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Grado en Matemáticas

Productos interiores y proyecciones ortogonales

El producto interior permite medir longitudes, ángulos y perpendicularidad. Lo usaremos para separar un vector en una parte dentro de un subespacio y un residuo perpendicular. Esa separación dará la aproximación más cercana y una forma de construir bases ortonormales paso a paso.

1. Un producto interior añade una regla para medir, y devuelve un número

En un espacio real, ⟨u,v⟩ es bilineal, simétrico y definido positivo: ⟨v,v⟩>0 si v≠0. En ℝⁿ el usual es Σuᵢvᵢ. El resultado es un escalar, no un vector; esa diferencia determina cómo interpretamos cada fórmula.

Podemos elegir otros productos, como uᵀGv con G simétrica definida positiva. La elección cambia longitudes, ortogonalidad y proyecciones. Una matriz simétrica cualquiera no basta: la positividad es lo que permite llamar longitud al cuadrado a ⟨v,v⟩.

Producto por componentes con signos

Calcula u·v para u=(2,−1,3), v=(1,4,−2).

  1. Emparejar componentes

    2·1+(−1)·4+3·(−2).

  2. Productos

    Dos, menos cuatro y menos seis.

  3. Sumar

    2−4−6=−8, un número.
Resultado

El producto escalar es −8.

Lo comprobamos

No sumamos componentes de índices diferentes ni interpretamos el resultado como una flecha.

Una métrica ponderada válida y otra que falla

Compara G=diag(1,4) con H=diag(1,−1).

  1. Primera

    vᵀGv=x²+4y² es positiva para todo (x,y)≠0; sí define producto interior.

  2. Segunda

    Para v=(0,1), vᵀHv=−1.
  3. Conclusión

    H es simétrica, pero no definida positiva y no sirve para una norma de producto interior.

Resultado

Simetría y positividad son requisitos diferentes.

Lo comprobamos

Con G, el vector (1,1) tiene norma √5, distinta de la usual √2.

2. La norma nace del producto y Cauchy–Schwarz controla el ángulo

Definimos ‖v‖=√⟨v,v⟩ y d(u,v)=‖u−v‖.
Cauchy–Schwarz afirma |⟨u,v⟩|≤‖u‖‖v‖.

En el caso real y v≠0, elegir c=⟨u,v⟩/‖v‖² en 0≤‖u−cv‖² deja ‖u‖²−⟨u,v⟩²/‖v‖²≥0, que demuestra la desigualdad.

De ella sale la desigualdad triangular al desarrollar ‖u+v‖² y acotar el término cruzado. Para vectores reales no nulos, cosθ=⟨u,v⟩/(‖u‖‖v‖) queda entre −1 y uno. Con un vector cero no definimos el ángulo por esta fórmula, aunque cero sea ortogonal a todos.

Un ángulo conocido por sus componentes

u=(1,0), v=(1,1), producto usual.

  1. Datos

    u·v=1, ‖u‖=1, ‖v‖=√2.
  2. Cociente

    cosθ=1/√2.
  3. Ángulo

    θ=π/4 radianes, cuarenta y cinco grados.
Resultado

El cociente está dentro del rango permitido por Cauchy–Schwarz.

Lo comprobamos

Si una cuenta produce cosθ=2, hay un fallo en producto, normas o dominio de la fórmula.

Distancia no es diferencia de longitudes

u=(1,0), v=(0,1). Calcula d(u,v).

  1. Restar vectores

    u−v=(1,−1).
  2. Norma de la diferencia

    √(1²+(−1)²)=√2.
  3. Comparar

    ‖u‖−‖v‖=0 no es esa distancia.
Resultado

La distancia es √2.

Lo comprobamos

Ambos tienen la misma longitud, pero son puntos distintos del plano.

3. Ortogonalidad elimina términos cruzados y asegura independencia si los vectores no son cero

Si ⟨u,v⟩=0, al desarrollar ‖u+v‖² desaparecen los dos términos cruzados y queda ‖u‖²+‖v‖²: Pitágoras. Una familia ortogonal no nula es independiente: tomar producto de una combinación nula con cada vector deja su coeficiente por una norma cuadrada positiva.

Ortonormal añade que todas las normas son uno. En una base ortonormal, el coeficiente sobre eⱼ es simplemente ⟨v,eⱼ⟩. Una familia solo ortogonal sigue necesitando dividir por cada norma cuadrada.

Pitágoras en tres componentes

u=(1,0,1), v=(0,2,0).

  1. Producto

    u·v=0.
  2. Normas cuadradas

    ‖u‖²=2 y ‖v‖²=4.
  3. Suma

    u+v=(1,2,1), norma cuadrada seis, igual a dos más cuatro.

Resultado

Son ortogonales y no nulos, así que también independientes.

Lo comprobamos

No son ortonormales: sus normas son √2 y dos.

Extraer coeficientes en una base ortonormal

e₁=(1,1,0)/√2, e₂=(1,−1,0)/√2. Expresa v=(2,0,0) en su plano.

  1. Comprobar familia

    Normas uno y producto cero; generan el plano z=0.

  2. Productos

    v·e₁=√2 y v·e₂=√2.
  3. Reconstruir

    √2e₁+√2e₂=(2,0,0).
Resultado

Las coordenadas ortonormales son (√2,√2).

Lo comprobamos

Los productos dan directamente coeficientes porque la familia está normalizada, no solo por ser base.

4. Proyectar sobre una recta exige que el residuo sea perpendicular

Para W=span{w}, w≠0, buscamos p=cw.
La condición ⟨v−cw,w⟩=0 obliga c=⟨v,w⟩/⟨w,w⟩.

El denominador es positivo. Después multiplicamos por w: el coeficiente c no es todavía el vector proyección.

La proyección deja un residuo perpendicular al subespacio
w=(1;2) ; v=(4;2)vpv−p(v−p)·w=0
En el producto usual, se proyecta v igual a cuatro dos sobre la recta generada por w igual a uno dos. La proyección p es ocho quintos dieciséis quintos; el residuo v menos p es doce quintos menos seis quintos y es perpendicular a w. Se dibuja el triángulo de v, p y residuo con la misma escala en ambos ejes.

Podemos normalizar w antes de calcular, pero no es obligatorio. Si no lo hacemos, no omitimos el denominador. La perpendicularidad se entiende con el producto interior que hayamos elegido, no siempre con el dibujo euclídeo usual.

Una proyección con coordenadas fraccionarias

Proyecta v=(4,2) sobre span(1,2), producto usual.

  1. Productos

    ⟨v,w⟩=4+4=8; ⟨w,w⟩=1+4=5.
  2. Coeficiente y vector

    c=8/5; p=(8/5,16/5).
  3. Residuo

    v−p=(12/5,−6/5); su producto con w es 12/5−12/5=0.
Resultado

La proyección es (8/5,16/5).

Lo comprobamos

El dibujo conserva la misma escala en ambos ejes y muestra el residuo perpendicular.

La métrica cambia la proyección

Usa el mismo v y w, pero ⟨u,v⟩=uᵀdiag(1,4)v.

  1. Nuevos productos

    ⟨v,w⟩=4+4·2·2=20; ⟨w,w⟩=1+4·4=17.
  2. Proyección

    p=(20/17,40/17).
  3. Residuo ponderado

    r=(48/17,−6/17); ⟨r,w⟩=48/17−48/17=0.
Resultado

La proyección cambia porque cambió la regla de distancia.

Lo comprobamos

El nuevo residuo no tiene por qué verse perpendicular en la geometría euclídea del papel.

5. Una base ortonormal separa la parte dentro del subespacio y la parte perpendicular

Si e₁,…,eₖ es una base ortonormal de W, definimos p=Σ⟨v,eⱼ⟩eⱼ.

El residuo r=v−p es perpendicular a cada eⱼ y por tanto a todo W.

Así v=p+r, con p∈W y r∈W⊥.

En dimensión finita la descomposición existe y es única. Si hubiera dos, su diferencia pertenecería a W y W⊥ a la vez; tomar producto consigo misma daría norma cero. En dimensión infinita, una afirmación general de existencia necesita condiciones adicionales, como subespacio cerrado en un espacio de Hilbert.

Proyectar sobre un plano con una base cómoda

W={z=0}, v=(2,0,3), con la base e₁,e₂ del apartado anterior.

  1. Coeficientes

    v·e₁=√2 y v·e₂=√2.
  2. Parte en W

    p=√2e₁+√2e₂=(2,0,0).
  3. Residuo

    r=(0,0,3), perpendicular a todo vector del plano.
Resultado

La descomposición es (2,0,3)=(2,0,0)+(0,0,3).

Lo comprobamos

Los coeficientes de la proyección se obtienen también si v no pertenece al plano.

Los dos casos extremos

¿Qué se obtiene si W={0} o si W es todo el espacio?

  1. Subespacio cero

    La única p permitida es cero y r=v.
  2. Todo el espacio

    El residuo perpendicular a todo el espacio debe ser cero, así que p=v.

  3. Unicidad

    En cada caso la descomposición sigue siendo única.

Resultado

La fórmula incluye los extremos sin contradicción.

Lo comprobamos

Para W={0}, la base es vacía y la suma de proyección es cero.

6. La perpendicularidad demuestra que la proyección es la más cercana

Para cualquier q∈W, v−q=(v−p)+(p−q).

El primer sumando es perpendicular a W y el segundo pertenece a W.

Pitágoras da ‖v−q‖²=‖v−p‖²+‖p−q‖².

El último término es no negativo y solo vale cero si q=p. Esto prueba mínimo y unicidad para cualquier subespacio donde exista la proyección, no solo para una recta dibujada. No se escoge p por intuición visual sin comprobar esas dos condiciones.

Ver el mínimo en una expresión de una variable

Con v=(4,2) y q=t(1,2), escribe la distancia cuadrada.

  1. Expandir

    (4−t)²+(2−2t)²=20−16t+5t².
  2. Completar cuadrado

    Es 36/5+5(t−8/5)².

  3. Mínimo

    Ocurre únicamente en t=8/5; distancia mínima √(36/5)=6/√5.
Resultado

Se recupera exactamente el coeficiente de la proyección.

Lo comprobamos

El cuadrado adicional cuantifica cuánto empeora cualquier otra elección de la recta.

Un plano y una distancia mínima

Para v=(2,0,3) y q=(a,b,0), calcula ‖v−q‖².

  1. Distancia

    (2−a)²+b²+9.

  2. Cota

    Siempre es al menos nueve.

  3. Igualdad

    Solo con a=2,b=0, que da p=(2,0,0).
Resultado

La distancia mínima es tres.

Lo comprobamos

La coordenada vertical del residuo no puede reducirse moviéndonos dentro del plano.

7. Gram–Schmidt resta lo conocido y normaliza la dirección nueva

Partimos de una familia independiente ordenada. Normalizamos el primero. Para cada vector siguiente, restamos sus proyecciones sobre los e anteriores y normalizamos el residuo. Se conserva el espacio generado y la dirección nueva queda perpendicular a las ya construidas.

Restar la proyección descubre una nueva dirección ortogonal
v₁=(1;1) ; v₂=(2;0)p=(1;1)r=(1;−1)p·r=0 ; v₂=p+rDespués dividimos cada uno entre √2.
Primer vector uno uno y segundo dos cero. La proyección del segundo sobre el primero es uno uno, y el residuo uno menos uno es perpendicular al primero. Ambos tienen norma raíz de dos; normalizarlos produce una base ortonormal.

La independencia garantiza que el residuo no sea cero. Si la familia inicial es dependiente, puede aparecer cero: se omite esa dirección redundante, no se divide por su norma. Cada paso debe indicar sobre qué familia ya ortonormal se está proyectando.

Dos direcciones que comparten una componente

Aplica Gram–Schmidt a v₁=(1,1), v₂=(2,0).

  1. Primero

    e₁=(1,1)/√2.
  2. Restar

    ⟨v₂,e₁⟩=√2; la proyección es (1,1), así que w₂=(1,−1).
  3. Normalizar

    e₂=(1,−1)/√2.

    Ambos tienen norma uno y producto cero.

Resultado

Base ortonormal ((1,1)/√2,(1,−1)/√2).

Lo comprobamos

El dibujo muestra v₂ como suma de la parte compartida y el residuo nuevo.

Un residuo cero detecta redundancia

Añade v₃=(3,1) a esa familia inicial.

  1. Primera proyección

    ⟨v₃,e₁⟩=2√2 y su vector proyectado es (2,2).
  2. Segunda

    ⟨v₃,e₂⟩=√2 y su proyección es (1,−1).
  3. Residuo

    (3,1)−(2,2)−(1,−1)=0.
Resultado

No aparece una tercera dirección independiente en ℝ².

Lo comprobamos

Se conserva la base ya obtenida y se omite ese residuo; dividir por cero sería inválido.

8. Con una base no ortonormal usamos denominadores o ecuaciones de Gram

Si los wⱼ son solo ortogonales, cada término es ⟨v,wⱼ⟩wⱼ/‖wⱼ‖². Si la base no es ortogonal, buscamos p=Ac, con los vectores como columnas de A, y exigimos Aᵀ(v−Ac)=0.

Así AᵀAc=Aᵀv.

La matriz de Gram AᵀA es definida positiva si las columnas son independientes: cᵀAᵀAc=‖Ac‖²>0 para c≠0. Por eso podemos resolver. Numéricamente una factorización ortogonal puede ser preferible a formar ecuaciones normales; la identidad teórica no decide por sí sola el algoritmo más estable.

Base ortogonal sin normalizar

Proyecta v=(2,3,4) sobre span((1,0,0),(0,2,0)).

  1. Primer término

    Producto dos dividido por norma cuadrada uno: (2,0,0).

  2. Segundo

    Producto seis dividido por norma cuadrada cuatro, multiplicado por (0,2,0): (0,3,0).

  3. Sumar

    p=(2,3,0), residuo (0,0,4).
Resultado

El factor de norma evita duplicar erróneamente la segunda coordenada.

Lo comprobamos

Usar directamente seis veces (0,2,0) daría una componente doce que no es la proyección.

Base no ortogonal del mismo plano

Usa columnas a₁=(1,0,0), a₂=(1,1,0) para proyectar v=(2,3,4).

  1. Gram y datos

    AᵀA=[[1,1],[1,2]], Aᵀv=(2,5).
  2. Sistema

    c₁+c₂=2, c₁+2c₂=5: c₂=3,c₁=−1.
  3. Vector

    p=−a₁+3a₂=(2,3,0), mismo plano y misma proyección.
Resultado

Cambiar la base de W no cambia su proyección ortogonal.

Lo comprobamos

Los coeficientes son distintos; la reconstrucción y el residuo confirman el resultado.

9. En complejos, la conjugación permite que una longitud al cuadrado sea positiva

Fijamos ⟨u,v⟩=Σuᵢconjugado(vᵢ), lineal en el primer argumento y conjugado lineal en el segundo.

Se cumple ⟨u,v⟩=conjugado(⟨v,u⟩).

Con esta convención c=⟨v,w⟩/⟨w,w⟩ sigue siendo el coeficiente de proyección.

Otras fuentes eligen linealidad en el segundo argumento y cambian el orden de los productos en la fórmula. Debemos mantener una convención. En las ecuaciones normales complejas A* sustituye a Aᵀ, con * traspuesta conjugada.

El papel de conjugar

En ℂ, compara i·i con i·conjugado(i).

  1. Sin conjugación

    i²=−1, que no puede ser una longitud al cuadrado.

  2. Con conjugación

    i(−i)=1.
  3. Norma

    El escalar complejo i tiene norma uno.

Resultado

El producto interior complejo no es bilineal ordinario en los dos argumentos.

Lo comprobamos

Su simetría también lleva conjugación; no copiamos las reglas reales sin modificarlas.

Una proyección compleja completa

v=(1,0), w=(1,i). Proyecta con la convención declarada.

  1. Productos

    ⟨v,w⟩=1 y ⟨w,w⟩=2.
  2. Proyección

    p=(1/2,i/2), residuo r=(1/2,−i/2).
  3. Ortogonalidad

    ⟨r,w⟩=1/2+(−i/2)(−i)=0.
Resultado

La misma condición de residuo perpendicular sigue funcionando.

Lo comprobamos

Sin conjugar la segunda entrada el último producto no daría la comprobación correcta.

10. Comprobamos pertenencia y residuo perpendicular; una sola no basta

Una proyección candidata p debe estar en W y v−p debe ser perpendicular a una base de W. Ambas condiciones aseguran la descomposición y el mínimo. Un residuo pequeño, por sí solo, no demuestra nada de eso.

Después de Gram–Schmidt revisamos normas uno, productos cruzados cero y conservación del espacio generado. En cuentas decimales, casi dependencia produce residuos pequeños y requiere tolerancias; no se fuerzan nuevas direcciones dividiendo por números insignificantes sin evaluar la estabilidad.

Está en la recta, pero no es la proyección

Para v=(4,2), W=span(1,2), alguien propone p=(1,2).

  1. Pertenencia

    Sí está en W.

  2. Residuo

    v−p=(3,0).
  3. Producto

    (3,0)·(1,2)=3, no cero: falta la condición ortogonal.
Resultado

La propuesta es incorrecta.

Lo comprobamos

La proyección real era (8/5,16/5), obtenida imponiendo ambas condiciones.

Residuo perpendicular, pero candidato fuera del subespacio

Alguien propone p=v=(4,2) para esa misma recta.

  1. Residuo

    Es cero y por tanto perpendicular a todo W.

  2. Pertenencia

    (4,2) no es múltiplo de (1,2): la primera componente pediría coeficiente cuatro y la segunda uno.

  3. Conclusión

    No puede ser una proyección sobre W.

Resultado

Las dos comprobaciones son necesarias.

Lo comprobamos

La magnitud cero del residuo no reemplaza pertenecer al conjunto donde buscamos aproximaciones.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una proyección

Proyecta v=(3,1) sobre span{(1,1)}.

  1. Dirección y convención

    w=(1,1) no nulo; producto usual.
    Buscamos p=cw.
  2. Numerador

    ⟨(3,1),(1,1)⟩=4.
  3. Denominador

    ⟨w,w⟩=2.
  4. Coeficiente

    c=4/2=2.
  5. Vector y residuo

    p=(2,2); r=(1,−1).
  6. Comprobar

    r·w=0 y p∈W.
    También 10=8+2 verifica Pitágoras y la descomposición ortogonal.
Resultado

Proyección (2,2).

Lo comprobamos

‖v‖²=10, ‖p‖²=8 y ‖v−p‖²=2. La identidad 10=8+2 confirma la descomposición ortogonal.

EJEMPLO RESUELTO 2

Ortonormalizar

Aplica Gram–Schmidt a (1,0),(1,1).

  1. Orden

    v₁=(1,0), v₂=(1,1).
  2. Normalizar primero

    ‖v₁‖=1 y e₁=(1,0).
  3. Proyección del segundo

    ⟨v₂,e₁⟩=1, así que su parte en e₁ es (1,0).
  4. Residuo

    w₂=(1,1)−(1,0)=(0,1), no nulo.
  5. Normalizar

    ‖w₂‖=1 y e₂=(0,1).
  6. Verificar

    Normas uno, producto cero; v₁=e₁ y v₂=e₁+e₂, así que se conserva el espacio generado.

Resultado

Base ortonormal ((1,0),(0,1)).

Lo comprobamos

La matriz de productos interiores de la familia resultante es la identidad. El proceso ha quitado la componente horizontal compartida del segundo vector.

Los símbolos que hemos usado

⟨u,v⟩
Producto interior de dos vectores; en Rⁿ usual es la suma de productos de componentes.
‖v‖
Norma √⟨v,v⟩, siempre no negativa.
u⊥v
Ortogonalidad: ⟨u,v⟩=0.
W⊥
Vectores perpendiculares a todos los de W.
p=proj_W(v)
Proyección de v sobre W.
r=v−p
Residuo o error entre el vector y su proyección.
Base ortonormal
Vectores de norma uno y perpendiculares dos a dos.
G
Matriz de Gram, formada por productos interiores de los vectores de una base.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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