cdot z = x \cdot z + y \cdot z
  • xx0 x \cdot x \ge 0 en xx    x=0 x \cdot x \iff x = 0

Vlakken en normaalvectoren

Definitie

Een normaalvector van een vlak VV is een vector die loodrecht staat op dat vlak VV.

Neem een vlak VV en een normaalvector nn van dat vlak. Neem verder een vector pp van de oorsprong OO naar het vlak VV. Dan geldt voor iedere vector xx van OO naar VV dat xpx-p op het vlak ligt, dus n(xp)=0 n \cdot (x-p) = 0 , ofwel:

nx=np n \cdot x = n \cdot p

Deze vergelijking voor xx is een vergelijking voor het vlak VV.

Multi-dimensionaal

Voor vectoren x,yRnx,y\in\R^n spreken we de volgende regels af:

  • xy=x1y1+x2y2+...+xnyn x \cdot y = x_1y_1 + x_2y_2 + ... + x_ny_n
  • x=xx |x| = \sqrt{x \cdot x}
  • xy=xycos(θ) x \cdot y = |x||y|\cos(\theta) , met 0θπ0 \leq \theta \leq \pi de "hoek" tussen xx en yy.

Ongelijkheid van Schwarz

Stelling

Voor twee vectoren x,yRnx,y\in\R^n geldt

xyxy |x \cdot y| \leq |x||y|

Bewijs

Omdat xx0x \cdot x \ge 0 geldt voor elke λR\lambda \in \R:

(λx+y)(λx+y)0 (\lambda x + y)\cdot(\lambda x + y) \ge 0

λ2xx+λxy+λyx+yy0 \lambda^2 x \cdot x + \lambda x \cdot y + \lambda y \cdot x + y \cdot y \ge 0

λ2x2+2λxy+y20 \lambda^2 |x|^2 + 2\lambda x \cdot y + |y|^2 \ge 0

Dit is een kwadratische functie in λ\lambda die groter is dan of gelijk is aan 00. Er zijn dus nul of één oplossingen, waaruit volgt dat de discriminant kleiner of gelijk is aan 00.

4(xy)24x2y20 4(x \cdot y)^2 - 4|x|^2|y|^2 \le 0

(xy)2x2y2 (x \cdot y)^2 \le |x|^2 |y|^2

xyxy x \cdot y \le |x||y|

QED.

Gemaakt door Jeroen van Rensen.