1.11. SUMA Y SUMA DIRECTA DE SUBESPACIOS: definiciones y ejemplos

Por Jennyfer Paulina Bennetts Castillo

INTRODUCCIÓN

La suma entre espacios vectoriales se construye con la suma de vectores, sin embargo, al ser subespacios, lo que resulta de esta operación, dónde vive y cómo se comporta es algo que que debe analizarse de forma particular.

La suma directa, una vez que aprendemos a distinguirla y manejarla, nos permite expresar a nuestro espacio vectorial en términos de suma de subespacios. De este modo es más clara la estructura que tienen todos los elementos del espacio.

SUMA DE SUBESPACIOS

Definición: Sean $V$ un $K$ – espacio vetorial y $U,W$ subespacios de $V$. La suma de $U$ y $W$ es $U+W=\{u+w|u\in U, w\in W\}$ (donde $+$ es la suma del espacio $V$).

Nota: La generalización para $U_1,U_2,…,U_m$ ($m$ subespacios de $V$) es:
$U_1+U_2+…+U_m=\{u_1+u_2+…+u_m|u_1\in U_1,u_2\in U_2,…,u_m\in U_m\}$

Propiedades

Justificación. Veamos que $U+W$ contiene a $\theta_V$ y conserva suma y producto por escalar.

Como $U,W\leqslant V$, entonces $\theta_V\in U,W$.
Así, $\theta_V =\theta_V+\theta_V\in U+W$
$\therefore \theta_V\in U+W$

Como $U,W\subseteq V$, entonces $u_1,u_2,w_1,w_2\in V$. Así que $\lambda (u_2+w_2)=\lambda u_2 + \lambda_2 w_2$
Y como $U,W\leqslant V$, entonces tanto $U$ como $W$ conservan suma y producto por escalar. Así que $(u_1+w_1)+(\lambda u_2 + \lambda w_2) \in U+W$
Por lo cual, $(u_1+w_1)+\lambda(u_2+w_2)=(u_1+w_1)+(\lambda u_2 + \lambda w_2) \in U+W$
$\therefore (u_1+w_1)+\lambda(u_2+w_2)\in U+W$

Justificación. Recordando que $\theta_V\in U,W$ (porque $U,V\leqslant V$) tenemos que $\forall u\in U(u=u+\theta_V\in U+W)$ y $\forall w\in W(w=\theta_V+w\in U+W)$

Justificación. Sea $\tilde{V}\leqslant V$ tal que $U,W\subseteq \tilde{V}$
Sea $u+w\in U+W$.
Entonces $u\in U\subseteq \tilde{V}$ y $w\in W\subseteq \tilde{V}$.
De donde $u,w\in\tilde{V}$ y como $\tilde{V}\leqslant V$, entonces $\tilde{V}$ es cerrada bajo suma. Así, $u+w\in\tilde{V}$.
$\therefore U+W\in\tilde{V}$

Teorema: Sean $V$ un $K$ – espacio vectorial y $U,W$ subespacios de $V$. Entonces $dim_K(U+W)=dim_KU+dim_KW-dim_K(U\cap W)$

Demostración: Sea $\beta=\{v_1,v_2,…,v_m\}$ una base de $U\cap W$.
Podemos completar a una base de $U$ y a una base de $W$.

Sea $A=\{v_1,v_2,…,v_m,u_1,u_2,…,u_r\}$ una base de $U$.
Sea $\Gamma =\{v_1,v_2,…,v_m,w_1,w_2,…,w_s\}$ una base de $W$.

Entonces, $dim_KA=m+r$ y $dim_K\Gamma =m+s$.

Veamos que $\Delta =A\cup\Gamma =\{v_1,v_2,…,v_m,u_1,u_2,…,u_r,w_1,w_2,…,w_s\}$ es base de $U+W$.

Tenemos que $A$ es base de $U$, por lo que $A\subseteq U$.
Tenemos que $\Gamma$ es base de $W$, por lo que $\Delta\subseteq W$.
Así, $\Delta =A\cup\Gamma \subseteq U\cup W$. Y como $U,W\subseteq U+W$, entonces $U\cup W\subseteq U+W$
Tenemos que $\Delta\subseteq U+W$ y sabemos que $U+W\leqslant V$, así que $\langle\Delta\rangle\subseteq U+W$

Ahora bien, sea $u+w\in U+W$.
Entonces $u\in U=\langle A\rangle\subseteq\langle A\cup\Gamma\rangle =\langle\Delta\rangle$ y $w\in W=\langle\Gamma\rangle\subseteq\langle A\cup\Gamma\rangle =\langle\Delta\rangle$.
De donde $u,w\in\langle\Delta\rangle$ y como $\langle\Delta\rangle\leqslant V$, entonces $u+w\in\langle\Delta\rangle$
Por lo tanto, $U+W\subseteq\langle\Delta\rangle$

$\therefore\langle\Delta\rangle =U+W$

Sean $\kappa_1,\kappa_2,…,\kappa_m,\lambda_1,\lambda_2,…,\lambda_r,\mu_1,\mu_2,…,\mu_s\in K$ tales que:
$\sum_{i=1}^m(\kappa_iv_i) +\sum_{i=1}^r(\lambda_iu_i) +\sum_{i=1}^s(\mu_iw_i)=\theta_V$ $…(1)$

Como $W\leqslant V$, entonces $\sum_{i=1}^s(\mu_iw_i)\in W$ $…(2)$
Como $U=\langle A\rangle$, entonces $-\sum_{i=1}^m(\kappa_iv_i)-\sum_{i=1}^r(\lambda_iu_i)\in U$ $…(3)$

De $(1)$ tenemos que $\sum_{i=1}^s(\mu_iw_i)=-\sum_{i=1}^m(\kappa_iv_i)-\sum_{i=1}^r(\lambda_iu_i)$ y por $(2)$ y $(3)$ concluímos que $\sum_{i=1}^s(\mu_iw_i)\in U,W$.

Así, $\sum_{i=1}^s(\mu_iw_i)\in U\cap W=\langle\beta\rangle$ y por tanto existen $\gamma_1,\gamma_2,…,\gamma_m\in K$ tales que $\sum_{i=1}^s(\mu_iw_i)=\sum_{i=1}^m(\gamma_iv_i)$ $…(4)$

De $(4)$ tenemos que $\sum_{i=1}^s(\mu_iw_i)-\sum_{i=1}^m(\gamma_iv_i)=\theta_V$, y como $\Gamma$ es l.i. por ser base, entonces $\forall i\in\{1,2,…,s\}(\mu_i=0_K)$ y $\forall i\in\{1,2,…,m\}(-\gamma_i=0_K)$. Por lo tanto, $\sum_{i=1}^s(\mu_iw_i)=\theta_V$ $…(5)$

De $(1)$ y $(5)$ tenemos que $\sum_{i=1}^m(\kappa_iv_i) +\sum_{i=1}^r(\lambda_iu_i) +\theta_V=\sum_{i=1}^m(\kappa_iv_i) +\sum_{i=1}^r(\lambda_iu_i) +\sum_{i=1}^s(\mu_iw_i)=\theta_V$. De donde $\sum_{i=1}^m(\kappa_iv_i) +\sum_{i=1}^r(\lambda_iu_i)=\theta_V$, y como $A$ es l.i. por ser base, entonces $\forall i\in\{1,2,…,m\}(\kappa_i=0_K)$ y $\forall i\in\{1,2,…,r\}(-\lambda_i=0_K)$ $…(6)$

De $(5)$ y $(6)$ tenemos que $\kappa_1,=\kappa_2=…=\kappa_m=\lambda_1=\lambda_2=…=\lambda_r=\mu_1=\mu_2=…=\mu_s=0_K$

$\therefore\Delta$ es l.i.

Por lo tanto $\Delta$ es base de $U+W$.

Como $A$ es base de $U$, ent. $dim_KU=m+r$
Como $\Gamma$ es base de $W$, ent. $dim_KW=m+s$
Como $\beta$ es base de $U\cap W$, ent. $dim_K(U\cap W)=m$
Como $\Delta$ es base de $U+W$, ent. $dim_K(U+W)=m+r+s=(m+r)+(m+s)-m$

Por lo tanto $dim_K(U+W)=dim_KU+dim_KW-dim_K(U\cap W)$

Ejemplos

Justificación. Es claro que $U_1,U_2,U_3\leqslant V$. Veamos el resultado de cada suma entre estos subespacios.
$U_1+U_2=\{(x,0)+(0,y)|x,y\in\mathbb{R}\}=\{(x,y)|x,y\in\mathbb{R}\}=V$
$U_2+U_3=\{(0,y)+(a,a)|y,a\in\mathbb{R}\}=\{(a,a+y)|a,y\in\mathbb{R}\}=\{(a,b)|a,b\in\mathbb{R}\}=V$
$U_3+U_1=\{(a,a)+(x,0)|a,x\in\mathbb{R}\}=\{(a+x,a)|a,x\in\mathbb{R}\}=\{(b,a)|b,a\in\mathbb{R}\}=V$

Sabemos que $dim_KV=2$
Como $\{(1,0)\}$ es base de $U_1$, entonces $dim_KU_1=1$
Como $\{(0,1)\}$ es base de $U_2$, entonces $dim_KU_2=1$
Así, $2=dim_KV=dim_K(U_1+U_2)=dim_KU_1+dim_KU_2-dim_K(U_1\cap U_2)$$=1+1-dim_K(U_1\cap U_2)=2-dim_K(U_1\cap U_2)$, de donde $0=dim_K(U_1\cap U_2)=dim_K\{(0,0)\}$

Justificación. Sabemos que $dim_KV=3$
Veamos que $dim_K(U+W)=3$

Como $\{(1,0,0),(0,1,0)\}$ es base de $U$, entonces $dim_KU=2$
Como $\{(0,1,0),(0,0,1)\}$ es base de $W$, entonces $dim_KW=2$
Como $\{(0,1,0)\}$ es base de $U\cap W$, entonces $dim_K(U\cap W)=1$
Así, $dim_K(U+W)=dim_KU+dim_KW-dim_K(U\cap W)$$=2+2-dim_K(U\cap W)=4-1=3$, de donde $dim_K(U+W)=3=dim_KV$

$\therefore U+W=V$.

SUMA DIRECTA

Definición: Sean $V$ un $K$ – espacio vetorial y $U,W$ subespacios de $V$. Decimos que $U+W$ es una suma directa si cada $v\in U+W$ se escribe como $v=u+w$ (con $u\in U,w\in W$) de forma única. En ese caso, escribiremos a $U+W$ como $U\oplus W$.

Nota: La generalización para $U_1,U_2,…,U_m$ ($m$ subespacios de $V$) es:
$U_1+U_2+…+U_m$ es suma directa si cada $v\in U_1+U_2+…+U_m$ se escribe como $v=u_1+u_2+…+u_m$ (con $u_1\in U_1,u_2\in U_2,…,u_m\in U_m\}$) de forma única y se denotaría como $U_1\oplus U_2\oplus …\oplus U_m$.

Ejemplo

Justificación. Es claro que $U,W\leqslant V$.
Sea $(a,b)\in\mathbb{R}^2$.
Entonces $a,b\in\mathbb{R}$.

Como $(a,b)=\left( \frac{a+b}{2}+\frac{a-b}{2} ,\frac{a+b}{2}-\frac{a-b}{2}\right)=\left( \frac{a+b}{2} ,\frac{a+b}{2}\right)+\left( \frac{a-b}{2} ,-\frac{a-b}{2}\right)\in U+W$
De donde $\mathbb{R}^2\subseteq U+W$.

Veamos que si $u\in U, w\in W$ son tales que $(a,b)=u+w$, entonces $u,w$ son únicos.

Sean $u\in U, w\in W$ son tales que $(a,b)=u+w$.
Entonces $u=(x,x)$ con $x\in\mathbb{R}$ y $w=(y,-y)$ con $y\in\mathbb{R}$, donde $(a,b)=(x,x)+(y,-y)=(x+y,x-y)$

Entonces $a=x+y$ y $b=x-y$. De donde $x=a-y$ y $b=(a-y)-y=a-2y$.
Así, como $a,b$ son reales arbitrarios pero fijos y $b=a-2y$, entonces $y$ es única.
Así, como $a,y$ son fijos y $x=a-y$, entonces $x$ es única.

Como $u=(x,x)$ y $w=(y,-y)$ con $x$ y $y$ únicos, entonces $u$ y $w$ son únicos.

$\therefore U+W$ es suma directa.

Sabemos que $U+W\subseteq V$ y demostramos que $V\subseteq U+W$
$\therefore U\oplus W=V$

Proposición: Sean $V$ un $K$ – espacio vectorial y $U,W$ subespacios de $V$. Entonces $U+W$ es suma directa si y sólo si $U\cap W=\{\theta_V\}$

Demostración: Veamos ambas implicaciones.

$\Rightarrow )$ Sup. que $U+W$ es suma directa.

Como $U,W\leqslant$, entonces $\theta_V\in U,W$. Por lo que $\{\theta_V\}\subseteq U\cap W$.

Sea $v\in U\cap W\setminus U\oplus W$.
Sabemos que $\theta_V+v,v+\theta_V\in U\oplus W$ y son formas de escribir a $v$.
Como $U+W$ es suma directa, entonces la forma de escribir a $v$ debe ser única.
Por lo tanto, $v=\theta_V$

$\therefore U\cap W=\{\theta_V\}$

$\Leftarrow )$ Sup. que $U\cap W=\theta_V$

Sea $v\in U+W$ tal que $u_1+w_1=v=u_2+w_2$ con $u_1,u_2\in U$ y $w_1,w_2\in W$

Como $U,W\leqslant V$, entonces $u_1-u_2\in U$ y $w_2-w_1\in W$.
Como $u_1+w_1=u_2+w_2$, entonces $u_1-u_2=w_2-w_1$.
Por lo tanto, $u_1-u_2,w_2-w_1\in U\cap W=\{\theta_V\}$

Así, $u_1-u_2=\theta_V\leftarrow u_1=u_2$ y $w_2-w_1=\theta_V\leftarrow w_2=w_1$.
Es decir, cada elementos en $U+W$ se escribe de forma única.

$\therefore U+W$ es suma directa.

Tarea Moral

Más adelante…

A partir de la siguiente entrada, analizaremos un tipo de funciones muy especial y útil que va de espacios vectoriales a espacios vectoriales y aunque la definición solo le pide abrir dos operaciones, esto implica muchas propiedades que vuelven a este tipo de función el eje central del Álgebra Lineal.

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