3. GEOMETRIJSKA INTERPRETACIJA
R2 , R3
I
Rn
35
3.6. Geometrijska interpretacija Rn . U geometriji, osim samog prostora koji se sastoji od toˇcaka, prouˇ cavamo i familije skupova kao ˇsto su pravci, ravnine, kruˇznice, sfere itd. Kao ˇsto smo ve´ c rekli, u sluˇcaju n > 3 n za skup R nemamo neposredne geometrijske predodˇzbe, no po analogiji s R2 i R 3 moˇzemo uvesti geometrijske pojmove koji imaju sliˇcna svojstva4 onima iz euklidske ravnine i euklidskog prostora. Ovdje ´cemo, koriste´ci operacije zbrajanja i mnoˇzenja skalarom, definirati pravce, segmente, zrake, ravnine i paralelograme u Rn . 3.7. Pravci u Rn . Za vektore v = 0 i a u Rn skup toˇcaka
p = {a + tv | t ∈ R}.
(3.1)
zovemo pravcem u Rn . Kaˇzemo da smo pravac p zadali parametarski 5. Ako si parametar t zamislimo kao vrijeme, onda se toˇcka x(t) = a + tv giba u vremenu po pravcu jednolikom brzinom v jer je 1
t2 t1 (x(t2 )
−
− x(t1)) =
1
t2 t1 (t2
−
− t1)v = v.
U trenutku t = 0 je x(0) = a, pa kaˇzemo da pravac p prolazi toˇckom a ili da toˇcka a leˇzi na pravcu p. Vektor v zovemo vektorom smjera pravca.
3.8. Pravac kroz dvije toˇ cke. Neka su a i b dvije razliˇcite toˇcke u R . Stavimo v = b a. Tada je n
{
(3.2)
−
p = a + t(b
− a) | t ∈ R} = {(1 − t)a + tb | t ∈ R}
pravac u Rn . Ako si parametar t zamislimo kao vrijeme, onda se toˇcka x(t) = (1 t)a + tb giba po pravcu tako da je u trenutku t = 0 u poloˇzaju x(0) = a, a u trenutku t = 1 u poloˇzaju x(1) = b. Znaˇci da pravac p prolazi toˇckama a i b.
−
3.9. Zadatak. Napiˇsite parametarsku jednadˇzbu pravca u R4 kroz toˇcke a =
− 2 1 0 1
i b =
1 0 2 2
.
3.10. Jedinstvenost pravca kroz dvije toˇ cke. Kroz svake dvije toˇcke prolazi jedan i samo jedan pravac. su a i b dvije razliˇcite toˇcke u Rn . Tada je formulom (3.2) zadan pravac p koji prolazi kroz te dvije toˇcke, pa nam preostaje dokazati da je taj pravac jedinstven. Pretpostavim zato da su toˇcke a i b i na pravcu q = c + tv t R . Tada je za neke λ i µ Dokaz. Neka
{
| ∈ }
a = c + λv,
b = c + µv.
4Primjer takvog svojstva je da kroz dvije razliˇ cite toˇ cke prolazi jedan i samo jedan
pravac. 5Ponekad kaˇ zemo da je formula (3.1) parametarska jednadˇzba pravca .
36
Rn
2. VEKTORSKI PROSTOR
− a = (µ − λ)v, pa zbog pretpostavke a = b imamo λ = µ i 1 v = − (b − a), c = a − λv = a − − (b − a). 1 Sada iz ˇcinjenice da je preslikavanje s → t = − (s − λ) bijekcija na R slijedi {c + sv | s ∈ R} = {a − − (b − a) + s −1 (b − a) | s ∈ R} = {a + −1 (s − λ)(b − a) | s ∈ R} = {a + t(b − a) | t ∈ R}. Znaˇci da je b
λ µ λ
µ λ
µ λ
λ µ λ
µ λ
µ λ
Znaˇci da je pravac q jednak pravcu p zadanom formulom (3.2).
3.11. Segmenti na pravcu. Neka su a i b dvije razliˇcite toˇcke na pravcu p = (1
{ − t)a + tb | t ∈ R}.
Ako si parametar t zamislimo kao vrijeme, onda se toˇcka x(t) = (1 t)a + tb giba po pravcu od toˇcke a u trenutku t = 0 do toˇcke b u trenutku t = 1. Zato kaˇzemo da je toˇcka c na pravcu p izmedu a i b ako i samo ako je
−
c = (1
− t)a + tb
za neki 0 < t < 1.
Segmentom (na pravcu) zovemo skup oblika [a, b] = (1
{ − t)a + tb | 0 ≤ t ≤ 1}.
3.12. Pitanje. Da li je skup S u R3 segment, S =
−− 2 t
t 1
1
1
≤ t
≤
3 ?
Pokuˇsajte “vidjeti” ta j skup u euklidskom prostoru sa zadanim Kartezijevim koordinatnim sustavom. Ako S jest segment, da li je paralelan6 xy-ravnini.
3.13. Zrake na pravcu. Ako je p = a + tv skupove
{
{a + tv | t < 0}
i
| t ∈ R} pravac, onda
{a + tv | t > 0}
zovemo zrakama 7 na pravcu p s ishodiˇstem u toˇcki a. Joˇs kaˇzemo da toˇcka dijeli pravac na dvije zrake. 6Paralelnost pravca i ravnine u R3 nismo definirali. Kako bi glasila dobra definicija? 7Ponekad zrakama na pravcu p zovemo skupove
{a + tv | t ≤ 0 } i
{a + tv | t ≥ 0 }.
38
2. VEKTORSKI PROSTOR
Rn
3.20. Zadatak. Nacrtajte paralelogram u ravnini sa stranicama
2 1
i
1 . 2
3.21. Zadatak. Kao ˇsto toˇcka dijeli pravac na dvije zrake, tako i pravac dijeli euklidsku ravninu na dvije poluravnine. Definirajte parametarski poluravnine u R2 . 4. Elementarne transformacije Koriste´ ci operacije zbrajanja vektora i mnoˇzenja vektora skalarom, na konaˇcnim nizovima vektora iz R n moˇzemo izvoditi elementarne transformacije ili elementarne operacije v1 , . . . , vm
→ v1 , . . . , v
m
koje su sliˇcne elementarnim transformacijama sistema jednadˇzbi9 u Gaussovoj metodi. Te su transformacije definirane na sljede´ci naˇcin:
4.1. Zamjena mjesta dvaju vektora. Za proizvoljne indekse i < j definiramo transformaciju v1 , . . . , vi−1 , a , vi+1, . . . , v j −1 , b , v j +1 , . . . , vm v 1 , . . . , vi−1 , b , vi+1 , . . . , v j −1 , a , v j +1, . . . , vm ,
→
gdje smo stavili a = v i i b = v j . Ova transformacija je sama svoj inverz; dva puta primijenjena daje identitetu.
4.2. Mnoˇ zenje jednog vektora skalarom razliˇ citim od nule. Za proizvoljni indeks i i skalar λ = 0 definiramo transformaciju
v1 , . . . , vi−1 , a , vi+1 , . . . , vm
→ v1, . . . , v −1,λa,v +1, . . . , v i
i
m,
gdje smo stavili a = v i . Ova transformacija ima inverznu istoga tipa; za isti indeks biramo skalar λ1 , pa sa ˇcime smo prije mnoˇzili, s time sada dijelimo: v1 , . . . , vi−1 , a , vi+1 , . . . , vm
→ v1, . . . , v −1, 1 a, v +1, . . . , v i
λ
i
m.
4.3. Pribrajanje jednog vektora pomnoˇ zenog skalarom drugom vektoru. Za proizvoljne indekse i = j i skalar λ definiramo transformaciju
v1 , . . . , vi−1 , a , vi+1 , . . . , v j −1 , b , v j +1, . . . , vm v 1 , . . . , vi−1 , a , vi+1 , . . . , v j −1 , b + λa,v j +1 , . . . , vm ,
→
gdje smo stavili a = v i i b = v j . Ova transformacija ima inverznu istoga tipa; za iste indekse biramo skalar λ, pa ˇsto smo prije dodali sada oduzmemo:
−
v1 , . . . , vi−1 , a , vi+1 , . . . , v j −1 , b , v j +1, . . . , vm v 1 , . . . , vi−1 , a , vi+1 , . . . , v j −1 , b λa,v j +1 , . . . , vm .
→
9vidi toˇ cku 1.3.4
−
Sadrˇ za j Dio Dio 1. 1.
7
Linea Linearna rna algebr algebra a 1
Poglavlje 1. Rjeˇsavanje sistema linearnih jednadˇzbi 1. Sistemi linearnih jednadˇzbi 2. Trokutasti sistemi jednadˇzbi 3. Gaussova metoda eliminacije 4. Ho Homo moge geni ni m m p sistemi p sistemi za m za m < p
9 9 11 16 21
Poglavlj Poglavljee 2. Vektorski ektorski prostor prostor Rn 1. Vekto ektori ri u Rn i matrice tipa n tipa n k n 2. Vektors ektorski ki prosto prostorr R 3. Geometrijsk Geometrijskaa interpret interpretacija acija R2 , R3 i Rn 4. Elementarne transformacije 5. Linearne kombinacije i sistemi jednadˇzbi 6. Linear Linearna na ljus ljusk ka vekt vektora ora u Rn 7. Potprostori Potprostori vektorsk vektorskog og prostora prostora Rn
23 24 28 32 38 46 50 56
Poglavlje 3. Baza vektorskog prostora 1. Baze u Rn 2. Linear Linearna na nezav nezavisn isnost ost vekt vektora ora u Rn 3. Konaˇcno dimenziona
61 61 68
×
×
