Vetores

Jacques Wainer

16/3/20

Vetores

Capítulo 2 do livro texto

video https://www.youtube.com/watch?v=fNk_zzaMoSs e https://www.youtube.com/watch?v=k7RM-ot2NWY

Vetor como flecha

flecha com:

as flechas não estão presas a pontos

você pode mexer um vetor/flecha desde que não mude a direção e o tamanho (deslocamento paralelo)

https://mathinsight.org/vector_introduction

Soma de vetores

\vec{a} + \vec{b}

Coloque um vetor no fim do outro. A soma é o vetor do inicio do primeiro até o fim do segundo

multiplicação por escalar

multiplicar um vetor pro um numero é multiplicar o tamanho da flecha por esse numero sem mexer na direção

vetor \vec{0}

um ponto

\vec{a}+\vec{0} = \vec{a}

angulo entre 2 vetores

Vetor como ponto no espaço

um vetor é um ponto no espaço R^n.

representado por uma sequencia de números que são as coordenadas dos pontos

representado como um vetor de pé

\left[ \begin{array}{r} 2\\ 4\\ -3\\ \end{array} \right]

nessas transparências eu vou representar o vetor como [2,4,-3]^T e de vez em quando vou nem usar o { }^T (só porque fica mais fácil editar a página).

soma de vetores

[1,2,3]+[10,20,-10]=[11,22,-7]

4*[2,3,4] = [8,12,16]

Flechas e pontos são a mesma coisa

o ponto no espaço

[2,3,-1]^T

é o vetor/flecha

2\vec{x} + 3\vec{y} -1 \vec{z}

onde \vec{x} é o vetor de magnitude 1 na direção da coordenada x, vec{y} o vetor de margnitude 1 na direção da coordenada y

Espaço vetorial

regras: https://mathworld.wolfram.com/VectorSpace.html

subespaço

Se V é um espaço vetorial, S é um subespaço de V se

Combinação linear

dados vetores a, b e c, uma combinação linear desses vetores é o vetor

\alpha a + \beta b + \gamma c

para algum \alpha, \beta e \gamma real.

vetores linearmente independentes

um conjunto de vetores é linearmente independente se nenhum deles é a combinação linear dos outros.

span de vetores.

O span de vetores a e b é conjunto de vetores gerado por todas as combinações lineares de a e b.

Base

seção III cap 2 do livro texto

base é um conjunto linearmente independente de vetores cujo span é o próprio espaço vetorial.

o número de vetores na base é a dimensão do espaço.

Geometria?

Se temos pontos no espaço com 3 coordenadas, então em principio estamos falando do espaço R^3 que é um espaço de 3 dimensões.

Base: [1,0,0], [0,1,0], e [0,0,1]

Mas podemos estar interessados num subespaço desse espaço. Por exemplos os pontos [x,y,z] onde x=y=z.

Esse subespaço tem como base [1,1,1], e portanto tem dimensão 1.

O espaço de dimensão 1 esta embedded no espaço “maior” de dimensão 3.

affine space

um affine space é um subespaço que não contem o \vec{0}

https://en.wikipedia.org/wiki/Affine_space

[x,y,z] onde x = y = z-1

isso é um “espaço” 1-dimensional, deslocado na direção z

veja que isso não é um espaço vetorial pois ele não contem o [0,0,0]. Mas pode ser pensado como um espaço vetorial deslocado

linhas e planos e hiperplanos

Num certo sentido, espaços affine captura a ideia de linhas (espaços affine 1 D) e planos (espaços affine 2D) embedded em espaços vetoriais maiores.

Um linha no espaço 3D é algo parecido com um subespaço de 1D embedded no espaço 3.

Um plano no espaço 3D é um espaço affine 2D embedded num espaço 3D

Normalmente chamamos de hiperplano um espaço affine de dimensão 1 menos a dimensão do espaço onde ele esta embedded. (Mas acho isso não é 100% necessário - acho que o hiperplano pode ter menos dimensões ainda - uma linha em 3D é um hiperplano)

Indo mais para geometria, hiperesfera é o conceito de esfera (pontos distantes r de um centro) para espaços de mais dimensões.

hipercubo estende cubos para mais dimensões.

simplex estende triângulos (e tetraedros) para N dimensões.

“subespaços” curvos - manifold

de vez em quando (mas não o curso de álgebra linear) queremos falar de uma “linha curva” ou um “plano curvo”

Isso são extensões não lineares de espaço affine.

superfície é um “espaço curvo” 2D

manifold é o nome genérico de um “espaço curvo” embedded dentro de um espaço maior.

Um espaço affine tradicional (não curvo) é um manifold linear

Produto interno - produto escalar

função de 2 vetores para um real <a, b>

segue regras: https://mathworld.wolfram.com/InnerProduct.html

<a, b> em algumas áreas de aprendizado de maquina é chamado de kernel.

dot product ou produto interno euclidiano (tradicional)

<a , b> = |a| |b| cos \theta = a_1 b_1 + a_2 b_2 + \ldots a_n b_n

onde a_i é o valor da dimensão i do vetor a. \theta é o angulo entre os vetores, $| a| $ é a magnitude do vetor a

produto interno como similaridade

dot product é uma medida de similaridade entre vetores

quanto mais parecidos maior o número.

quando os vetores são paralelos (mesma direção), \theta = 0, cos \theta = 1

tamanho de um vetor

para o produto interno tradicional

|v| = \sqrt{<v,v>}

Produto interno é uma forma de definir o tamanho de um vetor (que é mais relevante se os vetores são coisas esquisitas - ver abaixo)

distancia entre 2 vetores

d(x,y) = \sqrt{<x-y,x-y>}

ortogonalidade

Vetores são ortogonais (angulo entre eles é 90 graus) se <a,b> = 0

base ortogonal

base é ortogonal se cada par de vetores de uma base são ortogonais entre si.

base é ortonormal se alem de ortogonal cada vetor da base tem tamanho = 1

Espaços vetoriais “estranhos”

polinômios de grau 3

a+bx+cx^2+dx^3

soma e produto são soma de polinômios e produto dos coeficientes pelo escalas.

Note que cada vetor é uma função.

a base tradicional desse espaço é {1,x,x^2,x^3}

Esse espaço tem dimensão 4

o polinômio acima pode ser representado como [a,b,c,d]. Veja que as operações funcionam com essa representação

Não há uma definição única para o produto interno de polinômios veja https://math.stackexchange.com/questions/2412804/examples-of-inner-products-on-a-polynomial-vector-space

qualquer polinômio

a_0 +a_1 x + a_2 x^2 + a_3 x^3 + \ldots

pode ser representado com o vetor infinito [a_0, a_1, a_2, \ldots, 0 , 0 \ldots]

espaço de infinitas dimensões!

funções definida num intervalo fixo

todas as funções definidas no intervalo [a,b].

soma de funções f+g = (f+g)(x)= f(x)+g(x)

produto por escalar \alpha f = (\alpha f)(x) = \alpha f(x)

base??

<f,g> = \int_{a}^{b} f g dx