Introducción
En esta entrada explicaremos cómo podemos estudiar espacios y subespacios vectoriales a partir de conjuntos más pequeños que guardan la información más relevante de ellos. A estos conjuntos les llamaremos generadores. Además estudiaremos el concepto de independencia lineal. A grandes rasgos podemos decir que un conjunto es linealmente independiente cuando no tiene «elementos redundantes» que se pueden obtener a partir de otros en el conjunto. En ambos casos, nos basaremos fuertemente en el concepto de combinaciones lineales que ya discutimos anteriormente.
Conjuntos generadores
El inciso (1) de la siguiente definición ya lo mencionamos parcialmente en una entrada anterior, para un conjunto finito de vectores. Aquí lo enunciamos de modo que también aplique para conjuntos posiblemente infinitos.
Definición. Sea
- El subespacio generado por
es el subconjunto de que consiste de todas las combinaciones lineales , donde es un subconjunto finito de y son escalares en . Al subespacio generado de lo denotamos por . A menudo nos referiremos al subespacio generado de simplemente como «el generado de ». - b) Decimos que
es un conjunto generador de si .
En otras palabras, un subconjunto
Ejemplos.
- Considera el espacio vectorial
y el conjunto
Entonces forma un conjunto generador de , pues cada vector se puede escribir como . Sin embargo, el conjunto conformado por únicamente y no es generador pues, por ejemplo, el vector no puede ser escrito como combinación lineal de ellos. - Sea
el espacio de los polinomios con coeficientes reales y de grado a los más . La familia es un conjunto generador. - Considera el espacio
. Sea la matriz cuya entrada es y todas sus demás entradas son . Entonces la familia es un conjunto generador de , pues cada matriz puede ser escrita como
Este ejemplo lo discutimos anteriormente, cuando hablamos de matrices y sus operaciones. - Para dar un ejemplo donde un conjunto generador consiste de una cantidad infinita de elementos, considera el espacio
de polinomios. En este caso, el conjunto de todas las potencias de es un conjunto generador. Seria imposible tener un conjunto generador finito para pues si ese conjunto es y el grado máximo de un polinomio en es , entonces no podremos obtener al polinomio como combinación lineal de elementos de .
Reducción gaussiana y conjuntos generadores
Cuando estamos en el espacio vectorial
Ejemplo. Considera los vectores
Considera la matriz
Aplicando el algortimo de reducción gaussiana (manualmente o con una calculadora online) llegamos a que
De manera que
Siendo más explícitos todavía,
Independencia lineal
Sean
No hay algo en la definición de subespacio generado que nos indique que los escalares deben ser únicos, y en muchas ocasiones no lo son.
Problema. Sean
Solución. Sea
Así, para cada
Supongamos ahora que el vector
De manera que podríamos concluir que los escalares
implica
Los vectores
Definición. Sea
a) Decimos que los vectores
para la cual
b) Decimos que los vectores
implica que
La discusión previa a la definición muestra que un vector en
Ejemplos de dependencia e independencia lineal
Ejemplo 1. Las matrices
De la entrada
Ejemplo 2. Considera el espacio vectorial
Proponemos
Hemos encontrado coeficientes, no todos ellos iguales a cero, tales que una combinación lineal de las funciones es igual a la función cero. Concluimos que las funciones son linealmente dependientes.
Reducción gaussiana e independencia lineal
Ahora estudiaremos una técnica para estudiar la independencia lineal. Esta nos permitirá determinar si dados algunos vectores
Sea
Como ya vimos anteriormente, este problema se puede resolver mediante el algoritmo de reducción gaussiana: Sea
Otra cosa importante que podemos deducir a partir de este análisis es que como un sistema lineal homogéneo con más variables que ecuaciones siempre tiene una solución no trivial, entonces si tenemos más de
Problema 1. Considera los vectores
Solución. Consideremos la matriz cuyas columnas son los vectores
Aplicando reducción gaussiana obtenemos
Como no hay pivote en la última columna, ésta corresponde a una variable libre. Así, habrá por lo menos una solución no trivial y entonces los vectores
Para encontrar la relación no trivial de dependencia lineal resolvemos el sistema
Tomando
Hagamos otro problema en el que la técnica anterior nos ayuda a estudiar la independencia lineal.
Problema 2. Demuestra que los vectores
son linealmente dependientes y encuentra tres de ellos que sean linealmente independientes.
Solución. Sea
Aplicando reducción gaussiana obtenemos
Como la tercera columna de
Si eliminamos la tercera columna, entonces la matriz que queda es la forma escalonada reducida correspondiente al conjunto
Independencia lineal de conjuntos infinitos
Hasta este momento hemos trabajado únicamente con familias finitas de vectores, así que es natural preguntarse qué procede con las familias infinitas. Con la definición que tenemos, si tomamos una familia infinita de vectores
De esta manera, podemos extender la definición como sigue.
Definición. La familia
De manera equivalente y para simplificar el razonamiento anterior podemos decir que una familia arbitraria de vectores es linealmente dependiente si tiene una subfamilia finita linealmente dependiente. Una familia de vectores es linealmente independiente si toda subfamilia finita es linealmente independiente. Por lo tanto, un conjunto
Observación. a) Una subfamilia de una familia linealmente independiente es linealmente independiente. En efecto, sea
b) Si dos vectores de una familia son iguales, entonces automáticamente la familia es linealmente dependiente.
Más adelante veremos ejemplos de generadores y de independencia lineal con familias infinitas de vectores.
Una relación entre independencia lineal y generados
Podemos relacionar las nociones de subespacio generado y de independencia lineal con la siguiente proposición. Básicamente nos dice que un conjunto
Es importante mencionar que usamos la palabra «conjunto» y no «familia», puesto que con la primera nos referimos a que los vectores son distintos dos a dos, mientras que con la segunda sí pueden haber repeticiones.
Proposición. Sea
Demostración. Supongamos que
Notemos que
Como no todos los escalares son
por consiguiente
De lo anterior se sigue que
Para la otra implicación, supongamos que existe
Pero entonces
y los vectores
Más adelante…
Aquí ya hablamos de conjuntos generadores y de linealmente independientes. La entrada teórica que sigue es crucial y en ella se verá y formalizará la intuición de que los conjuntos generadores deben ser «grandes», mientras que los independientes deben ser «chicos». El resultado clave es el lema de intercambio de Steinitz.
Cuando un conjunto de vectores es tanto generador, como linealmente independiente, está en un equilibrio que ayuda a describir una propiedad muy importante de un espacio vectorial: la de dimensión.
Tarea moral
A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.
- Decide si el conjunto con las matrices
, , y es un conjunto generador de . - Sean
y subconjuntos de un subespacio vectorial tales que . Demuestra que . Concluye que si es generador, entonces también lo es - Demuestra la observación b).
- Da un conjunto de
vectores de linealmente independientes y tales que ninguna de sus entradas es . Haz lo mismo para linealmente dependientes. - Sean
funciones definidas por
con . Demuestra que y son linealmente independientes en , el espacio de las funciones de los reales en los reales.
Entradas relacionadas
- Ir a Álgebra Lineal I
- Entrada anterior del curso: Combinaciones lineales
- Siguiente entrada del curso: Problemas de combinaciones lineales, generadores e independientes
Agradecimientos
Trabajo realizado con el apoyo del Programa UNAM-DGAPA-PAPIME PE104721 «Hacia una modalidad a distancia de la Licenciatura en Matemáticas de la FC-UNAM»
Hola, buenos días.
En la parte de conjuntos generados,en el tercer ejemplo dice que la familia de las matrices canónicas de tamaño m x n es un conjunto generado de V, ¿en este caso también pasa que esta misma familia es el generador de V cuando V es el espacio de todas las matrices de m x n en F?.
Gracias.
Hola Daniela,
Quise decir que el conjunto de las matrices canónicas genera a V, ya lo corregí. Gracias por la observación.
Gracias por la aclaración.
Perdón, otra pregunta, en la parte antes de la definición de dependencia lineal, ¿quienes son los z_{i}?
Gracias de nuevo.
Son escalares
¿Pero están en términos de los a_{i} o los b_{i}?.
Me perdí un poco en ese paso, de donde se tiene que 0=(a_1-b_1)v1+…+(a_n+b_n)vn y de ahí pasa a los z_{i}.
No están en términos de los a__i ni b_i, lo único que estamos diciendo es que la única manera de garantizar que los escalares que te dan la combinación lineal igual a cero son únicos solamente todos son cero, es decir, si los vectores son linealmente independientes.
hola, una pregunta
por qué en el primer ejemplo de reducción gaussiana y conjuntos generadores, tenemos v1, v2 y v3, y a la hora de pasarlo a una matriz, éstos los acomodamos como vectores filas
pero en otras entradas, e incluso en ésta, en el problema de reducción gaussiana e independencia lineal, tenermos v1,v2,v3 y v4 y estos los acomodamos en vector columna?
entonces, no entiendo como deben ir acomodados ya que según yo, no es lo mismo acomodarlos en vector columna que en vector fila
Tienes razón, no es lo mismo acomodarlos como filas que como columnas, pero para algunas cosas es indistinto, una de ellas es para ver si loas vectores son linealemente independientes, que es lo que buscabamos en este ejercicio.
En el primer ejemplo de conjuntos generadores hay un error:
En una parte dice «[…]el polinomio (1,1,1)…»; debe ser «[…]el vector (1,1,1)…», ¿no?
Sí, de acuerdo. Gracias por la observación.
Buenas noches.
En la parte donde nos dice que podemos considerar al sistema Ax=0, nos dice que los vectores serán linealmente independientes si y sólo si el sistema homogéneo tiene una solución no trivial. Este no sería el caso para que sean linealmente dependientes?
Según entiendo que para que sean linealmente independientes, la solución al sistema Ax=0 debe ser la solución trivial.
Gracias
Hola Daniela. En efecto, ahí hay un error. Debe decir «si y śolo si no tiene solución más que la trivial». Gracias por la lectura atenta, lo corregimos.