Lezioni di Geometria Franco Ghione |
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X. Il prodotto scalare in uno spazio vettoriale
Per completare l'analogia tra i vettori geometrici e gli spazi vettoriali dobbiamo ancora introdurre la nozione di prodotto scalare. Il metodo che
seguiremo è sempre quello assiomatico deduttivo di stampo euclideo. Scegliamo il minor numero possibile di postulati che ci consentano di
fare i calcoli
e le dimostrazioni essenziali alla nostra teoria. In particolare sceglieremo i postulati in modo da poter formalizzare in astratto la
disuguaglianza di
Schwartz che si consiglia di riguardare.
Questa proprietà si esprime dicendo che il prodotto scalare è definito positivo. Questo postulato ci serve per avere una buona teoria
dell'ortogonalità, ma ci sono importanti situazioni come ad esempio lo spazio-tempo di Minkowski della relatività ristretta, dove questo postulato
non viene considerato. Gli altri postulati sono i seguenti.
![]() e gli altri ci permettono di dimostrare come nel caso dei vettori numerici, la disuguaglianza di Schwartz, dove l'uguaglianza vale se e solo se i due vettori sono linearmente dipendenti. Questa disuguaglianza ci permette di definire l'angolo tra due vettori di uno spazio vettoriale astratto come quell'unico angolo convesso il cui coseno è dato da ![]()
Come nei casi già considerati diciamo che due vettori sono ortogonali se e solo se il loro prodotto scalare è nullo. Dato che 0.u=0 per ogni vettore u il vettore nullo è ortogonale ad ogni vettore e quindi questa relazione è interessante per vettori non nulli. ![]() la cosa geometricamente è evidente dato che, se v è ortogonale a u non può avere la stessa direzione di u e quindi i due vettori devono essere linearnete indipendenti. Da un punto di vista formale, non possiamo seguire questo ragionamento, ma possiamo usare i nostri postulati. Supponiamo che sia una combinazione lineare nulla dei due vettori. Moltiplicando scalarmente i due membri con u e tenendo conto del fatto che v.u = 0 essendo ortogonali i due vettori, otteniamo e quindi essendo |u| non nullo deve essere a = 0. Moltiplicando per v con lo stesso calcolo si ricava b=0.
L'unica combinazione lineare nulla dei due vettori è quella banale e dunque i due vettori sono linearmente indipendenti. ![]() La dimostrazione formale di questo fatto è simile alla precedente: se allora, moltiplicando scalarmente per w, che è ortogonale a u e a v troviamo
c|w|2 = 0. Ora, essendo w non nullo, questo implica c = 0. Ma, se c=0, dato che i vettori
u e v, sono linearmente indipendenti la loro sola combinazione lineare nulla è quella banale, e quindi anche a = 0
e b = 0.
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