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Corso GE210 (Geometria 2) - a.a. 2020/2021
DIARIO delle LEZIONI
- 1-2 (23/09/20).
Forme bilineari su un K-spazio vettoriale V. Le forme bilineari su V formano uno spazio vettoriale Bil(V). Forme bilieari speciali: simmetriche, antisimmetriche,
alterne. Teorema di caratterizzazione di forme bilineari speciali: in caratteristica 2, alterno implica (strettamente) antisimmetrico che equivale a simmetrico; in caratteristica diversa
da 2, alterno equivale a antisimmetrico e ogni forma bilineare e' somma di una forma simmetrica e una forma antisimmetrica. Le due applicazioni lineari LB e RB associate
ad una forma bilineare B. Il radicale sinistro radLB e il radicale destro radRB di una forma bilineare B.
- 3-4 (30/09/20).
Forme bilineari e matrici rispetto ad una base fissata E={e1,…,en} di V: la matrice ME(B)=(B(ei,ej)i,j associata ad una forma bilineare B e la forma bilineare BM(x,y)=[x]tE⋅M⋅[y]E associata ad una matrice M. La caraterrizzazione di forme bilineari speciali in termini di matrici. Matrici associate a LB e RB:
ME∗,E(LB)=ME(B)t e ME∗,E(RB)=ME(B), dove E∗ e' la base duale di E. Formula di cambiamento di matrice rispetto ad un'altra base
F:
ME(B)=MtF,EMF(B)MF,E, dove MF,E e' la matrice di cambiamento di base da E a F.
- 5-6 (02/10/20).
Corollari: dimBil(V)=(dimV)2; gli isomorfismi L,R:Bil(V)→Hom(V,ˆV); le relazioni LB=^RB∘τV e RB=^LB∘τV per ogni B∈Bil(V).
Invarianti di forme bilineari: il rango rk(B) e il discriminante Δ(B)∈{0}∪K∗/(K∗)2. Forme bilineari non-degeneri e loro caratterizzazioni in termini di LB e RB,
e in termini di radicali sinistro e destro.
- 7-8 (07/10/20).
La relazione ⊥B di ortogonalita' rispetto a B tra due elementi di V. Teorema (senza dimostrazione): ⊥B e' simmetrica se e solo se B e' simmetrica o alterna (o equivalentemente se e solo se B e' simmetrica o antisimmetrica).
L'ortogonale sinistro U⊥L e destro U⊥R di un sottoinsieme U di V rispetto ad una forma bilineare B e sue proprieta'.
Teorema: se B e' non-degenere su V allora le operazioni di ortogonale destro e sinistro sono anti-isomorfismi, uno l'inverso dell'altro,
del poset dei sottospazi di V; dunque scambiano intersezione e somma, V e (0), dimensione e codimensione. La relazione di ortogonalita' tra sottospazi vettoriali e somme dirette ortogonali ⊕⊥. Teorema: se la restrizione di B
ad un sottospazio U di V e' non-degenere allora V=U⊕⊥U⊥R=U⊥L⊕⊥U. Proposizione: se S e' un complementare di radL(B) allora V=radL(B)⊕⊥S e
B|S×S e' non degenere; se T e' un complementare di radR(B) allora V=T⊕⊥radR(B) e B|T×T e' non degenere.
- 9-10 (09/10/20).
Isometrie tra spazi vettoriali metrici (=spazi vettoriali muniti di una forma bilineare) e il gruppo Isom(V,B)⊂GL(V)
delle autoisometrie di uno spazio vettoriale metrico (V,B). Teorema: caratterizzazione delle isometrie in termini di basi.
Forme bilineari equivalenti su uno spazio vettoriale. Teorema: (i) due forme bilineari B1,B2∈Bil(V) sono equivalenti se e solo se ME(B1) e
ME(B2) sono congruenti per ogni (equivalentemente una) base ordinata E di V se e solo se B1=Bϕ2 per un certo ϕ∈GL(V);
(ii) se B1 B2 sono equivalenti allora Isom(V,B1) e Isom(V,B) sono sottogruppi coniugati di GL(V).
- 11-12 (14/10/20).
L' aggiunto di un operatore lineare T:(V1,B1)→(V2,B2) (con B1 non-degenere) come l'unico operatore lineare Tadj:V2→V1 tale che
B2(T(x1),x2)=B1(x1,Tadj(x2)).
Formula Tadj=R−1B1∘ˆT∘RB2, dove ˆT e' l'operatore duale di T. Formula per la matrice dell'aggiunto di T:V1→V2:
ME1,E2(Tadj)=ME1(B1)−1∘ME2,E1(T)t∘ME2(B2).
Proprieta' dell'aggiunto: linearita', associativita', idempotenza (nel caso simmetrico o antisimmetrico).
- 13-14 (16/10/20).
Teorema: un'automorfismo lineare T:V→V e' un isometria rispetto ad una forma bilineare B non-degenere se e solo se T−1=Tadj.
Forme bilineari alterne. Teorema di classificazione: ogni forma bilineare alterna ammette una base simplettica.
Coppie iperboliche e piano iperbolico simplettico. Riformulazione del Teorema di Classificazione: ogni spazio vettoriale metrico alterno e' somma diretta ortogonale del suo
radicale e di piani iperbolici simplettici.
Corollari: gli unici invarianti degli spazi vettoriali metrico alterno (o equivalentemente di una matrice alterna a meno di congruenza) sono la dimensione e il rango;
il rango di una forma bilineare alterna e' pari; il determinante di una matrice alterna A e' un quadrato.
- 15-16 (21/10/20).
Il gruppo simplettico Sp(V,B) associato ad uno spazio vettoriale simplettico (=alterno e non-degenere) (V,B).
Le trasvezioni simplettiche τv,a(x)=x+aB(x,v)v e le loro proprieta'.
Lemma: due coppie simplettiche sono mandate l'una nell'altra dal prodotto di (al piu' 4) trasvezioni simplettiche.
- 17-18 (23/10/20).
Teorema: il gruppo simplettico Sp(V,B) e' generato da trasvezioni simplettiche; piu' precisamente, ogni trasformazione simplettica e' il prodotto di al piu' 2⋅dim(V) trasvezioni simplettiche. Forme quadratiche: definizione e caretterizzazione. La forma quadratica QB(x):=B(x,x) associata ad una forma bilineare B. La forma
bilineare polare BQ(x,y):=Q(x+y)−Q(x)−Q(y) di una forma quadratica Q. Relazioni: QBQ=2Q e BQB=~Bs dove ~Bs(x,y)=B(x,y)+B(y,x) e' la simmetrizzazione di
B. Consequenza: se car(F)≠2 allora le mappe di cui sopra definiscono due isomorfi tra lo spazio vettoriale Quad(V) delle forme quadratice su V e lo
spazio vettoriale Bils(V) delle forme bilineari simmetriche su V.
- 19-20 (28/10/20).
Teorema di diagonalizzazione: se char(K)≠2 allora ogni forma bilineare
simmetrica ammette una base ortogonale, o equivalentemente ogni forma quadratica si puo' esprimenere come polinomio omogeneo di grado 2 senza monomi misti.
La riduzione di forme bilineari simmetriche a forma canonica su campi speciali: campi in cui ogni elemento ammette una radice quadrata (esempio: C), R (Legge di inerzia di Sylvester),
campi finiti (solo enunciato, senza dimostrazione).
- 21-22 (29/10/20).
Il gruppo ortogonale O(V,B) associato ad uno spazio ortogonale (=spazio simmetrico non-degenere) (V,B). Il determinante det:O(V,B)→{±1} e' un omomorfismo suriettivo.
La decomposizione O(V,B)=O+(V,B)∐O−(V,B) in rotazioni (det=1) e riflessioni (det=−1).
Le simmetrie σu(x)=x−2B(x,u)B(u,u)u (con u anisotropo) e le loro proprieta'.
- 23-24 (30/10/20).
Lemma: due vettori anisotropi con la stessa norma sono mandati l'uno in piu' o meno l'altro da una simmetria.
Teorema: il gruppo ortogonale O(V,B) e' generato da simmetrie: piu' precisamente, ogni trasformazione ortogonale si puo' scrivere come prodotto di al piu' 2⋅dim(V) simmetrie.
Forme sesquilineari su spazi vettoriali complessi. Proprieta' delle forme sesquilineari (analoghe a quelle delle forme bilineari).
- 25-26 (03/11/20).
Lemma: la moltiplicazione per i induce un isomorfismo di spazi vettoriali reali SesqH(V)≅SesqaH(V).
Il teorema di classificazione di forme sesquilineari Hermitiane e anti-Hermitiane.
I prodotti scalari <−,−> reali (spazi euclidei) e complessi (spazi unitari). Basi ortonormali e prodotti scalari standard.
- 27-28 (06/11/20).
La norma associata ad un prodotto scalare e la distanza associata ad una norma. La disuguaglianza di Chaucy-Schwarz. La norma associata ad un prodotto scalare soddisfa la legge del parallelogramma e il prodotto scalare si esprime
in termini della norma tramite le identita' di polarizzazione. Teorema: una norma viene da un (unico) prodotto scalare se e solo se soddisfa la legge del parallelogramma (senza dimostrazione). Teorema: una distanza su uno spazio vettoriale
(reale o complesso) viene da una norma se e solo se e' invariante per traslazione e omogenea.
- 29-30 (18/11/20).
L' ortogonale di un sottospazio vettoriale di (V,⟨−,−⟩). Teorema: l' operazione di ortogonalita' e' un anti-isomorfismo involutivo del poset dei sottospazi di V (dunque scambia intersezione e somma, V e (0), dimensione e codimensione); dato un sottospazio W si ha la somma diretta ortogonale V=W⊕⊥W⊥. La proiezione ortogonale PW su un sottospazio W e sue proprieta' algebriche.
Proprieta' geometriche delle proiezioni ortogonali: disuaglianza di Bessel ||PW(x)||2≤||x||2 e proprieta' della migliore approssimazione dist(x,W)=||x−PW(x)||. Proprieta' degli insiemi ortogonali e ortonormali:
sviluppo di Fourier, formula per la proiezione ortogonale, disuguaglianza/uguaglianza di Parseval.
- 31-32 (20/11/20).
Il procedimento di ortogonalizzazione di Gram-Schmitt applicato a insiemi linearmente indipendenti (o basi).
Il problema della diagonalizzazione ortonormale per un endomorfismo di un K-spazio vettoriale (V,⟨−,−⟩) munito di un prodotto scalare (con K=R o C) e le diverse
formulazioni equivalenti. Richiami e complementi sull' aggiunto Ta=Tadj di un morfismo lineare T:(V,⟨−,−⟩)→(W,⟨−,−⟩).
Definizione e relazione con il morfismo duale. Proprieta' algebriche dell'aggiunzione: semilinearita', idempotenza, associativita'. Corollario: per ogni polinomio p(x)∈K[x] si ha che p(T)a=¯p(Ta), dove
¯p(x) e' il polinomio coniugato (tramite il coniugio complesso). Il nucleo e l'immagine di Ta sono gli
ortogonali dell'immagine e del nucleo di T, rispettivamente.
- 33 (25/11/20).
La matrice di Ta rispetto a basi ortonormali nel dominio e codominio e' l'aggiunta (=trasposta coniugata) della matrice di T rispetto alle stesse basi.
Operatori (e matrici) normali. Lemma: un operatore e' normale se e solo se la sua matrice rispetto ad una base ortonormale e' normale. Prime proprieta' degli operatori normali: se T e' normale, allora sono normali Tadj, T−1 se T e' invertibile, p(T) per ogni p(X)∈K[X].
- 34-35 (27/11/20).
Operatori normali e loro proprieta': ⟨Tv,Tw⟩=⟨Tav,Taw⟩, Ker e Im di T coincidono con quelli di Ta e di Tk,
Eλ(T)=E¯λ(Ta) e Eλ(T)⊥Eμ(T) se λ≠μ.
Corollario: un operatore normale e' diagonalizzabile se e solo se e' ortonormalmente diagonalizzabile.
Teorema spettrale sui complessi o Teorema di struttura per operatori normali complessi: un operatore su uno spazio unitario e' ortonormalmente diagonalizzabile
se e solo se e' normale. Proposizione: il polinomio minimo di un operatore normale e' prodotto di fattori irriducibili distinti. Prima dimostrazione del Teorema
di struttura degli operatori normali complessi tramite il criterio di diagonalizzazione via il polinomio minimo.
- 36 (02/12/20).
Lemma 1: dati T∈End(V,⟨,⟩) e U≤V sottospazio, vale che: (1) U e' T-invariante se e solo U⊥ e' Ta-invariante;
(2) se U e U⊥ sono T-invarianti allora (T|U)a=Ta|U. Lemma 2: dato T∈End(V,⟨,⟩) normale e U≤V sottospazio,
vale che U e' T-invariante se e solo se U⊥ e' T-invariante. Corollario: dato T∈End(V,⟨,⟩) normale e U≤V un sottospazio T-invariante, allora
(T|U)a=Ta|U e T|U e' normale. Seconda dimostrazione del Teorema di struttura degli operatori normali complessi tramite il metodo dei complementari.
- 37-38 (03/12/20).
Teorema di struttura per operatori normali reali: un operatore T∈End(V) su uno spazio euclideo (V,⟨−,−⟩) e' normale se e solo se esiste una base
ortonormale E tale che ME(T) e' diagonale a blocchi con blocchi che sono di ordine 1 oppure della forma
(α−ββα) con β≠0.
Lemma 3: dato T∈End(V) con V spazio vettoriale reale, allora esiste un sottospazio T-invariante di dimensione uno oppure due. Lemma 4:
dato T∈End(V,⟨,⟩) con dimR(V)=2 allora T e' normale e irriducibile se e solo se per ogni base ortonormale
E di V vale che (risp. esiste una base ortonormale E di V tale che) ME(T)=(α−ββα) con β≠0. Prima dimostrazione del Teorema di struttura per operatori normali reali con il metodo dei complementi ortogonali. Secondo dimostrazione del Teorema di struttura
per operatori normali reali con la decomposizione ciclica primaria ortogonale (solo accenno).
- 39-40 (04/12/20).
Classi speciali di operatori normali: operatori autoaggiunti (Hermitiani o simmetrici),
anti-autoaggiunti (anti-Hermitiani o anti-simmetrici), isometrici (unitari o ortogonali). Loro caratterizzazione tramite la matrice associata rispetto ad una (o equivalentemente ogni) base ortonormale.
Osservazione: T Hermiatiano se e solo se T a' anti Hermitiano.
Proprieta' degli operatori speciali: gli operatori aggiunti (risp. anti-autoaggiunti) formano uno spazio vettoriale reale, gli operatori isometrici formano un gruppo rispetto alla composizione, gli operatori isometrici sono esattamente gli
operatori che mandano basi ortonormali in basi ortonormali. Il Teorema di struttura degli operatori autoaggiunti (Hermitiani o simmetrici), anti-Hermitiani, anti-simmetrici, unitari, ortogonali.
- 41-42 (09/12/20).
La caratterizzazione degli operatori speciali tra gli operatori normali in termini degli autovalori su C e dei fattori irriducibili del polinomio caratteristico (o di quello minimo)
su R. Teorema spettrale sui reali : un operatore su uno spazio ortogonale e' ortonormalmente diagonalizzabile se e solo se e' simmetrico.
Altra dimostrazione del Teorema spettrale reale con il metodo dei complementi ortogonali, usando che un operatore simmetrico possiede autovalori reali.
Le matrici isometriche (=unitarie su C e ortogonali su R) come matrici di cambiamento di base tra basi ortonormali di (Kn,⟨,⟩st).
Il Teorema di struttura per matrici normali, autoaggiunte, anti-autoaggiunte, isometriche a meno di similitudine isometrica.
- 43-44 (11/12/20).
Operatori positivi (T>0) e semipositivi (T≥0). Teorema di caratterizzazione degli operatori (semi)positivi: T e' (semi)positivo se e solo se T e' autoaggiunto con autovalori positivi
(risp. non negativi) se e solo se T e' ortonolmamente diagonalizzabile con autovalori positivi (risp. non negativi) se e solo se esiste un operatore S invertibile (risp. qualsiasi) tale che T=Sa∘S oppure
T=S∘Sa. Corollari: un operatore e' positivo se e solo se e' semipositivo e invertibile, ogni operatore positivo/semipositivo ammette un'unica
radice quadrata, le due norme √TaT e √TTa di un operatore e loro proprieta'. La decomposizione polare destra o sinistra di un operatore: esistenza e unicita'.
- 45-46 (16/12/20).
Spazi affini. Esempi: lo spazio affine Va associato ad uno spazio vettoriale V e l'n-spazio affine numerico AnF su F. Isomorfismi affini e loro isomorfismi
lineari associati. Origine O e sistema di riferimeno affine (O,E) di uno spazio affine A. Proposizione: la scelta di un'origine O di A determina
un isomorfismo affine ΦO:A≅→Va dove V e' lo spazio vettoriale soggiacente a A; la scelta di un sistema di riferimento affine (O,E)
determina un isomorfismo affine Φ(O,E):A≅→AnF, dove n=dim(A) e F e' il campo soggiacente.
Corollario: due spazi affini sono isomorfi se e solo se hanno la stessa dimensione.
- 47-48 (18/12/20).
Il gruppo delle affinita' Aff(A) di uno spazio affine A. Proposizione: il gruppo delle affinita' agisce in maniera libera e transitiva sui sistemi di riferimento
affini. Il sottogruppo TA={tv:v∈V} delle traslazioni di A e l'isomorfismo t∙:(V,+)≅→TA.
Teorema: (1) l'omomorfismo ϕ∙:Aff(A)→GL(V) e' suriettivo e con nucleo uguale a TA; (2) data un'origine O di A,
il sottogruppo Aff(A)O che fissa O si mappa isomorficamente su GL(V) tramite ϕ∙. Corollario: esiste un isomorfismo
Aff(A)≅TA⋊Aff(A)O≅(V,+)⋊GL(V). Caso particolare: il gruppo delle affinita' di ordine n su un campo F e' uguale a
Affn(F):=Aff(AnF)={fA,c(x)=A⋅x+c:A∈GLn(F),c∈Fn}.
- 49-50 (23/12/20).
Gli spazi proiettivi P(V). Esempio: lo spazio proiettivo numerico PnF:=P(Fn+1) su F. Gli isomorfismi proiettivi. Lemma: un isomorfismo proiettivo e' determinato da un isomorfismo lineare unico a meno
di proiettivita'. Sistemi di riferimenti proiettivi. Proposizione: esiste una biezione canonica tra i sistemi di riferimento proiettivi su P(V) e gli isomorfismi proiettivi P(V)≅→PnF.
Il gruppo delle proiettivita' PGL(P) di uno spazio affine P. Proposizione: il gruppo delle proiettivita' PGL(P) agisce in maniera libera e transitiva sui sistemi di
riferimento proiettivi di P(V). Teorema: PGL(P(V))=GL(V)/{λ⋅idV:λ∈F∗}. Caso particolare: PGL(PnF)=PGLn+1(F)=GLn+1(F)/{λ⋅In+1:λ∈F∗}. Relazione tra spazio affine AnF e spazio proiettivo PnF:
(1) la biezione AnF≅PnF∖H0 dove H0 e' l'iperpiano all'infinito; (2) l'isomorfismo Affn(F)≅{f∈PGL(PnF):f(H0)=H0}.
- 51-52 (08/01/20).
I sottospazi affini di uno spazio affine. Lemma 1: la giacitura →S=giac(S) di un sottospazio affine S≤A e' univocamente determinata da
→S=giac(S)={→QP:P∈S} per ogni Q∈S.
Lemma 2: un sottospazio affine S≤A e' uno spazio affine su →S. Proposizione: dati S,T≤A tale che S∩T≠∅,
il minimo di S e T e' l'intersezione S∩T e esiste un massimo tra S e T, denotato con S+T e chiamato somma di S e T, tali che
→S∩T=→S∩→T e →S+T=→S+→T. Formula di Grassmann affine
dim(S)+dim(T)=dim(S∩T)+dim(S+T) per ogni S,T≤A tali che S∩T≠∅.
I sottospazi proiettivi P(W)≤P(V) di uno spazio proiettivo. Dati P(W1),P(W2)≤P(V), il minimo e' uguale a
P(W1)∩P(W2)=P(W1∩W2) e il massimo e' uguale a P(W1)+P(W2):=P(W1+W2).
Formula di Grassmann proiettiva dim(P(W1))+dim(P(W2))=dim(P(W1∩W2))+dim(P(W1+W2)).
- 53-54 (09/01/20).
Forme parametriche e cartesiane di sottospazi affini di AnF e sottospazi proiettivi di PnF. Sistemi lineari non omogenei. Teorema di Kronecker-Rouche'-Capelli: (1) un sistema lineare
non-omogeneo Σ e' compatibile se e solo se il rango della matrice Mcoef(Σ) dei coefficienti e' uguale al rango della matrice Mcom(Σ) completa; (2) se Σ e' compatibile allora l'insieme delle soluzioni
e' uguale a Sol(Σ)=Sol(Σom)+Q dove Σom e' il sistema lineare omogeneo associato a Σ e Q∈Sol(Σ). Teorema: esiste una biezione tra i sottospazi proiettivi di PnF
non contenuti nell'iperpiano all'infinito e i sottospazi affini AnF, data da P(W)↦P(W)∩AnF e S↦¯S:={Chiusura proiettiva di S},
e che corrispondono, a livello di equazioni cartesiane, alla deomogeneizzazione e alla omogeneizzazione dei sistemi lineari.
- 55-56 (11/01/20).
Esercizi su Geometria Affine nel piano e nello spazio.