Forme bilineari e prodotti scalari. Definizione Dato lo spazio vettoriale V (K) sul campo K, una funzione. b :

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1 Forme bilineari e prodotti scalari Definizione Dato lo spazio vettoriale V (K) sul campo K, una funzione b : { V V K ( v, w) b( v, w), si dice forma bilineare su V se per ogni u, v, w V e per ogni k K: b( u + v, w) = b( u, w) + b( v, w); b( u, v + w) = b( u, v) + b( u, w); b(k u, v) = kb( u, v) = b( u, k v). Definizione...simmetrica o prodotto scalare se per ogni v, w V b( v, w) = b( w, v).

2 Forme bilineari Teorema di rappresentazione Sia b una forma bilineare. Nelle ipotesi precedenti, sia B una base per V = V n (K) e x, y i vettori delle coordinate di v e w rispett., rispetto a B. Allora b( v, w) = x T A y, dove A è la matrice di b rispetto a B. Viceversa ogni matrice A individua una forma bilineare f, ponendo f ( v, w) = x T A y. Teorema b( v, w) = x T A y = polinomio omogeneo di II grado Una forma bilineare è simmetrica se e solo se lo è la matrice che la rappresenta. Definizione Uno spazio vettoriale su cui è assegnata una forma bilineare simmetrica si dice spazio metrico.

3 Forme quadratiche Definizione Sia b : V V K un prodotto scalare. L applicazione q : { V K v q( v) = b( v, v). è la forma quadratica associata al prodotto scalare b. q( v) = b( v, v) = x T A x = polinomio omogeneo di II grado nelle x 1,..., x n.

4 Forme bilineari Definizioni e caratterizzazioni Due vettori sono ortogonali se il loro prodotto scalare è nullo. Dato un sottoinsieme A di V, il suo complemento ortogonale è costituito da tutti e soli i vettori di V che sono ortogonali a tutti i vettori di A. Un prodotto scalare è regolare o non degenere se e solo se V = { 0} (radicale di V ). È degenere altrimenti. Equivalentemente è regolare se e solo se la matrice che lo rappresenta è non singolare. Definizioni Un vettore (che non sia 0) si dice isotropo se è ortogonale a se stesso. Anisotropo altrimenti. Se V contiene un vettore isotropo, si dice che V è uno spazio metrico isotropo. Se non contiene alcun vettore isotropo spazio metrico anisotropo.

5 Esercizio 1. In R 3, data la funzione f : { R 3 R 3 R ( v, w) xx + 2xy + 2x y + 3yy + zz, dove v 1 = (x, y, z), v 2 = (x, y, z ); a) dire se f è una forma bilineare; b) dire se f è un prodotto scalare; c) scrivere la matrice di f rispetto alla base canonica di R 3 ; d) dire se i vettori v = (1, 2, 4) e w = (0, 1, 2) sono ortogonali; e) determinare v ; f) scrivere la forma quadratica associata e stabilire se f è degenere; g) determinare l insieme I dei vettori isotropi di R 3.

6 Esercizio 2. Tema esame del 15 luglio 2009 Nello spazio vettoriale R 3 si consideri la forma bilineare b k, definita rispetto alla base canonica dalla matrice A k = 2 k k(k 2), dove k è un parametro reale. a) Determinare i valori di k per cui b k è un prodotto scalare; b) per ciascuno dei valori determinati al punto precedente, determinare la dimensione per il radicale di b k e, se esiste, una sua base; c) posto: k = 1, v = (1, 0, 1), w = (1, 1, 1) determinare il complemento ortogonale di < v > e di < w >, rispetto a b 1.

7 Esercizio 3. Date le forme quadratiche a) su R 3, q(x, y, z) = x 2 3xy + 4y 2, b) su R 4, q(x, y, z, t) = xy, c) su R 4, q(x, y, z, t) = 2xy zt, d) su R 3, q(x, y, z) = x 2 5xy + z 2, determinare il prodotto scalare a cui sono associate e la matrice rispetto alla base canonica. Proposizione Se b : V V K è un prodotto scalare su V, la forma quadratica q : { V K v q( v) = b( v, v) gode delle seguenti proprietà: a) per ogni λ K, per ogni v V : q(λ v) = λ 2 q( v); b) se la caratteristica del campo è diversa da 2, 2b( v, w) = q( v + w) q( v) q( w).

8 Decomposizioni Proprietà Sia V n (R) uno spazio metrico e sia U un suo sottospazio. Allora: dim U + dim U dim V ; se il prodotto scalare è regolare, dim U + dim U = dim V ; se il prodotto scalare è regolare e U è regolare (cioè U U = { 0}), allora U U ( = V, da cui U ) = U; se v V è anisotropo, < v > è regolare.

9 Esercizio 4. Sia f : Mat 2 (R) Mat 2 (R) R tale che (( ) ( )) ( ) ( ) x y x y f, z t z t = xx +yy x y x y, z t z t Mat 2 (R). a) Verificare che f è un prodotto scalare e scriverne la matrice rispetto alla base ( ( ) ( ) ( ) ( )) B = E 1 =, E =, E =, E =. 0 1 b) Scrivere una base per il radicale V. c) Posto A =< E 1, E 2 >, determinare A, ( A ), < A > A, < A > + A. Il complemento ortogonale di V non è banale, per cui f è degenere. Si ha che: dim A + dim A > dim V, quindi la somma A + A non è diretta e ( A ) A.

10 Esercizio 5. Siano V = R 4 e f : R 4 R 4 R il prodotto scalare definito da: f ((x, y, z, t), (x, y, z, t )) = 1 2 xt x t yz y z, (x, y, z, t), (x, y, z, t ) R 4. Siano inoltre: U =< (1, 0, 0, 0), (0, 1, 0, 0) >, W =< (1, 0, 0, 0), (0, 1, 0, 0), (0, 0, 1, 0) > e Z =< (1, 0, 0, 0), (0, 0, 0, 1) >. a) Stabilire se f è regolare o degenere. b) Stabilire se U è regolare; determinare U e ( U ). Fare lo stesso per W e per Z. f è regolare. I sottospazi U e W non sono regolari, per cui, nonostante dim U + dim U = dim V e dim W + dim W = dim V, ciascuno sottospazio non è in somma diretta con il proprio complemento ortogonale. Z, invece, è un sottospazio regolare per cui oltre al fatto che dim Z + dim Z = dim Z, si ha anche Z Z = V.

11 Esercizio 6. Dire se i prodotti scalari a) f : R 3 R 3 R tale che f ((x, y, z), (x, y, z )) = 2xx + xy + x y + yy + zz b) f : Mat 2 (R) Mat 2 (R) R tale che (( ) ( )) x y x y f, z t z t = xx + yy sono definiti positivi. Definizione definito positivo o euclideo se v V : q( v) > 0; definito negativo se v V : q( v) < 0; semidefinito positivo se v V : q( v) 0; semidefinito negativo se v V : q( v) 0; indefinito altrimenti, cioè se v 1, v 2 V : q( v 1 ) < 0 < q( v 2 )....oppure determinare gli autovalori!

12 Esercizio In R 3 sia M = la matrice del prodotto scalare f rispetto alla base canonica. Posto A = {(0, k, 0), (k, 2k, 1), (2k, k, 0)}, determinare una base e la dimensione di A, al variare del parametro reale k. Se V n (R) è uno spazio euclideo (con prodotto scalare euclideo), allora ogni vettore è anisotropo; per ogni sottoinsieme A di V n (R) si ha < A > A = V n (R).

13 Esercizio 8. Nello spazio vettoriale R 4 sia un prodotto scalare. Posto f ((x, y, z, t), (x, y, z, t )) = xx tt A = {(k, 0, 1, k), (k, 0, k, k)}, determinare una base e la dimensione di A. Attenzione: il prodotto scalare f non è euclideo, quindi non è più vero che < A > A = V n (R) = R 3.

14 Esercizio 9. Dato il prodotto scalare euclideo su R 3 q(x, y, z) = x 2 + (x + y + z) 2 + z 2, determinare la norma dei seguenti vettori: v 1 = (1, 2, 3), v 2 = (0, 1, 1), v 3 = (1, 0, 0). Definizione Sia v V (R) e sia un prodotto scalare euclideo. Si definisce norma del vettore v lo scalare v = v v.

15 Esercizio 10. Nello spazio vettoriale R 3 si costruisca una base ortogonale rispetto al prodotto scalare f ((x, y, z), (x, y, z )) = xx + yy + zz + xy + x y + yz + y z. Definizione Una base B = ( e 1,..., e n ) dello spazio vettoriale metrico (V n (K), ) si dice ortogonale o diagonalizzante rispetto al prodotto scalare se per ogni i, j = 1,..., n con i j, vale: e i e j = 0. Gram-Schmidt (se prodotto scalare euclideo): e 1 = e 1, e 2 = e 2 e 2 e 1 q( e 1 ) e 1 e n = e n e n e n 1 q( e n 1 ) e n 1 e n e 1 e q( e 1 ) 1.

16 Esercizio 11. Tema esame del 1 aprile 2004 Nello spazio vettoriale R 3 è data la funzione ϕ tale che, per ogni coppia di vettori v = (x, y, z), v = (x, y, z ) R 3, si ha h, k R, ϕ( v, v ) = hxx +hxz +kyy +(h 2 h+1)yz +h 2 zx +(k 2)x +zy +2zz. Determinare per quali valori di h e k: a) ϕ è una forma bilineare; b) ϕ è un prodotto scalare; c) ϕ è un prodotto scalare definito positivo. Nei casi in cui ϕ è un prodotto scalare: d) verificare se la base canonica di R 3 è ortogonale; in caso di risposta negativa, ortogonalizzarla; e) costruire il sottoinsieme U dei vettori di R 3 isotropi rispetto a ϕ; verificare se U è sottospazio vettoriale di R 3 ; f) stabilire se esistono valori dei parametri per i quali R 3 ammette una base ortonormale; in caso di risposta positiva, determinare una tale base.

17 Esercizio 12. Tema esame del 17 marzo 2005 Nello spazio vettoriale R 3 sia ϕ : R 3 R 3 R la funzione tale che v = (x, y, z), v = (x, y, z ) R 3 si ha h, k, R, ϕ( v, v ) = (h + k)xx + h 2 xy + hyx + hyy + hxz + (k 1)x+ +h 3 zx + (h + k)zz + (h k)yz + (h k)zy. Stabilire per quali valori di h e k la funzione: a) ϕ è una forma bilineare; b) ϕ è un prodotto scalare; c) ϕ è un prodotto scalare definito positivo. Nei casi in cui ϕ è un prodotto scalare: d) verificare se la base canonica di R 3 è ortogonale; in caso di risposta negativa, ortogonalizzarla; e) costruire, se possibile, una base ortonormale che contenga il vettore (0, 1, 0).