Saltar ao contido

Subespazo vectorial

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.

En matemáticas, e máis concretamente en álxebra linear, un subespazo linear ou subespazo vectorial [1] é un espazo vectorial que é un subconxunto dalgún espazo vectorial maior. Un subespazo linear adoita chamarse simplemente subespazo cando o contexto serve para distinguilo doutros tipos de subespazos.

Definición

[editar | editar a fonte]

Se V é un espazo vectorial sobre un corpo K, un subconxunto W de V é un subespazo vectorial de V se é un espazo vectorial sobre K coas operacións de V.

De forma equivalente, un subespazo vectorial de V é un subconxunto W non baleiro tal que, sempre que w1, w2 son elementos de W e α, β son elementos de K, temos que αw1 + βw2 está en W. [2] [3] [4] [5] [6]

O conxunto unitario formado só polo vector cero e o propio espazo vectorial son subespazos vectoriais que se denominan subespazos triviais do espazo vectorial.[7]

Exemplo I

[editar | editar a fonte]

No espazo vectorial V = R3 (o espazo de coordenadas reais en 3 dimensións sobre o corpo R de números reais), tomamos W como o conxunto de todos os vectores de V cuxa última compoñente é 0. Entón W é un subespazo de V.

Proba:

  1. Dados u e v en W, entón poden expresarse como u = (u1, u2, 0) e v = (v1, v2, 0). Así temos u + v = (u1+v1, u2+v2, 0+0) = (u1+v1, u2+v2, 0). Por tanto, u + v tamén é un elemento de W.
  2. Dado u en W e un escalar en R, se u = (u1, u2, 0) temos Por tanto, u tamén é un elemento de W.

Exemplo II

[editar | editar a fonte]

Sexa de novo o corpo R, mais agora sexa o espazo vectorial V o plano cartesiano R2. Considere W como o conxunto de puntos (x, y) de R 2 tal que x = y. Entón W é un subespazo de R2.

Exemplo III

[editar | editar a fonte]

De novo tome o corpo R, mais agora sexa o espazo vectorial V o conxunto RR de todas as funcións de R en R. Sexa C(R) o subconxunto formado polas funcións continuas. Entón C(R) é un subespazo de RR.

Proba:

  1. Sabemos polo cálculo que 0 ∈ C(R) ⊂ RR.
  2. Sabemos polo cálculo que a suma de funcións continuas é continua.
  3. De novo, sabemos polo cálculo que o produto dunha función continua e un número é continua.

Exemplo IV

[editar | editar a fonte]

Manteña o mesmo corpo e espazo vectorial que antes,mais agora considere o conxunto Diff(R) de todas as funcións diferenciábeis. O mesmo tipo de argumento que antes mostra que este tamén é un subespazo vectorial.

Propiedades dos subespazos

[editar | editar a fonte]

Da definición de espazos vectoriais, despréndese que os subespazos non están baleiros e están pechados baixo as sumas e baixo a multiplicación escalar.[8]

Isto é equivalente a dicir que os subespazos poden caracterizarse pola propiedade de estaren pechados baixo combinacións lineares. É dicir, un conxunto non baleiro W é un subespazo vectorial se e só se toda combinación linear de elementos finitos de W tamén pertence a W.

Nun espazo vectorial topolóxico X, un subespazo W non necesita estar pechado topoloxicamente, mais un subespazo de dimensión finita sempre está pechado. [9]

Tipos frecuentes de subespazos

[editar | editar a fonte]

Algúns tipos frecuentes de subespazos inclúen o conxunto solución dun sistema homoxéneo de ecuacións lineares, o subconxunto do espazo euclidiano descrito por un sistema de ecuacións paramétricas homoxéneas lineares, o subespazo vectorial xerado por unha colección de vectores, o espazo nulo ou kernel, e tamén os espazos de columnas e os espazos de filas dunha matriz (combinacións lineares das columnas ou filas da matriz).

Xeometricamente (especialmente sobre o corpo de números reais e os seus subcorpos), un subespazo é un hiperplano nun n-espazo que pasa pola orixe.

Independencia, base e dimensión

[editar | editar a fonte]
Os vectores u e v son unha base deste subespazo bidimensional de R3.

En xeral, un subespazo de Kn determinado por k parámetros (ou estendido por k vectores) ten dimensión k. No entante, hai excepcións a esta regra. Por exemplo, o subespazo de K3 estendido polos tres vectores (1,0,0), (0,0,1), e (2,0,3) é só o plano xz, con cada punto do plano descrito por infinitos valores diferentes de t1, t2, t3.

En xeral, os vectores v1, ... , vk chámanse linearmente independentes se

para (t1 ,t2 ,...,t k )≠ (u1,u 2 ,...,uk ).

Isto pódese expresar tamén como: os vectores v1, ..., vk son linearmente independentes se

t1v1 + ··· + tkvk ≠ 0 para (t1, t2, ..., tk) ≠ (0, 0, ..., 0).

Se v1, ..., vk v1, ..., vk son linearmente independentes, entón as coordenadas t1, ..., tk para un vector xerado están determinadas de forma única.

Unha base para un subespazo S é un conxunto de vectores linearmente independentes cuxa combinación linear (ou extensión) é S. O número de elementos nunha base é sempre igual á dimensión xeométrica do subespazo.

Exemplo
Sexa S o subespazo de R4 definido polas ecuacións
Entón os vectores (2, 1, 0, 0) e (0, 0, 5, 1) son unha base para S. En particular, cada vector que satisfaga as ecuacións anteriores pódese escribir de forma única como unha combinación linear dos dous vectores básicos:
O subespazo S é bidimensional. Xeométricamente, é o plano en R4 que pasa polos puntos (0,0,0,0), (2,1,0,0), e (0,0,5,1).

Operacións e relacións con subespazos

[editar | editar a fonte]

Intersección

[editar | editar a fonte]
En R3, a intersección de dous subespazos bidimensionais distintos é unidimensional

Dados os subespazos U e W dun espazo vectorial V, entón a súa intersección U ∩ W := { v ∈ V : v é un elemento tanto de U como W } tamén é un subespazo de V.[10]

Se U e W son subespazos, a súa suma é o subespazo [11]

Por exemplo, a suma de dúas rectas é o plano que as contén. A dimensión da suma satisfai a desigualdade

Aquí, o mínimo só ocorre se un subespazo está contido no outro, mentres que o máximo é o caso máis xeral. A dimensión da intersección e a suma están relacionadas coa seguinte ecuación: [12]

Un conxunto de subespazos é independente cando a única intersección entre calquera par de subespazos é o subespazo trivial.

A suma directa é a suma de subespazos independentes, escritos como . Unha reformulación equivalente é que unha suma directa é unha suma de subespazos baixo a condición de que cada subespazo contribúa na extenxión da suma. [13] [14] [15] [16]

  1. ↑ Halmos (1974) pp. 16–17, § 10
  2. ↑ Anton (2005)
  3. ↑ Beauregard & Fraleigh (1973)
  4. ↑ Herstein (1964)
  5. ↑ Kreyszig (1972)
  6. ↑ Nering (1970)
  7. ↑ Hefferon (2020) p. 100, ch. 2, Definition 2.13
  8. ↑ MathWorld (2021) Subspace.
  9. ↑ DuChateau (2002) Basic facts about Hilbert Space — class notes from Colorado State University on Partial Differential Equations (M645).
  10. ↑ Nering (1970)
  11. ↑ Nering (1970)
  12. ↑ Nering (1970, p. 22)
  13. ↑ Hefferon (2020) p. 148, ch. 2, §4.10
  14. ↑ Axler (2015) p. 21 § 1.40
  15. ↑ Katznelson & Katznelson (2008) pp. 10–11, § 1.2.5
  16. ↑ Halmos (1974) pp. 28–29, § 18

Véxase tamén

[editar | editar a fonte]

Bibliografía

[editar | editar a fonte]

Outros artigos

[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas

[editar | editar a fonte]