Euklidinen avaruus

Euklidinen avaruus on n-ulotteinen reaalikertoiminen vektoriavaruus, jolle pätevät euklidisen geometrian aksioomat.^[1] Euklidista avaruudelle käytetään merkintöjä ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ tai ${\displaystyle \mathbb {E} ^{n}}$.

Tunnetuin euklidinen avaruus on ${\displaystyle \mathbb {R} ^{1}}$ eli reaaliluvut. Lisäksi matematiikassa tulevat usein vastaan euklidinen taso ${\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}$ ja kolmiulotteinen avaruus ${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}$.

Nykyisen käsityksen mukaan maailmankaikkeus ei ole euklidinen avaruus, sillä suhteellisuusteorian mukaisesti avaruuden rakenne taipuu suurten massojen vaikutuksesta. Suhteellisen pienillä nopeuksilla tilannetta voi hyvin kuvata euklidisen avaruuden rakenteilla.

Johdanto

Esimerkiksi vektoriavaruuden ${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}$ alkioita eli vektoreita ovat reaalilukukolmikot ${\displaystyle (x,y,z)}$. Kahden tällaisen summa lasketaan koordinaateittain:

${\displaystyle (1,2,3)+(20,30,40)=(21,32,43)}$.

Skalaarilla eli reaaliluvulla kerrottaessa jokainen vektorin koordinaatti kerrotaan annetulla reaaliluvulla, esimerkiksi

${\displaystyle 7\cdot (1,2,3)=(7,14,21)}$.

Tämä siis tuottaa skalaarista ja vektorista vektorin.

Skalaaritulossa eli pistetulossa sen sijaan lasketaan kahdesta vektorista skalaari,

${\displaystyle (a,b,c)\cdot (x,y,z)=ax+by+cz}$.

Tämän skalaaritulon avulla voidaan määrittää avaruuteen ${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}$ normi eli pituusmitta:

${\displaystyle \|(a,b,c)\|={\sqrt {(a,b,c)\cdot (a,b,c)}}={\sqrt {a^{2}+b^{2}+c^{2}}}}$.

Tämä vastaa Pythagoraan lausetta. Kahden vektorin ${\displaystyle \mathbf {x} ,\mathbf {y} \in \mathbb {R} ^{3}}$ etäisyys määritellään niiden erotuksen normiksi:

${\displaystyle d(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )=\|\mathbf {x} -\mathbf {y} \|}$.

Vastaavat säännöt pätevät kaikissa vektoriavaruuksissa ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$.

Määritelmiä

Euklidinen avaruus määritellään topologisesti tuloavaruutena, eli ${\displaystyle \mathbb {R} }$:n karteesisena tulona itsensä kanssa n kertaa. Tuloavaruuden pisteet ovat järjestettyjä n-jonoja, eli niissä on n kappaletta alkioita. Esimerkiksi

${\displaystyle \mathbf {x} =(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n}).}$

Sen voi määritellä myös lineaarialgebran tapaan vektoriavaruutena, jolloin avaruuden kannan muodostavat n kappaletta kohtisuorasti toisiaan vastaan olevaa yksikkövektoria:

${\displaystyle \mathbf {e} _{1}=(1,0,0,\ldots ,0),}$

${\displaystyle \mathbf {e} _{2}=(0,1,0,\ldots ,0),}$

${\displaystyle \vdots }$

${\displaystyle \mathbf {e} _{n}=(0,0,0,\ldots ,1).}$

${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$:n mielivaltainen vektori merkitään

${\displaystyle \mathbf {x} =(x_{1},x_{2},...,x_{n}),}$

missä reaaliluvut ${\displaystyle x_{i}}$ ovat vektorin koordinaatit. Vektori voidaan esittää myös yksikkövektoreiden avulla summana:

${\displaystyle \mathbf {x} =\sum _{i=1}^{n}x_{i}\mathbf {e} _{i}.}$

Lukua 0 vastaa nollavektori

${\displaystyle \mathbf {0} =\underbrace {(0,0,\ldots ,0)} _{n\ {\rm {kpl}}}.}$

Kahden ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$:n vektorin summa on määritelty laskemalla vektorit koordinaateittain yhteen:

${\displaystyle \mathbf {x} +\mathbf {y} =\sum _{i=1}^{n}(x_{i}+y_{i})\mathbf {e} _{i}.}$

Vakiolla kerrottaessa jokainen vektorin koordinaateista kerrotaan erikseen:

${\displaystyle a\mathbf {x} =\sum _{i=1}^{n}(ax_{i})\mathbf {e} _{i}.}$

Laskusääntöjä

Vektorin pituuden ja vektoreiden välisen kulman laskemiseksi tarvitsee määritellä pistetulo. ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$:n vektoreille ${\displaystyle \mathbf {x} }$ ja ${\displaystyle \mathbf {y} }$ se on

${\displaystyle \mathbf {x} \cdot \mathbf {y} =\sum _{i=1}^{n}x_{i}y_{i}.}$

Vektorin pituus eli euklidinen normi on neliöjuuri sen sisätulosta itsensä kanssa:

${\displaystyle \|\mathbf {x} \|={\sqrt {\sum _{i=1}^{n}(x_{i})^{2}}}.}$

Euklidinen metriikka määrittää kahden pisteen etäisyyden euklidisessa avaruudessa. Sitä kutsutaan myös etäisyysfunktioksi, ja se on oikeastaan yksi pythagoraan lauseen muoto. Pisteille ${\displaystyle x}$ ja ${\displaystyle y}$ se on

${\displaystyle d(\mathbf {x} ,\mathbf {y} )=\|\mathbf {x} -\mathbf {y} \|={\sqrt {\sum _{i=1}^{n}(x_{i}-y_{i})^{2}}}}$

Kulma vektoreiden ${\displaystyle \mathbf {x} }$ ja ${\displaystyle \mathbf {y} }$ välillä lasketaan pistetulon ja normin avulla:

${\displaystyle \theta =\cos ^{-1}\left({\dfrac {\mathbf {x} \cdot \mathbf {y} }{\|\mathbf {x} \|\|\mathbf {y} \|}}\right).}$

Katso myös

• Eukleides

Lähteet

• Väisälä, Jussi: Topologia I. Helsinki: Limes ry, 2002. ISBN 951-745-192-X
• Martio, Olli: Vektorianalyysi. Helsinki: Limes ry, 2004. ISBN 951-745-205-5
• Mendelson, Bert: Introduction to Topology. Dover Publications, 1990. (englanniksi)

Viitteet

1. Kiyosi Ito: Encyclopedic Dictionary of Mathematics, s. 554. MIT Press, 1996. ISBN 9780262590204 (englanniksi)

Kirjallisuutta

• Kivelä, Simo K.: Algebra ja geometria. Espoo: Otatieto, 1989. ISBN 951-672-103-6
• Rikkonen, Harri: Matematiikan pitkä peruskurssi I – Vektorialgebra ja analyyttinen geometria. Helsinki: Otakustantamo, 1969. ISBN 951-671-067-0
• Pitkäranta, Juhani: Calculus Fennicus – TKK:n 1. lukuvuoden laaja matematiikka (2000–2013) (pdf) Helsinki: Avoimet oppimateriaalit ry. ISBN 978-952-7010-12-9 ISBN 978-952-7010-6 (pdf).