Determinante

Messaggioda gaspare » 31/01/2024, 21:08

Ciao a tutti, ho un dubbio su una affermazione del mio professore

Siano dati n vettori ${v_1, . . . , v_n}$ in $RR^n$. Consideriamo il parallelogramma
generato da essi. Usando il prodotto scalare standard, possiamo definire il
volume di tale figura. A meno di segno, tale volume coincide con il determinante
della matrice avente come colonne i vettori dati. Infatti, a meno di
trasformazioni ortogonali che non modificano n e' il determinante (a parte forse
il segno) n e' il volume, posso supporre che il primo vettore sia $v1 = λ_(11)e_(1)$, il
secondo $v2 = λ_(12)e_(1) + λ_(22)e_2$, etc. In questo caso $det = Πλ_(ii)$, che è il prodotto
della lunghezza della base v1 per le varie altezze.
Credo di non capire in che senso una trasformazione ortogonale possa portare a quella scrittura per colonne. In sostanza mi pare che sia equivalente a dire che una riduzione per gauss sia una trasformazione ortogonale?

Inoltre secodno dubbio: "$det = Πλ_(ii)$, che è il prodotto della lunghezza della base v1 per le varie altezze", non capisco bene il motivo. Dato che io ho una matrice triangolare ho il prodotto di elementi della diagonale, ma non vedo perché sia il prodotto di base per altri vettori altezze.

Potrei chiedervi un aiuto? Grazie
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Messaggioda j18eos » 31/01/2024, 21:48

Suppongo due fatti:
  1. il tuo professore abbia parlato di \(\displaystyle n\)-parallelepipedo;
  2. credo che abbia usato l'algoritmo di Gram-Schmidt per giungere al suo risultato (corretto).
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Re: Determinante

Messaggioda gaspare » 31/01/2024, 23:47

Ci ho ripensato un po' ma devo dire che non sono così sicuro di aver capito in che modo:
1) l'ortogonalizzazione di G-S mi dia quella matrice triangolare che ha per colonne $v_1 = λ_(11)e_(1)+0e_(2)+...+0e_(n)$, $v_2 = λ_(12)e_(1) + λ_(22)e_2+0+...+0$ ecc... fino a n.
Io parto da dei vettori $v_1' = ae_(1)+be_(2)+....+fe_(n)$, $v_2' = alphae_(1)+betae_(2)+....+xie_(n)$, ..., $v'n$ e in che modo trovo dei vettori con un termine, due termine, n termini che posti in colonna mi danno la matrice triangolare voluta? Non mi risulta che G-S mi permetta questo.

2) inoltre perché G-S è una trasformazione ortogonale? In che senso?
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Messaggioda j18eos » 01/02/2024, 18:02

Innanzitutto il volume dell'\(\displaystyle n\)-parallelepipedo è non nullo se e solo se quei vettori formano una base di \(\displaystyle\mathbb{R}^n\)!

Quindi, l'algoritmo di Gram-Schmidt (senza normalizzare nulla), applicata alla precedente base ti restituisce una base ortogonale!

Fin qui ci siamo capiti? :?:
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Re: Determinante

Messaggioda gaspare » 01/02/2024, 18:31

Sulla seconda parte mi pare di esserci, se non altro perché è molto banale: G-S applicata a una base proprio per come è "studiato" G-S mi dà una base ortogonale. Fin qui è "tautologico".

La prima parte invece non sono sicuro, a intuito direi che se i vettori non formassero una base di $RR^n$ cosa succederebbe? Beh succederebbe che ad esempio (almeno) due vettori sono l.d e quindi cosa accade, istintivamente mi verrebbe da dire che ho un volume di un (n-1)parallelepipedo, invece dici che uscirebbe nullo, non capisco bene il motivo. Ad esempio in dimensione 3 se ho 3 $a,b,c$ vettori e mettiamo 2 collineari (cioè $b=kc$ con k parametro scalare), allora il volume $a*b*c$ si ridurrebbe a $a*kc*c=a*c(k+1)$ il volume-1 ossia una superficie. No?
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Re: Determinante

Messaggioda Martino » 01/02/2024, 18:38

Siano dati n vettori ${v_1, . . . , v_n}$ in $RR^n$. Consideriamo il parallelogramma
generato da essi. Usando il prodotto scalare standard, possiamo definire il
volume di tale figura. A meno di segno, tale volume coincide con il determinante
della matrice avente come colonne i vettori dati. Infatti, a meno di
trasformazioni ortogonali che non modificano n e' il determinante (a parte forse
il segno) n e' il volume, posso supporre che il primo vettore sia $v1 = λ_(11)e_(1)$, il
secondo $v2 = λ_(12)e_(1) + λ_(22)e_2$, etc. In questo caso $det = Πλ_(ii)$, che è il prodotto
della lunghezza della base v1 per le varie altezze.
Questa dimostrazione lascia molto all'immaginazione, d'altra parte è difficile scriverne una formale. L'idea è che devi pensare geometricamente. Immagina i vettori come freccette nello spazio, per aiutarti l'intuizione ti conviene immaginare due vettori nel piano, come per esempio (1,0) e (0,1). Se sommi a uno dei due vettori un multiplo dell'altro, l'area delimitata dai due vettori non cambia. Nel caso dei vettori (1,0) e (0,1) nel piano, stai passando da un quadrato (unitario) a un parallelogramma con la stessa area (fai un disegno!). Questo significa che le operazioni elementari di Gauss applicate ai vettori (che possono essere righe o colonne a seconda di come scrivi la matrice) non cambiano il volume e nemmeno il determinante. Questo significa che, tramite la riduzione di Gauss, ti porti a una forma triangolare e i vettori che compaiono nella matrice delimitano un volume uguale (uguale come valore, non come forma) a quello che avevi all'inizio.

Ora, avendo dei vettori che formano una matrice triangolare, il volume delimitato da essi è proprio il prodotto degli elementi diagonali. Per convincertene pensa prima al caso 2x2, poi al caso 3x3. Per esempio nel caso 2x2 se ho la matrice

$((5,3),(0,2))$

i suoi vettori colonna determinano un parallelogramma di base 5 e altezza 2, quindi area $5*2 = 10$. Questo è perché l'area di un parallelogramma è dato da base per altezza.

Quando dico che due vettori $v$, $w$ determinano un parallelogramma intendo che i vertici di tale parallelogramma sono l'origine degli assi, il punto finale del vettore $v$, il punto finale del vettore $w$ e il punto finale del vettore $v+w$.
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Re: Determinante

Messaggioda gaspare » 01/02/2024, 19:58

Ciao e grazie anche a te per la risposta.

mi sembra di riuscire a intuire il tuo discorso ho solo due punti dubbi + uno che mi porto dietro dal principio, vediamo...

Se sommi a uno dei due vettori un multiplo dell'altro, l'area delimitata dai due vettori non cambia

Intuitivamente lo vedo (ad esempio sommando un multiplo di (0,1) a (1,0) evidentemente mi si striminzisce il parallelogramma e mi trovo una altezza più piccola e una base più bislunga e si compensano in valore moltiplicate), però non riesco bene a capire il motivo rimanga un area immutata.

Inoltre ho un secondo dubbio: quella che indichi è solo una mossa di gauss ma tecnicamente potrei scambiare due righe e addirittura moltiplicare tutta una riga per una costante, perché questi non variano area/volume?

Ora, avendo dei vettori che formano una matrice triangolare, il volume delimitato da essi è proprio il prodotto degli elementi diagonali. Per convincertene pensa prima al caso 2x2, poi al caso 3x3. Per esempio nel caso 2x2 se ho la matrice
in effetti funziona, però mi sembra molto "empirico" nel senso che funziona per 2 e 3 ma chi mi dice che per n sia uguale?

Per passare invece all'alro dubbio

1) continuo a non capire però in che senso una trasformazione ortogonale possa portarmi a questa scrittura, inoltre se così è le 3 mosse di gauss sono trasformazioni ortogonali?
in che senso, perché per trasformazioni ortogonali mi vengono in mente matrici ortogonali che le compiono e non credo di capire il nesso.

PS: tra l'altro mi sovviene anche un altro dubbio, con gauss posso ridurre la matrice in forma triangolare ma chi mi assicura che un termine della diagonale principale non sia nullo? Tecnicamente non lo so a priori, ma questo vanificherebbe l'idea di moltiplicare la diagonale viste come altezze perché avrei ovviamente volume nullo.
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Re: Determinante

Messaggioda Martino » 01/02/2024, 21:19

gaspare ha scritto:non riesco bene a capire il motivo rimanga un area immutata.
Per capire basta che leggi la dimostrazione del fatto che l'area di un parallelogramma è base per altezza (penso che basti una ricerca su Google).

Inoltre ho un secondo dubbio: quella che indichi è solo una mossa di gauss ma tecnicamente potrei scambiare due righe e addirittura moltiplicare tutta una riga per una costante, perché questi non variano area/volume?
Moltiplicare una riga per una costante ha l'effetto di moltiplicare il volume per quella costante. Quando parlavo di operazioni di Gauss mi riferivo a quelle che sommano a una riga un multiplo di un'altra riga. Invece scambiare due righe non cambia il volume (ovviamente) ma cambia il segno del determinante. Questo significa che il determinante coincide col volume a meno del segno.

in effetti funziona, però mi sembra molto "empirico" nel senso che funziona per 2 e 3 ma chi mi dice che per n sia uguale?
Bisogna scrivere una dimostrazione, basandosi sul volume di un parallelepipedo generalizzato n-dimensionale. Non è particolarmente difficile, ma la profondità della dimostrazione che hai voglia di scrivere dipende un po' dalla tua sensibilità. Devi scegliere cosa dare per scontato e cosa no.

con gauss posso ridurre la matrice in forma triangolare ma chi mi assicura che un termine della diagonale principale non sia nullo? Tecnicamente non lo so a priori, ma questo vanificherebbe l'idea di moltiplicare la diagonale viste come altezze perché avrei ovviamente volume nullo.
Se nella forma triangolare un elemento diagonale è nullo allora il volume è nullo. Prova a farti degli esempi (per esempio pensa al caso 2x2). Devi ovviamente ricordare che la nozione di volume è intrinsecamente legata allo spazio in cui sei. Per esempio un quadrato di lato 1 nel piano ha area 1, ma se lo consideriamo nello spazio tridimensionale (aggiungendo l'asse Z per esempio) allora quello stesso quadrato ha volume nullo, cioè visto come oggetto tridimensionale ha volume nullo (è come un parallelepipedo di altezza zero). Allo stesso modo un segmento nel piano ha area nulla, e un punto nella retta ha lunghezza nulla.

continuo a non capire però in che senso una trasformazione ortogonale possa portarmi a questa scrittura, inoltre se così è le 3 mosse di gauss sono trasformazioni ortogonali?
Cosa intendi per "trasformazione ortogonale"? Se intendi isometria allora no, la mossa di Gauss di sommare una riga a un multiplo di un'altra riga non è un'isometria, cioè non preserva le distanze (ti sei accorto anche tu che puoi passare da un quadrato a un parallelogramma molto allungato).
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Re: Determinante

Messaggioda gaspare » 02/02/2024, 00:05

Per capire basta che leggi la dimostrazione del fatto che l'area di un parallelogramma è base per altezza (penso che basti una ricerca su Google).

Ok qui mi ero in effetti spiegato male, volevo dire che devo in qualche modo dimostrare che base per altezza sia una costante variando le basi e altezze con quella trasformazione da te proposta. In effetti questo si vede geometricamente perché, poniamo che $a$ sia $(1,0)$ e $b=(0,1)$, sia ora la base del parallelogramma deformato $l$ e $f$ l'altezza. A questo punto l'angolo tra $f$ e $b$ è lo stesso tra $l$ e $a$ quindi si avrà: $a=l costheta)$ e $f=bcostheta$ quindi: $a*b=(lcostheta)*b=l*(bcostheta)=l*f$. cvd

Quando parlavo di operazioni di Gauss mi riferivo a quelle che sommano a una riga un multiplo di un'altra riga. Invece scambiare due righe non cambia il volume (ovviamente) ma cambia il segno del determinante

Ah ok, così mi torna, ma dato che per ridurre a triangolo usavo in teoria tutte le mosse di gauss, in teoria togliere una mossa di riduzione non dovrebbe compromettere la riduzione a matrice triangolare? Intendo dire, per ridurre una matrice sfrutto tutte le mosse, se una posso toglierla (cioè una mossa è superflua) mi basterebbero due mosse di gauss per ridurre. Non sono le minime mosse indispensabili per ridurre una matrice quelle di gauss?

Non ho inoltre capito perché "ovviamente" scambiare due righe funzioni nel mantenere immutato il volume, se scambio due righe cambio intimamente i vettori che definiscono il mio parallelogramma (ammettiamoli disposti per colonne), quindi non riesco a trovarlo così ovvio :(

Cosa intendi per "trasformazione ortogonale"?

Questo non lo so, nel senso che è scritto nelle note, se guardi il quote del primo messaggio il prof dice "trasformazione ortogonale" e si riferisce a questa riduzione. E il dubbio che mi era venuto era proprio quello, che a me non pare una trasformazione ortogonale per le cose che hai detto anche tu, quindi mi chiedevo cosa volesse dire con quel termine.


Se nella forma triangolare un elemento diagonale è nullo allora il volume è nullo. Prova a farti degli esempi (per esempio pensa al caso 2x2)

Esattamente, la mia domanda partiva proprio da questa conclusione, mi spiego: la dimostrazione che mi proponevi è la seguente ho dei vettori che delimitano un volume => mostro che la riduzione con gauss non altera il volume => riduco con gauss ad avere una matrice triangolare superiore => il prodotto degli elementi è il determinante che a margine si nota essere prodotto di base per altezze (sulla diagonale) => concludo che determinante=volume.

Dubbio: in questa dimostrazione sfrutto gauss, ma gauss non mi garantisce che nella riduzione a matrice triangolare io abbia tutti gli elementi sulla diagonale non nulli. E questo mi sembra un problema perché potrebbe voler dire che io ho un volume di valore non noto iniziale, seguo la dimostrazione che mi porta ad avere matrice triangolare superiore, ma la riduzione la faccio con gauss il quale non garantisce che ci siano elementi tutti non nulli sulla diagonale e questo porta all'assurdo di poter avere così il volume nullo.
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Messaggioda j18eos » 02/02/2024, 06:51

gaspare ha scritto:Sulla seconda parte mi pare di esserci, se non altro perché è molto banale: G-S applicata a una base proprio per come è "studiato" G-S mi dà una base ortogonale. Fin qui è "tautologico". [...]
Non proprio: Gram-Schmidt ti fornisce una base ortogonale (poi basta normalizzare ad ogni passo dell'algoritmo).
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