Геометрический смысл определителя матрицы Грама. Неравенство Адамара.
Свойство 2.7. Определитель матрицы Грама от линейно зависимой системы векторов равен 0.
Доказательство. Пусть система векторов - линейно зависима. Тогда, либо система содержит нулевой вектор, и утверждение в этом случае очевидно, либо найдется вектор
, линейно выражающийся через предыдущие векторы системы. В матрице Грама
вычтем из i-ой строки, предыдущие строки с коэффициентами
. Определитель матрицы Грама при этом не изменится, а i-ая строка станет равной нулю. Определитель матрицы с нулевой строкой равен нулю, а, значит, и определитель матрицы Грама равен нулю.
Рассмотрим геометрический смысл матрицы Грама от линейной не зависимой системы векторов
. Если k=1, то
- квадрат длины вектора. Если k>1, то применим к системе векторов
процесс ортогонализации и построим ортогональную систему векторов
. Обозначим через P матрицу перехода от системы
к системе
. Эта матрица имеет треугольный вид, а на ее главной диагонали стоят 1, и ее определитель равен 1. Кроме того,
и, следовательно, определители матриц Грама равны. Поскольку система векторов
- ортогональна, то матрица Грама от этой системы векторов – диагональная, и ее определитель равен произведению квадратов длин векторов этой системы. Таким образом, установлено равенство
. Рассмотрим случай k=2. Тогда
равна длине высоты параллелограмма, опущенного на сторону
(см. рис. 1). Следовательно, произведение
равно площади параллелограмма натянутого на векторы
, а определитель матрицы Грама
равен квадрату площади этого параллелограмма. Если k=3, то вектор
является ортогональной составляющей вектора
к плоскости, натянутой на векторы
. Следовательно, определитель матрицы Грама от трех векторов равен квадрату объема параллелепипеда, натянутого на векторы
. Поскольку все рассуждения обобщаются на произвольную размерность, то тем самым установлено свойство.
Свойство 2.8 Определитель матрицы Грама от системы векторов равен 0, если система линейно зависима, и квадрату объема k-мерного параллелепипеда натянутого на векторы иначе.
Покажем теперь неравенство Адамара.
Теорема 2.4.
Доказательство. Если система векторов линейно зависимая, то неравенство очевидно. Пусть эта система векторов линейно независимая. Применим к ней процесс ортогонализации и построим ортогональную систему векторов
. Вектор
является ортогональной составляющей вектора
на линейную оболочку векторов
, и, значит,
по неравенству Бесселя (Теорема 2.2). Далее,
, что и требовалось доказать.
Неравенство Адамара обращается в равенство, только если исходная система векторов является ортогональной. В остальных случаях неравенство – строгое.
Следствие 2.5 Справедливы неравенства и
.
Доказательство. В n-мерном арифметическом пространстве определим скалярное произведение по формуле . Рассмотрим систему векторов, образованную столбцами матрицы A. Матрица Грама от этой системы векторов равна
и по неравенству Адамара
. Поскольку
, то неравенство
установлено. Применяя полученное неравенство к транспонированной матрице, выводим
.
Следствие 2.6 Пусть . Тогда
.
Доказательство очевидно.
Положим и, далее, по индукции
. Матрица
имеет порядок
, ее определитель равен
и все ее элементы равны
. Легко убедиться, что неравенство (Следствие 2.6) обращается на этой матрице в равенство.