Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Matematika I – 12a Euklidovská geometrie Jan Slovák Masarykova univerzita Fakulta informatiky 3. 12. 2012 Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Obsah přednášky 1 Euklidovské prostory 2 Odchylky podprostorů 3 Standardní úlohy 4 Objemy Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Plán přednášky 1 Euklidovské prostory 2 Odchylky podprostorů 3 Standardní úlohy 4 Objemy Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Již jsme se vzdálenostmi pracovali s pomocí skalárních součinů ve vektorových prostorech. V analytické geometrii lze takto: Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Již jsme se vzdálenostmi pracovali s pomocí skalárních součinů ve vektorových prostorech. V analytické geometrii lze takto: Definition Standardní bodový euklidovský prostor En je afinní prostor An, jehož zaměřením je standardní euklidovský prostor Rn se skalárním součinem x, z = xT · y. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Již jsme se vzdálenostmi pracovali s pomocí skalárních součinů ve vektorových prostorech. V analytické geometrii lze takto: Definition Standardní bodový euklidovský prostor En je afinní prostor An, jehož zaměřením je standardní euklidovský prostor Rn se skalárním součinem x, z = xT · y. Kartézská souřadná soustava je afinní souřadná soustava (A0; u) s ortonormální bazí u. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Již jsme se vzdálenostmi pracovali s pomocí skalárních součinů ve vektorových prostorech. V analytické geometrii lze takto: Definition Standardní bodový euklidovský prostor En je afinní prostor An, jehož zaměřením je standardní euklidovský prostor Rn se skalárním součinem x, z = xT · y. Kartézská souřadná soustava je afinní souřadná soustava (A0; u) s ortonormální bazí u. Vzdálenost bodů A, B ∈ En definujeme jako velikost vektoru B − A , budeme ji značit ρ(A, B). Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Již jsme se vzdálenostmi pracovali s pomocí skalárních součinů ve vektorových prostorech. V analytické geometrii lze takto: Definition Standardní bodový euklidovský prostor En je afinní prostor An, jehož zaměřením je standardní euklidovský prostor Rn se skalárním součinem x, z = xT · y. Kartézská souřadná soustava je afinní souřadná soustava (A0; u) s ortonormální bazí u. Vzdálenost bodů A, B ∈ En definujeme jako velikost vektoru B − A , budeme ji značit ρ(A, B). Euklidovské podprostory v En jsou afinní podprostory jejichž zaměření uvažujeme spolu se zúženými skalárními součiny. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Theorem (jednoduché vlastnosti skalárních součinů) Pro každé vektory u a v, které leží v reálném vektorovém prostoru V se skalárním součinem, platí 1 u + v ≤ u + v (trojúhelníková nerovnost). Přitom rovnost nastane právě, když jsou u a v lineárně závislé. 2 |u · v| ≤ u v (Cauchyova nerovnost). Přitom rovnost nastane právě, když jsou u a v lineárně závislé. 3 pro každý ortonormální systém vektorů (e1, . . . , ek) platí u 2 ≥ |u · e1|2 + · · · + |u · ek|2 (Besselova nerovnost). 4 Pro ortonormální systém vektorů (e1, . . . , ek) je u ∈ e1, . . . , ek právě když u 2 = |u · e1|2 + · · · + |u · ek|2 (Parsevalova rovnost). 5 Pro ortonormální systém vektorů (e1, . . . , ek) a u ∈ V je vektor w = (u · e1)e1 + · · · + (u · ek)ek jediným vektorem, který minimalizuje velikost u − v pro všechny v ∈ e1, . . . , ek . K důkazům se vrátíme ve středu (jsou v textech). Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Theorem (jednoduché důsledky pro euklidovskou geometrii) Pro body A, B, C ∈ En platí 1 ρ(A, B) = ρ(B, A) 2 ρ(A, B) = 0 právě, když A = B 3 ρ(A, B) + ρ(B, C) ≥ ρ(A, C) 4 V každé kartézké souřadné soustavě (A0; e) mají body A = A0 + a1e1 + · · · + anen, B = A0 + b1e1 + · · · + bnen vzdálenost n i=1(ai − bi )2. 5 Pro podprostory R a Q v En existují bod P ∈ Q a Q ∈ R minimalizující vzdálenosti bodů B ∈ Q a A ∈ R. Vzdálenost bodů Q a P je rovna velikosti kolmého průmětu vektoru A − B do Z(Q)⊥ pro libovolné body B ∈ Q a A ∈ R. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Speciálním případem posledního bodu je tvrzení: Je–li dán bod A a podprostor Q v En, pak existuje bod P ∈ Q minimalizující vzdálenosti bodů Q od A. Vzdálenost bodů A a P je rovna velikosti kolmého průmětu vektoru A − B do Z(Q)⊥ pro libovolný B ∈ Q. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Speciálním případem posledního bodu je tvrzení: Je–li dán bod A a podprostor Q v En, pak existuje bod P ∈ Q minimalizující vzdálenosti bodů Q od A. Vzdálenost bodů A a P je rovna velikosti kolmého průmětu vektoru A − B do Z(Q)⊥ pro libovolný B ∈ Q. Vektor A − B se jednoznačně rozkládá na A − B = u1 + u2, u1 ∈ Z(Q), u2 ∈ Z(Q)⊥. Přitom u2 nezávisí na volbě B ∈ Q, P = A + (−u2) = B + u1 ∈ Q a A − B 2 = u1 2 + u2 2 ≥ u2 2 = A − P . Odtud již vyplývá, že minima je skutečně dosaženo, a to pro bod P. Vypočtená vzdálenost je skutečně u2 . Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Příklad – vzdálenost přímek Určete vzdálenost přímek v R3. p : [1, −1, 0] + t(−1, 2, 3), a q : [2, 5, −1] + t(−1, −2, 1). Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Příklad – vzdálenost přímek Určete vzdálenost přímek v R3. p : [1, −1, 0] + t(−1, 2, 3), a q : [2, 5, −1] + t(−1, −2, 1). Vzdálenost je dána jako velikost kolmého průmětu libovolné příčky (spojnice) daných přímek do ortogonálního doplňku vektorového podprostoru generovaného jejich zaměřeními. Tento ortogonální doplněk je: (−1, 2, 3), (−1, −2, 1) ⊥ = (8, −2, 4) = (4, −1, 2) . Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Příklad – vzdálenost přímek Určete vzdálenost přímek v R3. p : [1, −1, 0] + t(−1, 2, 3), a q : [2, 5, −1] + t(−1, −2, 1). Vzdálenost je dána jako velikost kolmého průmětu libovolné příčky (spojnice) daných přímek do ortogonálního doplňku vektorového podprostoru generovaného jejich zaměřeními. Tento ortogonální doplněk je: (−1, 2, 3), (−1, −2, 1) ⊥ = (8, −2, 4) = (4, −1, 2) . Spojnicí daných přímek je například úsečka [1, −1, 0][2, 5, −1], promítneme tedy vektor [1, −1, 0] − [2, 5, −1] = (−1, −6, 1). Pro vzdálenost přímek pak dostáváme: ρ(p, q) = |(−1, −6, 1) · (4, −1, 2)| (4, −1, 2) = 4 √ 21 . Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Plán přednášky 1 Euklidovské prostory 2 Odchylky podprostorů 3 Standardní úlohy 4 Objemy Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Geometrické pojmy jako odchylky, orientace, objem apod. jsou v bodových prostorech En zaváděny prostřednictvím vhodných pojmů ve vektorových euklidovských prostorech. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Geometrické pojmy jako odchylky, orientace, objem apod. jsou v bodových prostorech En zaváděny prostřednictvím vhodných pojmů ve vektorových euklidovských prostorech. Z Cauchyovy nerovnosti plyne 0 ≤ |u·v| u v ≤ 1, má tedy smysl následující definice. Definition Odchylka ϕ(u, v) vektorů u, v ∈ V v reálném vektorovém prostoru se skalárním součinem je dána vztahem cos ϕ(u, v) = u · v u v , 0 ≤ ϕ(u, v) ≤ 2π. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Geometrické pojmy jako odchylky, orientace, objem apod. jsou v bodových prostorech En zaváděny prostřednictvím vhodných pojmů ve vektorových euklidovských prostorech. Z Cauchyovy nerovnosti plyne 0 ≤ |u·v| u v ≤ 1, má tedy smysl následující definice. Definition Odchylka ϕ(u, v) vektorů u, v ∈ V v reálném vektorovém prostoru se skalárním součinem je dána vztahem cos ϕ(u, v) = u · v u v , 0 ≤ ϕ(u, v) ≤ 2π. V rovině R2 pro odchylku vektorů na jednotkové kružnici u = (1, 0), v = (cos ϕ, sin ϕ) skutečně platí cos ϕ = u·v u v . Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Geometrické pojmy jako odchylky, orientace, objem apod. jsou v bodových prostorech En zaváděny prostřednictvím vhodných pojmů ve vektorových euklidovských prostorech. Z Cauchyovy nerovnosti plyne 0 ≤ |u·v| u v ≤ 1, má tedy smysl následující definice. Definition Odchylka ϕ(u, v) vektorů u, v ∈ V v reálném vektorovém prostoru se skalárním součinem je dána vztahem cos ϕ(u, v) = u · v u v , 0 ≤ ϕ(u, v) ≤ 2π. V rovině R2 pro odchylku vektorů na jednotkové kružnici u = (1, 0), v = (cos ϕ, sin ϕ) skutečně platí cos ϕ = u·v u v . Odchylka je nezávislá na velikostech a vhodnou rotací dosáhneme toho, že jeden z dvojice vektorů má tvar (x1, 0). Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Geometrické pojmy jako odchylky, orientace, objem apod. jsou v bodových prostorech En zaváděny prostřednictvím vhodných pojmů ve vektorových euklidovských prostorech. Z Cauchyovy nerovnosti plyne 0 ≤ |u·v| u v ≤ 1, má tedy smysl následující definice. Definition Odchylka ϕ(u, v) vektorů u, v ∈ V v reálném vektorovém prostoru se skalárním součinem je dána vztahem cos ϕ(u, v) = u · v u v , 0 ≤ ϕ(u, v) ≤ 2π. V rovině R2 pro odchylku vektorů na jednotkové kružnici u = (1, 0), v = (cos ϕ, sin ϕ) skutečně platí cos ϕ = u·v u v . Odchylka je nezávislá na velikostech a vhodnou rotací dosáhneme toho, že jeden z dvojice vektorů má tvar (x1, 0).Ve vícerozměrných prostorech je odchylka dvou vektorů vždy měřena v rovině, kterou tyto vektory generují (nebo je nula). Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy V libovolném reálném vektorovém prostoru se skalárním součinem přímo z definic plyne u−v 2 = u 2 + v 2 −2(u·v) = u 2 + v 2 −2 u v cos ϕ(u, v). To je tzv. kosinová věta. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy V libovolném reálném vektorovém prostoru se skalárním součinem přímo z definic plyne u−v 2 = u 2 + v 2 −2(u·v) = u 2 + v 2 −2 u v cos ϕ(u, v). To je tzv. kosinová věta. Dále platí pro každou ortonormální bázi e a u ∈ V vztah u 2 = i |u · ei |2, tj. 1 = i (cos ϕ(u, ei ))2 , což je obvyklé tvrzení o směrových kosinech ϕ(u, ei ) vektoru u. Z definice odchylek vektorů nyní můžeme dovodit rozumné definice pro obecné podprostory v každém euklidovském vektorovém prostoru. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Definition Nechť U1, U2 jsou podprostory v euklidovském prostoru V . Odchylka podprostorů U1, U2 je reálné číslo α = ϕ(U1, U2) ∈ [0, π 2 ] splňující: (1) Je-li dim U1 = dim U2 = 1, U1 = u , U2 = v , pak cos α = |u.v| u v . (2) Jsou-li dimenze U1, U2 kladné a U1 ∩ U2 = {0}, pak je odchylka minimem všech odchylek jednorozměrných podprostorů α = min{ϕ( u , v ); 0 = u ∈ U1, 0 = v ∈ U2}. Ukážeme v zápětí, že takové minimum skutečně vždy existuje. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Definition (pokračování) (3) Je-li U1 ⊂ U2 nebo U2 ⊂ U1 (zejména je-li jeden z nich nulový), je α = 0. (4) Je-li U1 ∩ U2 = {0} a U1 = U1 ∩ U2 = U2, pak α = ϕ(U1 ∩ (U1 ∩ U2)⊥ , U2 ∩ (U1 ∩ U2)⊥ ). Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Definition (pokračování) (3) Je-li U1 ⊂ U2 nebo U2 ⊂ U1 (zejména je-li jeden z nich nulový), je α = 0. (4) Je-li U1 ∩ U2 = {0} a U1 = U1 ∩ U2 = U2, pak α = ϕ(U1 ∩ (U1 ∩ U2)⊥ , U2 ∩ (U1 ∩ U2)⊥ ). Odchylka podprostorů Q1, Q2 v bodovém euklidovském prostoru En se definuje jako odchylka jejich zaměření Z(Q1), Z(Q2). Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Definition (pokračování) (3) Je-li U1 ⊂ U2 nebo U2 ⊂ U1 (zejména je-li jeden z nich nulový), je α = 0. (4) Je-li U1 ∩ U2 = {0} a U1 = U1 ∩ U2 = U2, pak α = ϕ(U1 ∩ (U1 ∩ U2)⊥ , U2 ∩ (U1 ∩ U2)⊥ ). Odchylka podprostorů Q1, Q2 v bodovém euklidovském prostoru En se definuje jako odchylka jejich zaměření Z(Q1), Z(Q2). Všimněme si, že odchylka je vždy dobře definována, zejména v posledním případě je (U1 ∩ (U1 ∩ U2)⊥ ) ∩ (U2 ∩ (U1 ∩ U2)⊥ ) = {0} můžeme tedy opravdu odchylku určit podle bodu (2). Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Lemma Nechť v je vektor v euklidovském prostoru V a U ⊂ V libovolný podprostor. Označme v1 ∈ U, v2 ∈ U⊥ (jednoznačně určené) komponenty vektoru v, tj. v = v1 + v2. Pak pro odchylku ϕ podprostoru generovaného v od U platí cos ϕ( v , U) = cos ϕ( v , v1 ) = v1 v . Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Lemma Nechť v je vektor v euklidovském prostoru V a U ⊂ V libovolný podprostor. Označme v1 ∈ U, v2 ∈ U⊥ (jednoznačně určené) komponenty vektoru v, tj. v = v1 + v2. Pak pro odchylku ϕ podprostoru generovaného v od U platí cos ϕ( v , U) = cos ϕ( v , v1 ) = v1 v . Výpočet odchylek v obecných dimenzích je snadno spočitatelný pomocí výpočtu zkracování vlastních vektorů při dvou kolmých projekcí mezi prostory, odvodíme ve středu, viz texty k přednáškám. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Plán přednášky 1 Euklidovské prostory 2 Odchylky podprostorů 3 Standardní úlohy 4 Objemy Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy 1. Najděte vzdálenost bodu A ∈ En od podprostoru Q ⊂ En. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy 1. Najděte vzdálenost bodu A ∈ En od podprostoru Q ⊂ En. 2. V E2 veďte bodem A přímku q svírající s danou přímkou p daný úhel Najdeme vektor u ∈ R2 ležící v zaměření přímky q a zvolíme vektor v mající od u zadanou odchylku. Hledaná přímka je dána bodem A a zaměřením v . Úloha má dvě nebo jedno řešení. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy 1. Najděte vzdálenost bodu A ∈ En od podprostoru Q ⊂ En. 2. V E2 veďte bodem A přímku q svírající s danou přímkou p daný úhel Najdeme vektor u ∈ R2 ležící v zaměření přímky q a zvolíme vektor v mající od u zadanou odchylku. Hledaná přímka je dána bodem A a zaměřením v . Úloha má dvě nebo jedno řešení. 3. Spočtěte patu kolmice vedené bodem na daný podprostor. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy 1. Najděte vzdálenost bodu A ∈ En od podprostoru Q ⊂ En. 2. V E2 veďte bodem A přímku q svírající s danou přímkou p daný úhel Najdeme vektor u ∈ R2 ležící v zaměření přímky q a zvolíme vektor v mající od u zadanou odchylku. Hledaná přímka je dána bodem A a zaměřením v . Úloha má dvě nebo jedno řešení. 3. Spočtěte patu kolmice vedené bodem na daný podprostor. 4. V E3 určete vzdálenost dvou přímek p, q. Zvolíme libovolně jeden bod z každé přímky, A ∈ p, B ∈ q. Komponenta vektoru A − B v ortogonálním doplňku (Z(p) + Z(q))⊥ má velikost rovnu vzdálenosti p a q. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy 1. Najděte vzdálenost bodu A ∈ En od podprostoru Q ⊂ En. 2. V E2 veďte bodem A přímku q svírající s danou přímkou p daný úhel Najdeme vektor u ∈ R2 ležící v zaměření přímky q a zvolíme vektor v mající od u zadanou odchylku. Hledaná přímka je dána bodem A a zaměřením v . Úloha má dvě nebo jedno řešení. 3. Spočtěte patu kolmice vedené bodem na daný podprostor. 4. V E3 určete vzdálenost dvou přímek p, q. Zvolíme libovolně jeden bod z každé přímky, A ∈ p, B ∈ q. Komponenta vektoru A − B v ortogonálním doplňku (Z(p) + Z(q))⊥ má velikost rovnu vzdálenosti p a q. 5. V E3 najděte osu dvou mimoběžek p a q: Nechť η je rovina generovaná jedním bodem A ∈ p a součtem Z(p) + (Z(p) + Z(q))⊥. Pak průnik η ∩ q spolu se zaměřením (Z(p) + Z(q))⊥ dávají parametrický popis hledané osy. (Prověřte, kolik má úloha obecně řešení!) Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Plán přednášky 1 Euklidovské prostory 2 Odchylky podprostorů 3 Standardní úlohy 4 Objemy Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Orientovaný (bodový) euklidovský prostor je euklidovský bodový prostor, jehož zaměření je orientované. V dalším budeme uvažovat standardní En spolu s orientací zadanou standardní bazí Rn. Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Orientovaný (bodový) euklidovský prostor je euklidovský bodový prostor, jehož zaměření je orientované. V dalším budeme uvažovat standardní En spolu s orientací zadanou standardní bazí Rn. Nechť u1, . . . , uk, jsou libovolné vektory v zaměření Rn, A ∈ En je libovolný bod. Rovnoběžnostěn Pk(A; u1, . . . , uk) ⊂ En je množina Pk(A; u1, . . . , uk) = {A+c1u1+· · ·+ckuk; 0 ≤ ci ≤ 1, i = 1, . . . , k}. Jsou-li vektory u1, . . . , uk nezávislé, jde o k–rozměrný rovnoběžnostěn Pk(A; u1 . . . , uk) ⊂ En. Pro dané vektory u1, . . . , uk máme k dispozici také rovnoběžnostěny menších dimenzí P1(A; u1), . . . , Pk(A; u1, . . . , uk) v euklidovských podprostorech A + u1 , . . . , A + u1, . . . , uk . Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Jsou-li u1, . . . , uk lineárně závislé definujeme objem Vol Pk = 0. Pro nezávislé vektory pak platí u1, . . . , uk = u1, . . . , uk−1 ⊕ ( u1, . . . , uk−1 ⊥ ∩ u1, . . . , uk ). Navíc v tomto rozkladu se uk jednoznačně vyjádří jako uk = uk + ek, kde ek ⊥ u1, . . . , uk−1 . Absolutní hodnotu objemu definujeme induktivně: | Vol |P1(A; u1) = u1 | Vol |Pk(A; u1, . . . , uk) = ek | Vol |P(A; u1, . . . , uk−1). Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Jsou-li u1, . . . , uk lineárně závislé definujeme objem Vol Pk = 0. Pro nezávislé vektory pak platí u1, . . . , uk = u1, . . . , uk−1 ⊕ ( u1, . . . , uk−1 ⊥ ∩ u1, . . . , uk ). Navíc v tomto rozkladu se uk jednoznačně vyjádří jako uk = uk + ek, kde ek ⊥ u1, . . . , uk−1 . Absolutní hodnotu objemu definujeme induktivně: | Vol |P1(A; u1) = u1 | Vol |Pk(A; u1, . . . , uk) = ek | Vol |P(A; u1, . . . , uk−1). Je-li u1, . . . , un báze kompatibilní s orientací V , definujeme (orientovaný) objem rovnoběžnostěnu Vol Pk(A; u1, . . . , un) = | Vol |Pk(A; u1, . . . , un), v opačném případě klademe Vol Pk(A; u1, . . . , un) = −| Vol |Pk(A; u1, . . . , un). Euklidovské prostory Odchylky podprostorů Standardní úlohy Objemy Theorem Nechť Q ⊂ En je euklidovský podprostor a nechť (e1, . . . , ek) je jeho ortonormální báze. Pak pro libovolné vektory u1, . . . , uk ∈ Z(Q) a A ∈ Q platí 1 Vol Pk(A; u1, . . . , uk) = det    u1 · e1 . . . uk · e1 ... ... u1 · ek . . . uk · ek    2 (Vol Pk(A; u1, . . . , uk))2 = det    u1 · u1 . . . uk · u1 ... ... u1 · uk . . . uk · uk    K důkazu se vrátíme ve středu, viz texty.