קורס: אלגברה לינארית 2
אוניברסיטה: אוניברסיטת בר-אילן
שנה: 2025
סמסטר: א
נושאים: מכפלה פנימית, מרחב מכפלה פנימית, הוכחה, אי-שוויון קושי-שוורץ
רמת קושי: בינוני
נסחו והוכיחו את אי-שוויון קושי-שוורץ (כולל תנאי מספיק והכרחי לשיוויון).
רמז: הגדירו את הוקטור $w = u - \frac{\langle u,v \rangle}{\|v\|^2}v$ ודרשו $\|w\|^2 \geq 0$. השיוויון מתקיים אמ"מ $w = 0$, כלומר $u$ ו-$v$ **תלויים לינארית**.
פתרון: **ניסוח:** יהי $V$ מרחב מכפלה פנימית (ממשי). לכל $u, v \in V$ מתקיים:
$$|\langle u, v \rangle|^2 \leq \|u\|^2 \cdot \|v\|^2$$
כלומר $|\langle u, v \rangle| \leq \|u\| \cdot \|v\|$. שיוויון מתקיים אמ"מ $u$ ו-$v$ **תלויים לינארית**.
**הוכחה:** אם $v = 0$: שני האגפים מתאפסים ואין מה להוכיח. נניח $v \neq 0$.
נגדיר:
$$w = u - \frac{\langle u, v \rangle}{\|v\|^2}\, v$$
מאי-שליליות הנורמה:
$$0 \leq \|w\|^2 = \left\langle u - \frac{\langle u,v\rangle}{\|v\|^2}v,\; u - \frac{\langle u,v\rangle}{\|v\|^2}v \right\rangle$$
$$= \|u\|^2 - 2\frac{\langle u,v\rangle^2}{\|v\|^2} + \frac{\langle u,v\rangle^2}{\|v\|^4}\|v\|^2 = \|u\|^2 - \frac{\langle u,v\rangle^2}{\|v\|^2}$$
לכן:
$$\langle u, v \rangle^2 \leq \|u\|^2 \cdot \|v\|^2 \qquad \blacksquare$$
**תנאי לשיוויון:** $\|w\|^2 = 0$ אמ"מ $w = 0$, כלומר $u = \frac{\langle u,v\rangle}{\|v\|^2}v$. זה מתקיים אמ"מ $u$ הוא כפל סקלרי של $v$, כלומר $u$ ו-$v$ **תלויים לינארית**. $\blacksquare$
נסחו והוכיחו את אי-שוויון קושי-שוורץ (כולל תנאי מספיק והכרחי לשיוויון).
אוניברסיטת בר-אילןמועד א2025סמסטר א
מכפלה פנימיתמרחב מכפלה פנימיתהוכחהאי-שוויון קושי-שוורץ
הגדירו את הוקטור w=u−∥v∥2⟨u,v⟩v ודרשו ∥w∥2≥0. השיוויון מתקיים אמ"מ w=0, כלומר u ו-v תלויים לינארית.
ניסוח: יהי V מרחב מכפלה פנימית (ממשי). לכל u,v∈V מתקיים:
∣⟨u,v⟩∣2≤∥u∥2⋅∥v∥2
כלומר ∣⟨u,v⟩∣≤∥u∥⋅∥v∥. שיוויון מתקיים אמ"מ u ו-v תלויים לינארית.
הוכחה: אם v=0: שני האגפים מתאפסים ואין מה להוכיח. נניח v=0.
נגדיר:
w=u−∥v∥2⟨u,v⟩v
מאי-שליליות הנורמה:
0≤∥w∥2=⟨u−∥v∥2⟨u,v⟩v,u−∥v∥2⟨u,v⟩v⟩
=∥u∥2−2∥v∥2⟨u,v⟩2+∥v∥4⟨u,v⟩2∥v∥2=∥u∥2−∥v∥2⟨u,v⟩2
לכן:
⟨u,v⟩2≤∥u∥2⋅∥v∥2■
תנאי לשיוויון: ∥w∥2=0 אמ"מ w=0, כלומר u=∥v∥2⟨u,v⟩v. זה מתקיים אמ"מ u הוא כפל סקלרי של v, כלומר u ו-v תלויים לינארית. ■