Lezioni di Geometria

Franco Ghione


Capitolo X





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.
Precisamente diciamo che in uno spazio vettoriale V su R è definito un prodotto scalare se è possibile determinare in modo univoco, per ogni coppia di vettori u e v, un numero reale, che denotiamo con u.v e che chiamiamo il prodotto scalare di u per v in modo che siano verificati i seguenti postulati:

  • u.u > 0 per ogni vettore u ed è zero se e solo se u = 0

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.

  • u.v = v.u per ogni coppia di vettori u e v di V
  • proprietà commutativa

  • (au).v = a(u.v) per ogni scalare a e per ogni coppia di vettori u e v di V


  • u.(v + w) = u.v + u.w comunque si scelgano i vettori u, v e w in V.
    Le ultime due proprietà sono dette condizioni di bilinearità

Il primo postulato ci permette di definire in uno spazio vettoriale astratto il modulo di un vettore con la consueta regola

e gli altri ci permettono di dimostrare come nel caso dei vettori numerici, la disuguaglianza di Schwartz,

|v.u|<|u||v|

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.
L'ortogonalità permette di costruire famiglie di vettori indipendenti. Supponiamo che u e v siano due vettori non nulli e ortogonali, allora i vettori u e v sono linearmente indipendenti.

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

au + bv = 0

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

0 = 0.u = (au + bv).u= (au).u + (bv).u =a(u.u) + b(u.v) = a|u|2

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.
Se ora abbiamo un terzo vettore w non nullo ortogonale sia a u che a v, allora i tre vettori sono anche in questo caso, linearmente indipendenti. Ancora la cosa è evidente in un contesto geometrico perché se w è ortogonale sia a u che a v, è ortogonale a un qualunque piano individuato da u e da v e quindi definisce una direzione fuori da quel piano che, per questo, è indipendente dalle altre due.

La dimostrazione formale di questo fatto è simile alla precedente: se

au + bv + cw = 0

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.
In generale abbiamo il seguente

Teorema X 1
Sia V uno spazio vettoriale dotato di un prodotto scalare e siano u1, u2, ... , um m vettori di V linearmente indipendenti. Se v è un vettore non nullo ortogonale a tutti i vettori ui (i=1,2,...,m), allora gli m+1 vettori u1, u2, ... , um, v sono linearmente indipendenti.
La dimostrazione è identica a quelle precedenti.