Álgebra lineal con métodos elementales. Resolución de ejercicios tipo

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Complemento ortogonal, proyecciones.

Complemento ortogonal de un subespacio

Consideremos un espacio vectorial euclídeo $(V, <\; , \; >)$ y en él un subespacio $U$. El conjunto de los vectores de $V$ que son ortogonales a todos los de $U$: $$ U^{\perp} = \{ x \in V | < x, u> = 0\; \forall u \in U \} $$ es un subespacio de $V$ que es complementario de $U$ ($V=U\oplus U^{\perp}$) y recibe el nombre de complemento ortogonal de $U$. En particular $dim(U^{\perp})= dim (V) -dim(U)$.

Por ejemplo, si consideramos $\mathbb{R}^3$ con el producto escalar usual y en él el subespacio $U:\{ z=0$, es claro que un vector $(a,b,c)$ está en $U^{\perp}$ si, y sólo si, a=b=0, es decir $U^{\perp}=L((0,0,1)$.

Para determinar el complemento ortogonal de un subespacio $U$ basta tener en cuenta que un vector $x$ es ortogonal a todos los de $U$ sí, y sólo sí, es ortogonal a los vectores de una base de $U$, por tanto a partir de una base de $U$ podemos obtener unas cartesianas de $U^{\perp}$.

Se considera en $\mathbb{R}^3$ el producto escalar cuya matriz de Gram respecto de la base canónica es $\begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix}$. Para el subespacio $U:\{ x+y=0$, determinar una base de $U^{\perp}$.

Primero obtenemos una base de $U$: $$ \{ x+y=0 ; \hspace{1cm} \left\{\begin{array}{c} x= -\lambda \\ y =\lambda \\z=\gamma \end{array}\right.; \hspace{1cm} U \hbox{ tiene base } \{(-1,1,0), (0,0,1)\} $$ Ahora, para un vector cualquiera $(x,y,z) \in \mathbb{R}^3$ se tiene que: $$ (x,y,z) \in U^{\perp} \Longleftrightarrow \left\{\begin{array}{c} <(x,y,z), (-1,1,0)>=0 \\ <(x,y,z), (0,0,1)>=0 \end{array}\right. \Longleftrightarrow \left\{\begin{array}{c} \begin{pmatrix} x & y & z\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}=0 \\ \begin{pmatrix} x & y & z\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} =0 \\ \end{array}\right. \Longleftrightarrow $$ $$ \Longleftrightarrow \left\{\begin{array}{c} \begin{pmatrix} x & y & z\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} =0 \\ \begin{pmatrix} x & y & z\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix} =0 \\ \end{array}\right. \Longleftrightarrow \left\{\begin{array}{c} -x+y+z=0 \\ y+2z=0 \end{array}\right. $$ Así pues unas cartesianas de $U^{\perp}$ son $\left\{\begin{array}{c} -x+y+z=0 \\ y+2z=0 \end{array}\right.$. Para obtener una base, seguimos el proceso habitual: $$ \begin{pmatrix} -1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 2\end{pmatrix} \sim_f \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 2\end{pmatrix} $$ las cartesianas obtenidas son equivalentes a $\left\{\begin{array}{c} x+z=0 \\ y+2z=0 \end{array}\right.$ y unas paramétricas de $U^{\perp}$ son: $$ \left\{ \begin{array}{rcl} x & = & -\lambda \\ y & = & -2\lambda \\ z & = & \lambda \\ \end{array}\right. $$ y por tanto una base de $U^{\perp}$ es $\{(-1,-2,1)\}$.

Comprobemos el resultado:
1. Puesto que $U$ es un subespacio de $\mathbb{R}^3$ de dimensión $2$, la dimensión de $U^{\perp}$ ha de ser $1$.
2. Comprobemos que $(-1,-2,1)$ es realmente ortogonal a $U$:

$ <(-1,-2,1),(-1,1,0)>= \begin{pmatrix} -1 & -2 & 1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} -1 & -1 & 0\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}=0 $

$ <(-1,-2,1),(0,0,1)>= \begin{pmatrix} -1 & -2 & 1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} -1 & -1 & 0\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}=0 $.

Proyección ortogonal de un vector sobre un subespacio

Puesto que $V=U \oplus U^{\perp}$, cada vector $x$ de $V$ se expresa de forma única como suma de un vector de $U$ y uno de $U^{\perp}$: $$ x=u+w; \; u\in U, \; w \in U^{\perp} $$ A la parte en $U$ se le llama la proyección ortogonal de $x$ sobre $U$ y se denota $u=p_U(x)$. Es fácil ver que la otra parte $w$ es la proyección de $x$ sobre $U^{\perp}$. La proyección de $x$ sobre $U$ es, por tanto, el único vector $u$ verificando simultáneamente que $u \in U$ y que $(x-u) \perp U$.

Puesto que hemos visto antes cómo descomponer un vector de una suma directa, un primer método para calcular una proyección ortogonal parte de unas cartesianas de $U$ y unas de $U^{\perp}$ para calcular la descomposición

Se considera en $\mathbb{R}^3$ el producto escalar cuya matriz de Gram respecto de la base canónica es $\begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix}$. Determinar la proyección del vector $(1,2,1)$ sobre el subespacio $U:\{ x+y=0$.

Según hemos visto antes unas cartesianas de $U$ son $\{ x+y=0$ y unas de $U^{\perp}: \left\{\begin{array}{c} x+z=0 \\ y+2z=0 \end{array}\right.$ El vector $(1,2,1)$ se descompondrá en la forma: $$ (1,2,1)= (a,b,c) + (1-a, 2-b,1-c); \hbox{ con } (a,b,c) \in U; \;\;\; (1-a, 2-b,1-c)\in U^{\perp} $$ $(a,b,c)$ ha de cumplir la cartesiana de $U$ y por tanto: $a+b=0$
$(1-a, 2-b,1-c)$ ha de cumplir las cartesianas de $U^{\perp}$ y por tanto: $\left\{ \begin{array}{c}(1-a)+(1-c)=0 \\ (2-b)+2(1-c)=0 \end{array}\right. \Longleftrightarrow \left\{ \begin{array}{c}a+c=2 \\ b+2c=4 \end{array}\right. $

Resolviendo el sistema compatible determinado: $$ \left\{ \begin{array}{c}a+b=0 \\ a+c=2 \\ b+2c=4 \end{array}\right. $$ obtenemos $a= 0$, $b=0 $, $c= 2$. es decir:

$(1,2,1)= (0,0,2) + (1, 2,-1); \hbox{ con } (0,0,2) \in U; \;\;\; (1, 2,-1)\in U^{\perp}$ y por tanto:

$$p_U((1,2,1))= (0,0,2)$$ $$ p_{U^{\perp}}((1,2,1))= (1,2,-1)\;\;$$ Hay otra posibilidad para el cálculo de proyecciones ortogonales sin necesidad de calcular previamente el complemento ortogonal, que está basada en los coeficientes de Fourier. Se usa el siguiente teorema:

Sea $(V, <\;\; ,\;\; >)$ un espacio vectorial euclídeo y sean $U$ un subespacio de $V$ y $\{e_1,\dots ,e_r\}$ una base ortogonal de $U$. Entonces, dado un vector $v \in V$ se verifica: $$ p_U(x)= \frac{< x,e_1>}{|| e_1 ||^2} e_1 + \dots + \frac{< x,e_r>}{|| e_r ||^2} e_r $$

El inconveniente de este método es que se necesita una base ortogonal del subespacio y a menudo conlleva trabajo calcularla.

Se considera en $\mathbb{R}^3$ el producto escalar cuya mariz de Gram respecto de la base canónica es $\begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix}$. Determinar la proyección del vector $(1,2,1)$ sobre el subespacio $U:\{ x+y=0$.

Según hemos visto una base de $U$ es $\{(-1,1,0), (0,0,1)\}$, veamos si es ortogonal: $$ <(-1,1,0), (0,0,1)>= \begin{pmatrix} -1 & 1 & 0\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} -1 & 1 & 1\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}= 1 $$ luego no es ortogonal. Usando Gram-Schmidt, ponemos $u_1=(0,0,1)$, $u_2 = (-1,1,0)$ y obtenemos:

$e_1=u_1=(0,0,1)$
$e_2=u_2 - \frac{< u_2,e_1>}{< e_1,e_1>} e_1 = (-1,1,0) -\frac{1}{2} (0,0,1) = (-1,1, -\frac{1}{2})$

Así pues una base ortogonal de $U$ es $\{ e_1=(0,0,1), e_2=(-1,1, -\frac{1}{2})\}$.

Podemos obtener la proyección de $x= (1,2,1)$ sobre $U$ usando la fórmula: $$ p_U(x)= \frac{< x,e_1>}{|| e_1 ||^2} e_1 + \frac{< x,e_2>}{|| e_2 ||^2} e_2 $$

Calculamos los coeficientes:

$< x,e_1>= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 4\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} = 4 $

$ || e_1||^2=< e_1,e_1>= \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} = 2 $

$ < x,e_2>= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ -\frac{1}{2} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 4\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ -\frac{1}{2}\end{pmatrix} = 0 $

y sustituimos en la fórmula:

$$ p_U(x)= 2 (0,0,1) - 0 (-1,1, -\frac{1}{2}) = (0,0,2) $$ Usando que $x=p_U(x) + p_{U^{\perp}}(x)$, para conocer la proyección de un vector $x$ sobre $U$ es suficiente conocer su proyección sobre $U^{\perp}$ ya que: $$ p_U(x) = x - p_{U^{\perp}}(x) $$ Esto es práctico en el caso en que es más fácil calcular la proyección sobre $U^{\perp}$, por ejemplo cuando la dimensión de $U^{\perp}$ vale $1$ ya que entonces cualquier base de $U^{\perp}$ será ortogonal al tener un único vector.

Se considera en $\mathbb{R}^3$ el producto escalar cuya mariz de Gram respecto de la base canónica es $\begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix}$. Determinar la proyección del vector $(1,2,1)$ sobre el subespacio $U:\{ x+y=0$.

Según hemos visto antes, una base de $U^{\perp}$ es $\{e_1=(-1,-2,1)\}$ y es obviamente ortogonal al contener un sólo vector. Aplicando la fórmula: $$ p_{U^{\perp}}(x)= \frac{< x,e_1>}{|| e_1 ||^2} e_1 $$

$< x,e_1>= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 4\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix} = -3 $

$ || e_1||^2=< e_1,e_1>= \begin{pmatrix} -1 & -2 & -1\end{pmatrix} \begin{pmatrix}1& 0 & 0\\ 0& 1 & 1 \\ 0 &1 & 2\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 & -1 & 0\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix} = 3 $

luego: $$ p_{U^{\perp}}(x)= (-1) (-1,-2,1) = (1,2,-1) $$ y en consecuencia $$ p_U(x) = x - p_{U^{\perp}}(x)= (1,2,1) - (1,2,-1)= (0,0,2) $$