אורתוגונליות

אוֹרְתּוֹגוֹנָלִיּוֹּת היא הכללה של תכונת הניצבות המוכרת מגאומטריה. בגאומטריה, שני ישרים במישור האוקלידי ניצבים זה לזה אם הזווית הנוצרת בנקודת החיתוך שלהם היא זווית ישרה (בת 90 מעלות). מושג האורתוגונליות מנסה לתפוס תכונה זו גם עבור ההכללות של המישור האוקלידי - המרחבים הווקטוריים שאבריהם אינם בהכרח ישרים אלא וקטורים, שהם מושג כללי יותר.

על מנת להכליל את מושג הניצבות יש ראשית להכליל את מושג הזווית בין שני וקטורים. לשם כך משתמשים בפונקציה שמקבלת שני וקטורים ומחזירה גודל שניתן לחשוב עליו כעל מכפלת אורכי הווקטורים זה בזה ובקוסינוס הזווית ביניהם. פונקציה זו נקראת "מכפלה פנימית". ישנן מכפלות פנימיות רבות שניתן להגדיר על מרחב וקטורי, ולכן גם מושגי האורך והזווית של וקטורים יכולים לקבל משמעויות רבות, אבל יש כמה תכונות בסיסיות שאנו מצפים שיתקיימו תמיד, ואלו התכונות שמאפיינות את המכפלה הפנימית. מכיוון שקוסינוס של זווית בין שני ישרים ניצבים שווה ל-0 מתבקש להגדיר שני וקטורים כאורתוגונליים אם המכפלה הפנימית שלהם שווה ל-0.

לווקטורים אורתוגונליים חשיבות רבה כאשר חוקרים מרחבים וקטוריים. לבסיס של מרחב וקטורי יש מספר תכונות נוחות כאשר הוא אורתונורמלי (כל אבריו אורתוגונליים זה לזה ובעלי אורך 1). יתר על כן, מתברר שבהינתן בסיס כלשהו למרחב וקטורי ניתן לקבל ממנו בסיס חדש שכל אבריו אורתוגונליים זה לזה, כך שתמיד ניתן למצוא בסיס נוח שכזה. דבר זה נעשה על ידי תהליך גרם-שמידט.

אורתוגונליות בין וקטורים

לכאורה, אורתוגונליות וניצבות הן מילים נרדפות. מיוונית, אורתו - ישר, גוניה - זווית. אבל ניצבות היא רק מקרה פרטי של אורתוגונליות במרחב האוקלידי התלת-ממדי - שני ישרים החותכים זה את זה בזווית ישרה הם אורתוגונליים זה לזה.

באופן כללי, שני וקטורים הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,u,v} במרחב מכפלה פנימית הם אורתוגונליים זה לזה אם ורק אם מכפלתם הפנימית שווה ל-0. הסימון המקובל לכך הוא הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,u\perp v} .

(בפרט, שני ישרים אורתוגונליים זה לזה אם המכפלה הסקלרית שלהם שווה ל-0, כלומר אם הם מאונכים זה לזה)

מסקנות הנובעות מתכונות המכפלה הפנימית

• אם הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,u\perp v} , אז הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,v\perp u} .
• אם הפענוח נכשל (שגיאת המרה. השרת ("https://wikimedia.org/api/rest_") השיב: "Cannot get mml. Server problem."): {\displaystyle \,u\perp v} , אזי לכל סקלר הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,\lambda} גם הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,\lambda u\perp v} .
• אם הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,u\perp v} וגם הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,w\perp v} , אזי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ (w+u) \perp v} .
• אם וקטור אורתוגונלי לקבוצה של וקטורים אזי הוא גם אורתוגונלי לכל צירוף לינארי שלהם. זוהי מסקנה ישירה משתי התכונות הקודמות.

וקטור אורתוגונלי למרחב

יהי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,U} , תת-מרחב של $\,V$, ויהי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,v\in V} .

הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,v} יקרא אורתוגונלי ל-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,U} , ויסומן הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,v\perp U} , אם הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,v} אורתוגונלי לכל אחד מאיברי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,U} .

על כן, (לפי המסקנות לעיל) הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,v\perp U} אם ורק אם הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,v} אורתוגונלי לקבוצה הפורשת את $\,U$, ובפרט לבסיס של הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,U} .

תת-מרחב משלים אורתוגונלי

תת מרחב משלים אורתוגונלי (או תת מרחב מאונך) של תת-מרחב אוקלידי נתון, הוא תת-מרחב שכל וקטור בו אורתוגונלי לכל וקטור בתת-המרחב הנתון. במילים אחרות, הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,V} הוא תת-מרחב מאונך של הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,U} מעל מכפלה פנימית הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \langle -,- \rangle : V \times V \to F} אם מתקיים כי: הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \forall u\in U , v\in V . \langle u,v \rangle=0} .

לכל תת-מרחב אוקלידי יש תת-מרחב משלים אורתוגונלי. לדוגמה, במרחב אוקלידי דו ממדי, המשלים האורתוגונלי של כל ישר הוא פשוט הישר המאונך לו. במרחב אוקלידי תלת ממדי, תת-המרחב המשלים האורתוגונלי של כל ישר הוא המישור המאונך לו, ותת המרחב המשלים האורתוגונלי של כל מישור הוא הישר המאונך לו (כמובן, מדובר רק על ישרים ומישורים המהווים תת מרחבים, כלומר עוברים דרך ראשית הצירים).

אורתונורמליות

קבוצת וקטורים תקרא אורתוגונלית אם כל זוג וקטורים מהקבוצה אורתוגונליים זה לזה. קבוצת וקטורים תקרא אורתונורמלית אם בנוסף לדרישה הקודמת כל וקטור בקבוצה הוא מנורמל, כלומר: הנורמה שלו שווה ל-1. את התנאי לאורתונורמליות אפשר להציג באופן אלגנטי באמצעות הדלתא של קרונקר:

קבוצה הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \,A} היא אורתונורמלית אם ורק אם הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \forall v_n, v_m \in A : \lang v_n , v_m \rang = \delta_{n,m}} .

דוגמאות:

1. הבסיס הסטנדרטי הוא בסיס אורתונורמלי תחת המכפלה הפנימית הסטנדרטית.
2. כל אופרטור סיבוב הוא מטריצה אורתונורמלית.

בהינתן בסיס כלשהו של מרחב מכפלה פנימית (סופי או בן מנייה), ניתן להפיק ממנו בסיס אורתונורמלי באמצעות תהליך גרם-שמידט.

דוגמאות

• ב-$\mathbb {R} ^{3}$ הבסיס הסטנדרטי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{e}_1 = (1,0,0), \ \vec{e}_2 = (0,1,0), \ \vec{e}_3 = (0,0,1)} הוא סדרה אורתונורמלית ביחס למכפלה הסקלרית.
• באופן כללי, ב-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb{R}^n} הבסיס הסטנדרטי הוא סדרה אורתונורמלית ביחס למכפלה הסקלרית.
• ב-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathbb{R}^2} הסדרה הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{v}_1 = (1,1), \ \vec{v}_2 = (1,-1)} היא אורתוגונלית ביחס למכפלה הסקלרית (כי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \langle v_1 , v_2 \rangle = 1 \cdot 1 + 1 \cdot (-1) = 0} ) אבל לא אורתונורמלית, כי למשל הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \langle v_1 , v_1 \rangle = 1 \cdot 1 + 1 \cdot 1 = 2 \ne 1} .

דוגמאות לפולינומים אורתוגונלים

קיימים מספר פולינומים אורתוגונלים ביחס למכפלתם הפנימית:

1. פולינומי לז'נדר אורתוגונליים ביחד למכפלה הפנימית הסטנדרטית של מרחב הפולינומים.
2. פולינומי צ'בישב
3. פולינומי הרמיט
4. פולינומי לגר

ראו גם

• תהליך גרם-שמידט
• פולינומי לז'נדר