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| author | Juan Marín Noguera <juan.marinn@um.es> | 2020-02-20 16:07:37 +0100 |
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Formula $(\vec{v},\vec{w})\mapsto\vec{v}\cdot\vec{w}$ +\end_inset + +, que verifica que +\begin_inset Formula $\forall\vec{u},\vec{v},\vec{w}\in V$ +\end_inset + +: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Es +\series bold +simétrico +\series default +: +\begin_inset Formula $\vec{u}\cdot\vec{v}=\vec{v}\cdot\vec{u}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Es +\series bold +lineal +\series default + (en cada variable): +\begin_inset Formula $\vec{u}\cdot(\vec{v}+\lambda\vec{w})=\vec{u}\cdot\vec{v}+\lambda\vec{u}\cdot\vec{w}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Es +\series bold +definido positivo +\series default +: +\begin_inset Formula $\vec{v}\neq\vec{0}\implies\vec{v}\cdot\vec{v}>0$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Un +\series bold +espacio vectorial euclídeo +\series default + es un espacio vectorial real en el que hay definido un producto escalar. + Todo subespacio vectorial suyo es también euclídeo. + Ejemplos: +\end_layout + +\begin_layout Itemize +El +\series bold +producto escalar usual +\series default + en +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + viene dado por +\begin_inset Formula $\vec{v}\cdot\vec{w}=\sum_{i=1}^{n}x_{i}y_{i}$ +\end_inset + +, es decir, +\begin_inset Formula +\[ +\vec{v}\cdot\vec{w}=\left(\begin{array}{ccc} +- & \vec{v} & -\end{array}\right)\left(\begin{array}{c} +|\\ +\vec{w}\\ +| +\end{array}\right) +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Itemize +El +\series bold +producto escalar integral +\series default + en el espacio +\begin_inset Formula ${\cal C}[a,b]$ +\end_inset + + de las funciones reales continuas en el intervalo +\begin_inset Formula $[a,b]$ +\end_inset + +, o en sus subespacios +\begin_inset Formula ${\cal P}[a,b]$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula ${\cal P}_{n}[a,b]$ +\end_inset + + de funciones polinómicas arbitrarias y de grado máximo +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + +, respectivamente, viene dado por +\begin_inset Formula +\[ +f\cdot g=\int_{a}^{b}f(x)g(x)dx +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Section +Norma y coseno +\end_layout + +\begin_layout Standard +La +\series bold +norma +\series default +, +\series bold +módulo +\series default + o +\series bold +longitud +\series default + de un vector +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}\Vert=\sqrt{\vec{v}\cdot\vec{v}}$ +\end_inset + +, y +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + es +\series bold +unitario +\series default + si +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}\Vert=1$ +\end_inset + +. + Propiedades: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}\Vert=0\iff\vec{v}=\vec{0}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $\Vert r\vec{v}\Vert=|r|\Vert\vec{v}\Vert$ +\end_inset + +, y en particular +\begin_inset Formula $\frac{\vec{v}}{\Vert\vec{v}\Vert}$ +\end_inset + + es unitario. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Teorema del coseno +\series default +: +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}\pm\vec{w}\Vert^{2}=\Vert\vec{v}\Vert^{2}+\Vert\vec{w}\Vert^{2}\pm2\vec{v}\cdot\vec{w}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Desigualdad de Cauchy-Schwartz +\series default +: +\begin_inset Formula $|\vec{v}\cdot\vec{w}|\leq\Vert\vec{v}\Vert\Vert\vec{w}\Vert$ +\end_inset + +, y la igualdad se cumple si y sólo si no son proporcionales. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Si +\begin_inset Formula $\vec{v}=0$ +\end_inset + + es trivial. + Si no, para cada +\begin_inset Formula $x\in\mathbb{R}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $0\leq\Vert x\vec{v}-\vec{w}\Vert^{2}=\Vert\vec{v}\Vert^{2}x^{2}-(2\vec{v}\cdot\vec{w})x+\Vert\vec{w}\Vert^{2}$ +\end_inset + +. + Luego tenemos un polinomio de +\begin_inset Formula $2^{o}$ +\end_inset + + grado con a lo más una raíz real (pues +\begin_inset Formula $\Vert x\vec{v}-\vec{w}\Vert^{2}=0\iff x\vec{v}-\vec{w}=0$ +\end_inset + +), de modo que el discriminante +\begin_inset Formula $4(\vec{v}\cdot\vec{w})^{2}-4\Vert\vec{v}\Vert^{2}\Vert\vec{w}\Vert^{2}$ +\end_inset + + no puede ser estrictamente positivo, es decir, debe ser +\begin_inset Formula $|\vec{v}\cdot\vec{w}|\leq\Vert\vec{v}\Vert\Vert\vec{w}\Vert$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Desigualdades de Minkowski y triangular +\series default +: +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}\Vert-\Vert\vec{w}\Vert\leq\Vert\vec{v}\pm\vec{w}\Vert\leq\Vert\vec{v}\Vert+\Vert\vec{w}\Vert$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Tomando cuadrados, +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}\Vert^{2}+\Vert\vec{w}\Vert^{2}-2\Vert\vec{v}\Vert\Vert\vec{w}\Vert\leq\Vert\vec{v}\Vert^{2}+\Vert\vec{w}\Vert^{2}\pm2\vec{v}\cdot\vec{w}\leq\Vert\vec{v}\Vert^{2}+\Vert\vec{w}\Vert^{2}+2\Vert\vec{v}\Vert\Vert\vec{w}\Vert$ +\end_inset + +, y cancelando +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}\Vert^{2}+\Vert\vec{w}\Vert^{2}$ +\end_inset + + y aplicando Cauchy-Schwartz tenemos el resultado. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Llamamos +\series bold +coseno +\series default + del ángulo formado por dos vectores +\begin_inset Formula $\vec{v},\vec{w}\neq\vec{0}$ +\end_inset + + a +\begin_inset Formula +\[ +\cos(\vec{v},\vec{w}):=\frac{\vec{v}\cdot\vec{w}}{\Vert\vec{v}\Vert\Vert\vec{w}\Vert} +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dos vectores +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{w}$ +\end_inset + + son +\series bold +ortogonales +\series default + o +\series bold +perpendiculares +\series default + ( +\begin_inset Formula $\vec{v}\bot\vec{w}$ +\end_inset + +) si +\begin_inset Formula $\vec{v}\cdot\vec{w}=0$ +\end_inset + +. + Así, +\begin_inset Formula $\vec{0}$ +\end_inset + + es ortogonal a todos y +\begin_inset Formula $\vec{v},\vec{w}\neq\vec{0}$ +\end_inset + + son ortogonales si y sólo si +\begin_inset Formula $\cos(\vec{v},\vec{w})=0$ +\end_inset + +. + Del teorema del coseno se deduce el +\series bold +teorema de Pitágoras +\series default +: +\begin_inset Formula +\[ +\vec{v}\bot\vec{w}\iff\Vert\vec{v}+\vec{w}\Vert^{2}=\Vert\vec{v}\Vert^{2}+\Vert\vec{w}\Vert^{2} +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Section +Conjuntos ortogonales +\end_layout + +\begin_layout Standard +Se dice que +\begin_inset Formula $\vec{x}\in V$ +\end_inset + + es ortogonal al subespacio +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + si lo es a todos los vectores de +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + +, o por linealidad a los de un conjunto generador de +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + cualquiera. + Llamamos +\series bold +subespacio ortogonal +\series default + de +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + en +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + +, escrito +\begin_inset Formula $U^{\bot}$ +\end_inset + +, al conjunto de todos los vectores de +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + + ortogonales a +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + +, que por la linealidad del producto escalar es un subespacio (incluso aunque + +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + no lo sea). + Sólo el vector nulo es ortogonal a sí mismo, luego +\begin_inset Formula $U\cap U^{\bot}=0$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dos subespacios +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $W$ +\end_inset + + son +\series bold +ortogonales +\series default + si +\begin_inset Formula $\forall\vec{u}\in U,\vec{w}\in W;\vec{u}\bot\vec{w}$ +\end_inset + +. + Si +\begin_inset Formula $\dim(U)+\dim(W)>\dim(V)$ +\end_inset + +, diremos que +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $W$ +\end_inset + + son ortogonales cuando lo sean +\begin_inset Formula $U^{\bot}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $W^{\bot}$ +\end_inset + +. + Si +\begin_inset Formula $U+W=V$ +\end_inset + +, diremos que +\begin_inset Formula $W$ +\end_inset + + es un +\series bold +complemento ortogonal +\series default + de +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + (o al revés). +\end_layout + +\begin_layout Standard +Un conjunto de vectores en un espacio euclídeo +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + + es +\series bold +ortogonal +\series default + si sus vectores son no nulos y ortogonales dos a dos, y es +\series bold +ortonormal +\series default + si además son unitarios. + Si en un conjunto ortogonal dividimos cada vector por su norma, nos queda + un conjunto ortonormal que genera el mismo subespacio. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Todo conjunto ortogonal +\begin_inset Formula $\{\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{m}\}$ +\end_inset + + es linealmente independiente. + +\series bold +Demostración: +\series default + Si no lo fuera, habría un vector combinación lineal del resto, por ejemplo, + +\begin_inset Formula $\vec{u}_{1}=a_{2}\vec{u}_{2}+\dots+a_{m}\vec{u}_{m}$ +\end_inset + +, y se tendría que +\begin_inset Formula +\[ +0\neq\vec{u}_{1}\cdot\vec{u}_{1}=\vec{u}_{1}\cdot(a_{2}\vec{u}_{2}+\dots+a_{m}\vec{u}_{m})=a_{2}(\vec{u}_{1}\cdot\vec{u}_{2})+\dots+a_{m}(\vec{u}_{1}\cdot\vec{u}_{m})=0\# +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Por esto también hablamos de +\series bold +bases ortogonales +\series default + u +\series bold +ortonormales +\series default +. + Por ejemplo, en +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + +, la base canónica es una base ortonormal. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Una matriz +\begin_inset Formula $A\in{\cal M}_{n}(\mathbb{R})$ +\end_inset + + es +\series bold +ortogonal +\series default + si +\begin_inset Formula $A^{t}=A^{-1}$ +\end_inset + +, si y sólo si sus columnas (o filas) forman una base ortonormal de +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + +. + +\series bold +Demostración: +\series default +Si +\begin_inset Formula $\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{n}$ +\end_inset + + son vectores no nulos de +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + es la matriz que tiene por columnas estos vectores, +\begin_inset Formula $A^{t}A$ +\end_inset + + es una matriz cuadrada +\begin_inset Formula $n\times n$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $(A^{t}A)_{ij}=\vec{u}_{i}\cdot\vec{u}_{j}$ +\end_inset + +, luego los vectores son ortogonales si y sólo si +\begin_inset Formula $A^{t}A$ +\end_inset + + es diagonal (sin ceros en la diagonal), y son ortonormales si y sólo si + +\begin_inset Formula $A^{t}A=I_{n}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Subsection +Método de Gram-Schmidt +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dado un conjunto ortogonal +\begin_inset Formula $\{\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{k}\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{x}\notin U=<\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{k}>$ +\end_inset + +, el vector +\begin_inset Formula $\vec{u}_{k+1}:=\vec{x}-\frac{\vec{x}\cdot\vec{u}_{1}}{\Vert\vec{u}_{1}\Vert^{2}}\vec{u}_{1}-\dots-\frac{\vec{x}\cdot\vec{u}_{k}}{\Vert\vec{u}_{k}\Vert^{2}}\vec{u}_{k}$ +\end_inset + + es ortogonal a los del conjunto y +\begin_inset Formula $<\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{k},\vec{u}_{k+1}>=<\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{k},\vec{x}>$ +\end_inset + +. + +\series bold +Demostración: +\series default + El que ambos generen el mismo subespacio es consecuencia de que +\begin_inset Formula $\vec{u}_{k+1}-\vec{x}\in<\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{k}>$ +\end_inset + +. + Además, dado +\begin_inset Formula $j\in\{1,\dots,k\}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\vec{u}_{k+1}\cdot\vec{u}_{j}=\vec{x}\cdot\vec{u}_{j}-\sum_{i=1}^{k}\frac{\vec{x}\cdot\vec{u}_{i}}{\Vert\vec{u}_{i}\Vert^{2}}\vec{u}_{i}\cdot\vec{u}_{j}=\vec{x}\cdot\vec{u}_{j}-\frac{\vec{x}\cdot\vec{u}_{j}}{\Vert\vec{u}_{j}\Vert^{2}}\vec{u}_{j}\cdot\vec{u}_{j}=0$ +\end_inset + +, luego +\begin_inset Formula $\vec{u}_{k+1}\bot U$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +De aquí que todo subespacio +\begin_inset Formula $U=\{\vec{x}_{1},\dots,\vec{x}_{m}\}$ +\end_inset + + de +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + + admite una base ortogonal +\begin_inset Formula $\{\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{m}\}$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $<\vec{x}_{1}>=<\vec{u}_{1}>,\dots,<\vec{x}_{1},\dots,\vec{x}_{m}>=<\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{m}>$ +\end_inset + +. + Podemos obtener esta base por el +\series bold +algoritmo de ortogonalización de Gram-Schmidt +\series default +: Tomamos +\begin_inset Formula $\vec{u}_{1}=\vec{x}_{1}$ +\end_inset + + y, para cada +\begin_inset Formula $j\in\{1,\dots,m\}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\vec{u}_{j}=\vec{x}_{j}-\sum_{i=1}^{j-1}\frac{\vec{x}_{j}\cdot\vec{u}_{i}}{\Vert\vec{u}_{i}\Vert^{2}}\vec{u}_{i}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Por tanto, todo subespacio +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + de +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + + tiene una base ortonormal, que podemos ampliar a una base ortonormal de + +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + +, y los vectores añadidos son una base ortonormal de +\begin_inset Formula $U^{\bot}$ +\end_inset + +, con lo que +\begin_inset Formula $U\oplus U^{\bot}=V$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +De aquí que, si +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $W$ +\end_inset + + son subespacios de un espacio vectorial euclídeo +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + + de dimensión finita, entonces +\begin_inset Formula $(U^{\bot})^{\bot}=U$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $U\subseteq W\iff W^{\bot}\subseteq U^{\bot}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $U^{\bot}\cap W^{\bot}=(U+W)^{\bot}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $U^{\bot}+W^{\bot}=(U\cap W)^{\bot}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +En +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + con el producto escalar usual, si +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + está generado por las filas de la matriz +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $U^{\bot}=\text{Nuc}(A)$ +\end_inset + +, y viceversa. +\end_layout + +\begin_layout Subsection +Coeficientes de Fourier y proyección ortogonal +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dados +\begin_inset Formula ${\cal B}=\{\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{m}\}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{x}\in V$ +\end_inset + +, los +\series bold +coeficientes de Fourier +\series default + de +\begin_inset Formula $\vec{x}$ +\end_inset + + en +\begin_inset Formula ${\cal B}$ +\end_inset + + son los escalares +\begin_inset Formula $r_{i}=\frac{\vec{x}\cdot\vec{u}_{i}}{\Vert\vec{u}_{i}\Vert^{2}}$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $i\in\{1,\dots,m\}$ +\end_inset + +. + Si +\begin_inset Formula $\vec{x}\in<{\cal B}>$ +\end_inset + +, estas son sus coordenadas respecto a la base +\begin_inset Formula ${\cal B}$ +\end_inset + +, pues +\begin_inset Formula $\vec{x}\cdot\vec{u}_{i}=\left(\sum_{j=1}^{m}r_{j}\vec{u}_{j}\right)\cdot\vec{u}_{i}=\sum_{j=1}^{m}r_{j}(\vec{u}_{j}\cdot\vec{u}_{i})=r_{i}\Vert\vec{u}_{i}\Vert^{2}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Llamamos +\series bold +proyección ortogonal +\series default + de +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + + sobre +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + a la aplicación lineal +\begin_inset Formula $\pi_{U}:V=U\oplus U^{\bot}\rightarrow U$ +\end_inset + + tal que si +\begin_inset Formula $\vec{v}=\vec{v}_{1}+\vec{v}_{2}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\vec{v}_{1}\in U$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{v}_{2}\in U^{\bot}$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $\pi_{U}(\vec{v})=\vec{v}_{1}$ +\end_inset + +. + Si +\begin_inset Formula $r_{1},\dots,r_{m}$ +\end_inset + + son los coeficientes de Fourier de +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + sobre la base ortogonal +\begin_inset Formula $\{\vec{u}_{1},\dots,\vec{u}_{m}\}$ +\end_inset + + de +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula $\pi_{U}(\vec{v})=\sum_{i=1}^{m}r_{i}\vec{u}_{i}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +\begin_inset Formula $\vec{u}:=\pi_{U}(\vec{v})$ +\end_inset + + es la +\series bold +mejor aproximación +\series default + de +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + en +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + +, es decir, +\begin_inset Formula $\min\{\Vert\vec{v}-\vec{z}\Vert\}_{\vec{z}\in U}=\Vert\vec{v}-\vec{u}\Vert$ +\end_inset + +. + +\series bold +Demostración: +\series default + Sea +\begin_inset Formula $\vec{w}=\vec{v}-\vec{u}$ +\end_inset + +, si +\begin_inset Formula $\vec{z}\in U$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $\vec{u}-\vec{z}\bot\vec{w}$ +\end_inset + +, y por el teorema de Pitágoras, +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}-\vec{z}\Vert=\Vert\vec{w}+\vec{u}-\vec{z}\Vert=\sqrt{\Vert\vec{w}\Vert^{2}+\Vert\vec{u}-\vec{z}\Vert^{2}}$ +\end_inset + +, con lo que el valor mínimo de +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}-\vec{z}\Vert$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $\Vert\vec{w}\Vert$ +\end_inset + + y se alcanza cuando +\begin_inset Formula $\vec{z}=\vec{u}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +La +\series bold +simetría ortogonal +\series default + de +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + + sobre +\begin_inset Formula $U$ +\end_inset + + es la aplicación lineal +\begin_inset Formula $\sigma_{U}:V\rightarrow V$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\sigma_{U}(\vec{v})=\vec{v}_{1}-\vec{v}_{2}=2\pi_{U}(\vec{v})-\vec{v}$ +\end_inset + + para todo +\begin_inset Formula $\vec{v}\in V$ +\end_inset + +, siendo +\begin_inset Formula $\vec{v}=\vec{v}_{1}+\vec{v}_{2}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\vec{v}_{1}\in U$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{v}_{2}\in U^{\bot}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Subsection +Productos vectorial y mixto +\end_layout + +\begin_layout Standard +En +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{3}$ +\end_inset + +, el +\series bold +producto vectorial +\series default + de +\begin_inset Formula $\vec{v}=(v_{1},v_{2},v_{3})$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{w}=(w_{1},w_{2},w_{3})$ +\end_inset + + es el vector +\begin_inset Formula +\[ +\vec{v}\land\vec{w}:=\left|\begin{array}{ccc} +\vec{e}_{1} & v_{1} & w_{1}\\ +\vec{e}_{2} & v_{2} & w_{2}\\ +\vec{e}_{3} & v_{3} & w_{3} +\end{array}\right| +\] + +\end_inset + +y el +\series bold +producto mixto +\series default + de +\begin_inset Formula $\vec{u}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{w}$ +\end_inset + + es el escalar +\begin_inset Formula $\vec{u}\cdot(\vec{v}\land\vec{w})$ +\end_inset + +. + Propiedades: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $\vec{u}\cdot(\vec{v}\land\vec{w})=\det(\vec{u},\vec{v},\vec{w})$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $\vec{v}\land\vec{w}=-(\vec{w}\land\vec{v})$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $\vec{v}\land(\vec{w}_{1}+\mu\vec{w}_{2})=\vec{v}\land\vec{w}_{1}+\mu\vec{v}\land\vec{w}_{2}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Si +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{w}$ +\end_inset + + son linealmente independientes, +\begin_inset Formula $\vec{v}\land\vec{w}$ +\end_inset + + es perpendicular a ambos, por lo que genera la recta ortogonal al plano + que determinan: +\begin_inset Formula $<\vec{v}\land\vec{w}>=<\vec{v},\vec{w}>^{\bot}$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + + +\begin_inset Formula $\vec{v}\cdot(\vec{v}\land\vec{w})=\vec{w}\cdot(\vec{v}\land\vec{w})=\vec{0}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}\land\vec{w}\Vert^{2}+(\vec{v}\cdot\vec{w})^{2}=\Vert\vec{v}\Vert^{2}\Vert\vec{w}\Vert^{2}$ +\end_inset + +, luego +\begin_inset Formula $\left(\frac{\Vert\vec{v}\land\vec{w}\Vert}{\Vert\vec{v}\Vert\Vert\vec{w}\Vert}\right)^{2}+\left(\frac{\vec{v}\cdot\vec{w}}{\Vert\vec{v}\Vert\Vert\vec{w}\Vert}\right)^{2}=1$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Por la última propiedad, el +\series bold +seno +\series default + del ángulo que forman +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{w}$ +\end_inset + + cumple que +\begin_inset Formula +\[ +|\sin(\vec{v},\vec{w})|=\frac{\Vert\vec{v}\land\vec{w}\Vert}{\Vert\vec{v}\Vert\Vert\vec{w}\Vert} +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Por tanto, el +\series bold +área del paralelogramo +\series default + dado por +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{w}$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $\Vert\vec{x}\land\vec{z}\Vert=\Vert\vec{x}\Vert(\Vert\vec{z}\Vert|\sin(\vec{x},\vec{z})|)$ +\end_inset + +, y el +\series bold +volumen del paralelepípedo +\series default + determinado por +\begin_inset Formula $\vec{u}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{w}$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $|\vec{u}\cdot(\vec{v}\land\vec{w})|=\Vert\vec{v}\land\vec{w}\Vert(\Vert\vec{u}\Vert|\cos(\vec{v}\land\vec{w},\vec{u})|)$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Section +Espacios afines euclídeos +\end_layout + +\begin_layout Standard +Un +\series bold +espacio afín euclídeo +\series default + es un espacio afín +\begin_inset Formula $E$ +\end_inset + + cuyo espacio vectorial asociado +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + + es euclídeo. + Si +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + + tiene dimensión finita, llamamos +\series bold +sistema de referencia ortonormal +\series default + o +\series bold +referencial ortonormal +\series default + de +\begin_inset Formula $E$ +\end_inset + + a un referencial cartesiano +\begin_inset Formula $\Re=(O,{\cal B})$ +\end_inset + + en el que +\begin_inset Formula ${\cal B}$ +\end_inset + + es base ortonormal de +\begin_inset Formula $V$ +\end_inset + +. + Denotamos con +\begin_inset Formula $E$ +\end_inset + + un espacio afín euclídeo de dimensión finita y +\begin_inset Formula $E_{n}$ +\end_inset + + a +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + con su estructura afín y euclídea estándar. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos la +\series bold +distancia +\series default + entre dos puntos +\begin_inset Formula $P$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + como +\begin_inset Formula $d(P,Q):=\Vert\overrightarrow{PQ}\Vert$ +\end_inset + +, y por las propiedades de la norma, +\begin_inset Formula $d(P,Q)\geq0$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $d(P,Q)=0\iff P=Q$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $d(P,Q)=d(Q,P)$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $d(P,R)\leq d(P,Q)+d(Q,R)$ +\end_inset + +, por lo que se trata de una métrica. + En particular, si +\begin_inset Formula $P$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + tienen coordenadas +\begin_inset Formula $(p_{1},\dots,p_{n})$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $(q_{1},\dots,q_{n})$ +\end_inset + + en un referencial ortonormal, entonces +\begin_inset Formula +\[ +d(P,Q)=\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(p_{i}-q_{i})^{2}} +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +La distancia entre dos variedades +\begin_inset Formula ${\cal L}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula ${\cal L}'$ +\end_inset + + se define como +\begin_inset Formula $d({\cal L},{\cal L}'):=\inf\{d(P,P')\}_{P\in{\cal L},P'\in{\cal L}'}$ +\end_inset + +, y la distancia de un punto +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + a una variedad +\begin_inset Formula ${\cal L}$ +\end_inset + + como +\begin_inset Formula $d(Q,{\cal L})=\inf\{d(P,Q)\}_{P\in{\cal L}}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dos variedades +\begin_inset Formula ${\cal L}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula ${\cal L}'$ +\end_inset + + son +\series bold +ortogonales +\series default + o +\series bold +perpendiculares +\series default + ( +\begin_inset Formula ${\cal L}\bot{\cal L}'$ +\end_inset + +) si lo son sus direcciones, y llamamos +\series bold +variedad perpendicular +\series default + a +\begin_inset Formula ${\cal L}$ +\end_inset + + que pasa por +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + a la variedad +\begin_inset Formula $Q+W^{\bot}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Así, si +\begin_inset Formula $\ell_{1}=P_{1}+<\vec{v}_{1}>$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\ell_{2}=P_{2}+<\vec{v}_{2}>$ +\end_inset + + son rectas en +\begin_inset Formula $E_{3}$ +\end_inset + + que se cruzan, sea +\begin_inset Formula $\vec{v}_{3}=\vec{v}_{1}\land\vec{v}_{2}$ +\end_inset + + la dirección perpendicular a ambas, como +\begin_inset Formula $\vec{v}_{3}\notin<\vec{v}_{1},\vec{v}_{2}>$ +\end_inset + +, existe una única recta con esta dirección que corte a +\begin_inset Formula $\ell_{1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\ell_{2}$ +\end_inset + +, que llamamos +\series bold +perpendicular común +\series default + de ambas. + Para calcularla, hallamos el punto +\begin_inset Formula $Q\in\ell_{1}\cap(P_{2}+<\vec{v}_{2},\vec{v}_{3}>)$ +\end_inset + + y tomamos la recta +\begin_inset Formula $Q+<\vec{v}_{3}>$ +\end_inset + +, o buscamos +\begin_inset Formula $\lambda_{1},\lambda_{2},\lambda_{3}\in\mathbb{R}$ +\end_inset + + tales que +\begin_inset Formula $\overrightarrow{(P_{1}+\lambda_{1}\vec{v}_{1})(P_{2}+\lambda_{2}\vec{v}_{2})}=\lambda_{3}\vec{v}_{3}$ +\end_inset + +, es decir, tales que +\begin_inset Formula $\overrightarrow{P_{1}P_{2}}=\lambda_{1}\vec{v}_{1}-\lambda_{2}\vec{v}_{2}+\lambda_{3}\vec{v}_{3}$ +\end_inset + +, y tomamos la recta +\begin_inset Formula $(P_{1}+\lambda_{1}\vec{v}_{1})+<\vec{v}_{3}>$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dados un punto +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + y una variedad +\begin_inset Formula ${\cal L}=P+W$ +\end_inset + + en +\begin_inset Formula $E$ +\end_inset + +, definimos la +\series bold +proyección ortogonal +\series default + de +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + sobre +\begin_inset Formula ${\cal L}$ +\end_inset + + como el único punto +\begin_inset Formula $Q'\in{\cal L}\cap(Q+W^{\bot})$ +\end_inset + +, y el +\series bold +simétrico ortogonal +\series default + como el punto +\begin_inset Formula $Q''=Q+2\overrightarrow{QQ'}$ +\end_inset + +. + Con esto, +\begin_inset Formula $d(Q,{\cal L})=d(Q,Q')$ +\end_inset + +. + +\series bold +Demostración: +\series default + +\begin_inset Formula $Q'\in{\cal L}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\overrightarrow{QQ'}\in W^{\bot}$ +\end_inset + +, luego para un +\begin_inset Formula $X\in{\cal L}$ +\end_inset + + arbitrario, +\begin_inset Formula $Q',X\in{\cal L}\implies\overrightarrow{Q'X}\in W\implies\overrightarrow{QQ'}\bot\overrightarrow{Q'X}\implies d(Q,X)=\sqrt{d(Q,Q')^{2}+d(Q',X)^{2}}$ +\end_inset + +, con lo que el mínimo se alcanza en +\begin_inset Formula $X=Q'$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Ejemplos: +\end_layout + +\begin_layout Itemize +La distancia de un punto +\begin_inset Formula $Q=(q_{1},\dots,q_{n})$ +\end_inset + + a un hiperplano +\begin_inset Formula ${\cal H}$ +\end_inset + + de ecuación +\begin_inset Formula $a_{1}x_{1}+\dots+a_{n}x_{n}+b=0$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $d(Q,{\cal H})=\frac{|a_{1}q_{1}+\dots+a_{n}q_{n}+b|}{\Vert(a_{1},\dots,a_{n})\Vert}$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +La recta ortogonal a +\begin_inset Formula ${\cal H}$ +\end_inset + + por +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $Q+<\vec{a}>$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\vec{a}=(a_{1},\dots,a_{n})$ +\end_inset + +, y sus puntos tienen la forma +\begin_inset Formula $(q_{1}+\lambda a_{1},\dots,q_{n}+\lambda a_{n})$ +\end_inset + +. + Para cierto +\begin_inset Formula $\lambda_{0}$ +\end_inset + + se tiene +\begin_inset Formula $Q':=Q+\lambda_{0}\vec{a}\in{\cal H}$ +\end_inset + +. + Sustituyendo, +\begin_inset Formula $0=a_{1}(q_{1}+\lambda_{0}a_{1})+\dots+a_{n}(q_{n}+\lambda_{0}a_{n})+b=a_{1}q_{1}+\dots+a_{n}q_{n}+b+\lambda_{0}\Vert\vec{a}\Vert^{2}$ +\end_inset + +, luego +\begin_inset Formula $\lambda_{0}=-\frac{a_{1}q_{1}+\dots+a_{n}q_{n}+b}{\Vert\vec{a}\Vert^{2}}$ +\end_inset + +, y la fórmula se obtiene de que +\begin_inset Formula $d(Q,Q')=|\lambda_{0}|\Vert\vec{a}\Vert$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +La distancia de un punto +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + a una recta +\begin_inset Formula $\ell=P+<\vec{v}=(v_{1},v_{2})>$ +\end_inset + + en +\begin_inset Formula $E_{2}$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $d(Q,\ell)=\frac{|\det(\overrightarrow{PQ},\vec{v})|}{\Vert\vec{v}\Vert}$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +La ecuación implícita de la recta es +\begin_inset Formula $\det(\overrightarrow{PX},\vec{v})=0$ +\end_inset + +, cuyos coeficientes, +\begin_inset Formula $(-v_{2},v_{1})$ +\end_inset + +, tienen la misma norma que +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}\Vert$ +\end_inset + +, con lo que la fórmula se deduce del ejemplo anterior. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +La distancia de un punto +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + a un plano +\begin_inset Formula $\pi=P+<\vec{v},\vec{w}>$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $d(Q,\pi)=\frac{|\det(\overrightarrow{PQ},\vec{v},\vec{w})|}{\Vert\vec{v}\land\vec{w}\Vert}$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +La ecuación implícita del plano es +\begin_inset Formula $\det(\overrightarrow{PX},\vec{v},\vec{w})=0$ +\end_inset + + , cuyos coeficientes son los del vector ortogonal al plano, +\begin_inset Formula $\vec{v}\land\vec{w}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +La distancia de un punto +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + a una recta +\begin_inset Formula $\ell=P+<\vec{v}>$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $d(Q,\ell)=\frac{\Vert\vec{v}\land\overrightarrow{PQ}\Vert}{\Vert\vec{v}\Vert}$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Si +\begin_inset Formula $Q'$ +\end_inset + + es la proyección ortogonal de +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + sobre +\begin_inset Formula $\ell$ +\end_inset + +, se tiene +\begin_inset Formula $d(Q,\ell)=\Vert\overrightarrow{Q'Q}\Vert$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\overrightarrow{PQ}=\overrightarrow{PQ'}+\overrightarrow{Q'Q}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\overrightarrow{PQ'}$ +\end_inset + + proporcional a +\begin_inset Formula $\vec{v}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\overrightarrow{Q'Q}\bot\vec{v}$ +\end_inset + +, luego +\begin_inset Formula $\vec{v}\land\overrightarrow{PQ}=\vec{v}\land\overrightarrow{Q'Q}$ +\end_inset + + y entonces +\begin_inset Formula $\Vert\vec{v}\land\overrightarrow{PQ}\Vert=\Vert\vec{v}\Vert\Vert\overrightarrow{Q'Q}\Vert$ +\end_inset + +, de donde se deduce la fórmula. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dadas +\begin_inset Formula ${\cal L}_{1}=P_{1}+W_{1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula ${\cal L}_{2}=P_{2}+W_{2}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $d({\cal L}_{1},{\cal L}_{2})=d(P_{1},P_{2}+(W_{1}+W_{2}))$ +\end_inset + +. + +\series bold +Demostración: +\series default + Veamos que los conjuntos +\begin_inset Formula $A=\{d(X_{1},X_{2})\}_{X_{1}\in{\cal L}_{1},X_{2}\in{\cal L}_{2}}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $B=\{d(P_{1},X)\}_{X\in P_{2}+(W_{1}+W_{2})}$ +\end_inset + + son iguales. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\subseteq]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Sean +\begin_inset Formula $X_{1}=P_{1}+\vec{w}_{1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $X_{2}=P_{2}+\vec{w}_{2}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\vec{w}_{1}\in W_{1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{w}_{2}\in W_{2}$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula +\[ +d(X_{1},X_{2})=\Vert\overrightarrow{X_{1}X_{2}}\Vert=\Vert\overrightarrow{(P_{1}+\vec{w}_{1})(P_{2}+\vec{w}_{2})}\Vert=\Vert\overrightarrow{P_{1}(P_{2}+\vec{w}_{2}-\vec{w}_{1})}\Vert\in B +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\supseteq]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Dado +\begin_inset Formula $X=P_{2}+\vec{w}_{1}+\vec{w}_{2}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\vec{w}_{1}\in W_{1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\vec{w}_{2}\in W_{2}$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula +\[ +d(P_{1},X)=\Vert\overrightarrow{P_{1}(P_{2}+\vec{w}_{1}+\vec{w}_{2})}\Vert=\Vert\overrightarrow{(P_{1}-\vec{w}_{1})(P_{2}+\vec{w}_{2})}\Vert\in A +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\end_body +\end_document |
