Álgebra lineal con métodos elementales. Resolución de ejercicios tipo

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Cálculo de una base ortogonal usando el método de Gram-Schmidt.

Base ortogonal

Dado un producto escalar en $V $ y una base $B=\{e_1, e_2, \dots , e_n\}$ de $V$, decimos que B es una base ortogonal si sus vectores son ortogonales dos a dos, es decir, $\langle e_i,e_j \rangle = 0$ siempre que $i\neq j$.

A partir de una base cualquiera puede calcularse una base ortogonal utilizando el método de Gram-Schmidt, que consiste en ir modificando los vectores dados convenientemente para que cada uno sea ortogonal con los anteriores. Si llamamos $\{u_1,u_2, \dots , u_n\}$ a la base de partida, entonces las fórmulas $$e_1=u_1$$ $$e_i=u_i+\lambda_{i,1} e_1 + \dots +\lambda_{i,i-1}e_{i-1}; \; \; \lambda_{i,j}= - \frac{\langle u_i, e_j \rangle}{||e_j||^2}$$ nos proporcionan una base ortogonal $\{e_1, e_2, \dots ,e_n \}$.

En $\mathbb{R}^3$ con el producto escalar usual, calcular una base ortogonal a partir de los vectores $\{u_1=(1,1,-1), u_2=(1,-1,1),u_3=(-1,1,1) \}$.

Tenemos las fórmulas $$\begin{array}{l} e_1= u_1 =(1,1,-1)\\ e_2 = u_2 + \lambda_{2,1}e_1= (1,-1,1)+ \lambda_{2,1}(1,1,-1)\\ e_3= u_3 +\lambda_{3,1}e_1 + \lambda_{3,2}e_2\\ \end{array} $$ calculamos los $\lambda_{i,j}$: $$\begin{array}{l} \lambda_{2,1}= - \frac{\langle u_2, e_1 \rangle}{||e_1||^2}= \frac{\langle (1,-1,1), (1,1,-1) \rangle}{||(1,1,-1)||^2}= - \frac{-1}{3}= 1/3\\ \end{array} $$ y sustituimos puesto que es necesario conocer $e_2$ para calcular $e_3$. $$e_2= (1,-1,1)+(1/3)(1,1,-1)=(4/3,-2/3,2/3)$$ ahora continuamos: $$\begin{array}{l} \lambda_{3,1}= - \frac{\langle u_3, e_1 \rangle}{||e_1||^2}= \frac{\langle (-1,1,1), (1,1,-1) \rangle}{||(1,1,-1)||^2}= - \frac{-1}{3}= 1/3\\ \lambda_{3,2}= - \frac{\langle u_3, e_2 \rangle}{||e_2||^2}= \frac{\langle (-1,1,1), (4/3,-2/3,2/3) \rangle}{||(4/3,-2/3,2/3)||^2}= - \frac{-4/3}{24/9}= 1/2\\ \end{array} $$ y tenemos $$e_3= (-1,1,1)+ (1/3)(1,1,-1)+(1/2)(4/3,-2/3,2/3)=(0,1,1)$$ Por tanto la base ortogonal obtenida es $$\{ (1,1,-1),(4/3,-2/3,2/3), (0,1,1)\}$$

En $\mathbb{R}^3$ se considera el producto escalar que, con respecto de la base canónica, viene dado por la matriz de Gram $$ G=\begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2\\ \end{pmatrix} $$ Calcular una base ortogonal a partir de los vectores $\{(1,-1,0),(0,1,1),(0,0,1)\}$.

El procedimiento es idéntico al ejemplo anterior, salvo que ahora, cada vez que tengamos que calcular un producto escalar hay que utilizar la matriz $G$. Por ejemplo para calcular $||e_1||^2=\langle e_1, e_1 \rangle $ tendremos el producto: $$\langle e_1, e_1 \rangle \begin{pmatrix} 1 & -1 & 0\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\ -1\\ 0 \end{pmatrix}= 2$$ Comenzamos renombrando al primer vector: $$e_1=(1,-1,0)$$ Usamos la fórmula para calcular $e_2$ $$\begin{array}{l} e_2 = u_2 + \lambda_{2,1}e_1= (0,1,1)+ \lambda_{2,1}(1,-1,0)\\ \end{array} $$ calculamos $\lambda_{2,1}$: $$ \lambda_{2,1}= - \frac{\langle u_2, e_1 \rangle}{||e_1||^2}= \frac{\langle (0,1,1), (1,-1,0) \rangle}{2} $$ y como $$\langle (0,1,1),(1,-1,0) \rangle =\begin{pmatrix} 0 & 1 & 1\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\ -1\\ 0 \end{pmatrix}= -1$$ entonces $\lambda_{2,1}= -1/2$ y $$e_2 = (0,1,1) + (1/2)(1,-1,0)= (1/2,1/2,1)$$ Ahora realizamos los cálculos necesarios para $\lambda_{3,1}$ y $\lambda_{3,2}$: $$ \langle u_3, e_1 \rangle =\begin{pmatrix} 0 & 0 & 1\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\ -1\\ 0 \end{pmatrix}=0 \hspace{1cm} \langle u_3, e_2 \rangle =\begin{pmatrix} 0 & 0 & 1\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1/2 \\ 1/2\\ 1 \end{pmatrix}=3 $$ $$ \langle e_2, e_2 \rangle =\begin{pmatrix} 1/2 & 1/2 & 1\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1/2 \\ 1/2\\ 1 \end{pmatrix}= 22/4=11/2 $$ $$\lambda_{3,1}= - \frac{ 0}{2}=0; \hspace{.8cm} \lambda_{3,2}= - \frac{3}{11/2}= -6/11$$ y tenemos $$e_3= (0,0,1)+ 0(1,-1,0)-(6/11)(1/2,1/2,1)=(-3/11,-3/11,5/11)$$ Por tanto la base ortogonal obtenida es $$\{ (1,-1,0),(1/2,1/2,1), (-3/11,-3/11,5/11)\}$$