Orthokomplement

Ortho.png
Eine Besonderheit der euklidischen Ebene ist das Orthokomplement a{a}\ortho eines Ortsvektors a=(xy)a=\pmatrix { {x}\\{y}}. Dies bildet in natürlicher Weise wieder einen Ortsvektor und wir definieren es mit
a=(yx){a}\ortho =\pmatrix { {\uminus y}\\ {x}}
Also geht a{a}\ortho aus aa durch Drehung um 90° hervor.

Satz 5309A (Eigenschaften des Orthokomplements)

Für Ortsvektoren aa,bb der euklidischen Ebene und reelle Zahlen tRt\in\dom R gilt:
  1. (a)=a({a}\ortho)\ortho=\uminus a
  2. (a+b)=a+b(a+b)\ortho={a}\ortho+{b}\ortho
  3. (ta)=ta(ta)\ortho =t\cdot {a}\ortho
  4. a,a=0\spo{a}\ortho , a\spc=0
  5. a,b=a,b\spo a\ortho, b\spc=-\spo a,b\ortho\spc
  6. a=a||{a}\ortho||=||a||
Damit ist :R2R2\, \ortho: \dom{R^2}\rightarrow \dom {R^2} eine lineare Abbildung.
 
 

Beweis

Die Behauptungen hat man durch Einsetzen in die Definition schnell nachgerechnet. \qed

Satz 5324A (Orthokomplement und Skalarprodukt)

Für drei Vektoren aa, bb und cc der euklidischen Ebene gilt:
  1. a,b2+a,b2=a2b2=a,ab,b\spo a,b\spc^2+\spo a,b\ortho\spc^2=||a||^2|b||^2=\spo a,a\spc\spo b,b\spc
  2. a,bc+b,ca+c,ab=0\spo a,b\ortho\spc c+ \spo b,c\ortho\spc a +\spo c,a\ortho\spc b=0
Dabei drückt ii. insbesondere aus, dass je drei Vektoren des R2\dom{R^2} linear abhängig sind.
Weiterhin kann man aus i. die Cauchy-Schwarzsche Ungleichung ableiten, die aber schon im Satz 5310C für allgemeine euklidische Vektorräume bewiesen wurde.

Beweis

Wir setzen a=(axay)a=\pmatrix { {a_x}\\{a_y}}, b=(bxby)b=\pmatrix { {b_x}\\{b_y}}.
(i): Mit b=(bybx)b\ortho=\pmatrix { {-b_y}\\{b_x}} ergibt sich a,b2+a,b2\spo a,b\spc^2+\spo a,b\ortho\spc^2 =(axbx+ayby)2+(axby+aybx)2=(a_xb_x+a_yb_y)^2+(-a_xb_y+a_yb_x)^2 =(axbx)2+(ayby)2+2axaybxby=(a_xb_x)^2+(a_yb_y)^2+2a_xa_yb_xb_y+(axby)2+(aybx)22axaybxby+(a_xb_y)^2+(a_yb_x)^2-2a_xa_yb_xb_y =(axbx)2+(ayby)2+(axby)2+(aybx)2=(a_xb_x)^2+(a_yb_y)^2+(a_xb_y)^2+(a_yb_x)^2 =(ax2+ay2)(bx2+by2)=({a_x}^2+{a_y}^2)({b_x}^2+{b_y}^2) =a2b2=||a||^2|b||^2.
(ii): Mit c=(cxcy)c=\pmatrix { {c_x}\\{c_y}} bedeutet die Behauptung: (axby+aybx)c+(bxcy+bycx)a(-a_xb_y+a_yb_x)c+(-b_xc_y+b_yc_x)a+(cxay+cyax)b=0+(-c_xa_y+c_ya_x)b=0. Wenn wir diese Vektorgleichung für xx und yy komponentenweise aufschreiben, ersieht man die Gültigkeit der beiden entstehenden Gleichungen sofort. \qed

Es gibt keinen Königsweg zur Mathematik.

Euklid

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