Álgebra Lineal I: Transformaciones lineales en bases, conjuntos independientes y generadores

Introducción

El objetivo de esta entrada es entender qué efecto tienen las transformaciones lineales en bases, en conjuntos linealmente independientes y en conjuntos generadores. En la siguiente lista recordamos brevemente estas nociones:

  • Una transformación lineal T:V\to W entre espacios vectoriales V y W es una función que “abre sumas” (es decir T(x+y)=T(x)+T(y)) y “saca escalares” (es decir T(cx)=cT(x)). Recuerda que es necesario que V y W estén sobre el mismo campo, cosa que asumiremos cuando hablemos de transformaciones lineales.
  • Un conjunto de vectores \{v_1,\ldots, v_n\} en V es linealmente independiente si la única combinación lineal de ellos que da 0 es la trivial, osea en la que todos los coeficientes son 0.
  • Si cualquier vector de un espacio vectorial V puede escribirse como combinación lineal de un conjunto de vectores S=\{v_1,\ldots,v_n\}, entonces decimos que S genera a V.
  • Un conjunto de vectores en V es base si es linealmente independiente y genera a V.

La idea de esta entrada es entender lo siguiente:

  • ¿Cuándo las imágenes de linealmente independientes/generadores/bases son linealmente independientes/generadores/bases tras aplicar una transformación lineal?
  • ¿Cómo saber si una transformación lineal es inyectiva?
  • ¿Cómo el efecto de transformaciones lineales en bases nos permite determinar exactamente qué le hacen al resto de los vectores?

Exploración

Tomemos espacios vectoriales V, W y una transformación lineal T:V\to W. Si comenzamos con un conjunto S=\{v_1,\ldots,v_n\} de vectores en V que es linealmente independiente (o generador, o base) en V, ¿cuándo sucede que T(S)=\{T(v_1),\ldots,T(v_n)\} es linealmente independiente (o generador, o base, respectivamente) en W?

Esto definitivamente no sucede siempre. La tranformación Z:\mathbb{R}^3\to \mathbb{R}[x] que manda a todo vector (x,y,z) al polinomio 0 es una transformación lineal. Sin embargo, a la base canónica \{e_1,e_2,e_3\} la manda al conjunto \{0,0,0\}=\{0\}, que no es un conjunto ni linealmente independiente, ni generador de los polinomios con coeficientes reales.

De esta forma, tenemos que pedirle más a la transformación T para que preserve las propiedades mencionadas.

Intuitivamente, si la imagen de T no cubre a todo W, entonces los vectores de la forma T(v) con v en V no deberían de poder generar a W. Así, para que T mande generadores a generadores, tiene que pasar que “T pase por todo W“. Esta noción queda capturada formalmente al pedir que T sea suprayectiva.

Del mismo modo, también intuitivamente si “T manda elementos distintos al mismo elemento”, entonces perderemos familias linealmente independientes al aplicarla. Así, para preservar conjuntos linealmente independientes, necesitamos que vectores distintos vayan a valores distintos. En términos formales, necesitamos que T sea inyectiva.

Resultados principales de transformaciones lineales en bases, generadores y linealmente independientes

El primer resultado es que los requisitos que descubrimos intuitivamente en la sección pasada son suficientes.

Teorema. Sea T:V\to W una transformación lineal y S=\{v_1,\ldots,v_n\} un conjunto de vectores de V. Entonces:

  • Si T es inyectiva y S es linealmente independiente, entonces T(S) es linealmente independiente.
  • Cuando T es suprayectiva y S es generador, entonces T(S) es generador.
  • Si T es biyectiva y S es base, entonces T(S) es base.

Demostración. Comencemos suponiendo que T es inyectiva y S es linealmente independiente. Entonces T(v_1),\ldots,T(v_n) son todos distintos. Tomemos una combinación lineal de elementos de T(S) igual a cero, es decir,

    \[a_1T(v_1)+a_2T(v_2)+\ldots+a_nT(v_n)=0.\]

Debemos mostrar que todos los coeficientes son iguales a cero. Como T es transformación lineal, podemos juntar las sumas y productos escalares como sigue:

    \[T(a_1v_1+a_2v_2+\ldots+a_nv_n)=0=T(0).\]

Como T es inyectiva, esto implica que

    \[a_1v_1+a_2v_2+\ldots+a_nv_n=0,\]

pero como S es linealmente independiente, concluimos que

    \[a_1=\ldots=a_n=0.\]

Así, T(S) es linealmente independiente.

Supongamos ahora que T es suprayectiva y S es generador. Tomemos un w\in W. Como T es suprayectiva, existe v\in V tal que T(v)=w y como S es generador, existen a_1,\ldots,a_n tales que

    \[a_1v_1+\ldots+a_nv_n=v.\]

Aplicando T en ambos lados, abriendo las sumas y sacando escalares obtenemos que

    \[a_1T(v_1)+\ldots+a_nT(v_n)=T(v)=w.\]

Así, todo elemento de W se puede escribir como combinación lineal de elementos de T(S), como queríamos.

Finalmente, supongamos que T es biyectiva y S es base. Como T es inyectiva y S linealmente independiente, entonces T(S) es linealmente independiente. Como T es suprayectiva y S generador, entonces T(S) es generador. Así, T(S) es base.

\square

Una consecuencia fudamental del resultado anterior es que si V y W son espacios de dimensión finita y existe una transformación lineal inyectiva T:V\to W, entonces \dim(V)\leq \dim(W). En efecto, si B es base de V y T es inyectiva, entonces T(B) es linealmente independiente en W y sabemos que W tiene a lo más \dim(W) vectores linealmente independientes, así que \dim(V)=|B|=|T(B)|\leq \dim(W). De manera similar, si existe una transformación lineal T:V\to W suprayectiva, entonces \dim(V)\geq \dim(W). Demuestra esto. ¿Qué pasa con las dimensiones si existe una transformación lineal biyectiva entre V y W?

¿Cuándo una transformación lineal es inyectiva?

El teorema anterior también sugiere que es importante saber cuándo una transformación lineal es inyectiva, suprayectiva o ambas. Resulta que en el caso de la inyectividad hay un criterio que nos ayuda.

Proposición. Sean V y W espacios vectoriales. Una transformación lineal T:V\to W es inyectiva y si sólo si el único vector v de V tal que T(v)=0 es el vector v=0. En otras palabras T es inyectiva si y sólo si \ker(T)=\{0\}.

Demostración. Sean V y W espacios vectoriales y T:V\to W una transformación lineal. Recordemos que sabemos que T(0)=0.

Si T es inyectiva y T(x)=0, entonces T(x)=T(0) y por inyectividad x=0, de modo que x es el único vector que va a 0 bajo T.

Si el único vector que bajo T va a 0 es el 0 y tenemos que T(x)=T(y), entonces usando que T es lineal tenemos que 0=T(y)-T(x)=T(y-x). Así, por hipótesis y-x=0, es decir, x=y. Con esto queda mostrado que T es inyectiva.

\square

Transformaciones lineales en bases dan toda la información

Conociendo los valores de una transformación lineal en algunos vectores, es posible determinar el valor de la transformación en otros vectores que son combinación lineal de los primeros. Considera el siguiente ejemplo.

Problema. La transformación lineal T:M_2(\mathbb{R})\to\mathbb{R}^2 cumple que T\begin{pmatrix}1 & 1\\0 & 0\end{pmatrix}=(1,0), T\begin{pmatrix}0 & 1 \\0 & 1\end{pmatrix}=(0,-1), T\begin{pmatrix}0 & 0\\1 & 1\end{pmatrix}=(-1,0) y T\begin{pmatrix}1 & 0\\1 & 0\end{pmatrix}=(0,1). Determina el valor de T\begin{pmatrix} 3 & 3\\ 3 & 3\end{pmatrix}.

Intenta resolver el problema por tu cuenta antes de ver la solución. Para ello, intenta poner a la matriz \begin{pmatrix} 3 & 3\\ 3 & 3\end{pmatrix} como combinación lineal de las otras matrices y usar que T es lineal.

Solución. Sean A, B, C y D las matrices de las cuales conocemos cuánto vale T en ellas y E la matriz con puros 3‘s. Queremos determinar el valor de T(E). Notemos que E=\frac{3}{2}(A+B+C+D). Como T es transformación lineal, tenemos que

    \begin{align*}T(E)&=\frac{3}{2}(T(A)+T(B)+T(C)+T(D))\\&=\frac{3}{2}((1,0)+(0,-1)+(-1,0)+(0,1))\\&=(0,0).\end{align*}

\square

En este problema lo que sirvió para encontrar el valor de T(E) fue poner a la matriz E como combinación lineal de las matrices A,B,C,D. De hecho, para cualquier matriz que sea combinación lineal de las matrices A,B,C,D, pudiéramos haber hecho lo mismo.

A partir de esta observación, podemos intuir que al conocer el efecto de transformaciones lineales en bases, podemos saber qué le hacen a cada elemento del espacio vectorial. El siguiente teorema enuncia esto de manera formal y dice un poco más.

Teorema. Sean V, W espacios vectoriales, B=\{v_1,v_2,\ldots,v_n\} una base de V y w_1,w_2,\ldots, w_n vectores cualesquiera de W. Entonces, existe una y sólo una transformación lineal T:V\to W tal que

    \[T(v_1)=w_1,\quad T(v_2)=w_2, \quad \ldots,  \quad T(v_n)=w_n.\]

Demostración. Probemos primero la parte de existencia. Como B es base, cualquier vector v de V se puede escribir como

    \[a_1v_1+a_2v_2+\ldots+a_nv_n.\]

Construyamos la función T:V\to W tal que

    \[T(v)=a_1w_1+a_2w_2+\ldots+a_nw_n.\]

Como para cada i=1,\ldots,n tenemos que la combinación lineal de v_i en términos de B es v_i=1\cdot v_i, tenemos que T(v_i)=1\cdot w_i=w_i, que es una de las cosas que queremos. La otra que queremos es que T sea lineal. Mostremos esto. Si

    \[v=a_1v_1+a_2v_2+\ldots+a_nv_n\]

y

    \[w=b_1v_1+b_2v_2+\ldots+b_nv_n,\]

entonces

    \[v+w=(a_1+b_1)v_1+ (a_2+b_2)v_2+\ldots+ (a_n+b_n)v_n,\]

y por definición

    \[T(v+w)=(a_1+b_1)w_1+ (a_2+b_2)w_2+\ldots+ (a_n+b_n)w_n.\]

Notemos que el lado derecho es igual a T(v)+T(w), de modo que T abre sumas. De manera similar se puede mostrar que T saca escalares.

Esbocemos ahora la demostración de la unicidad. Supongamos que T y T' son transformaciones lineales de V a W tales que T(v_i)=T'(v_i)=w_i para toda i=1,\ldots,n. Tenemos que mostrar que T(v)=T'(v) para toda v. Para ello procedemos como en el problema antes de este teorema: escribimos a v como combinación lineal de elementos de B. Esto se puede hacer de una única forma. El valor de T(v) a su vez depende únicamente de w_1,\ldots,w_n y de la los coeficientes en combinación lineal. El de T'(v) también. Por lo tanto son iguales.

\square

Una consecuencia del teorema anterior, en la que no es necesario enunciar a las imágenes de la base, es la siguiente.

Corolario. Sean V y W espacios vectoriales, B una base de V, y T y T' transformaciones lineales de V a W. Si T(v)=T'(v) para toda v\in B, entonces T(v)=T'(v) para toda v\in V.

Tarea moral

Los siguientes ejercicios no forman parte de la evaluación del curso, pero te servirán para entender mucho mejor los conceptos vistos en esta entrada, así como temas posteriores.

  • Encuentra qué le hace al vector (7,3) una transformación lineal T:\mathbb{R}^2\to \mathbb{R} tal que T(2,1)=20 y T(7,2)=5.
  • Determina si las matrices A,B,C,D del problema de la entrada son una base para M_2(\mathbb{R}). Si no son una base, ¿cuál es la dimensión del subespacio que generan?
  • En el último teorema se afirma que la función que construimos saca escalares. Muestra esto.
  • De ese mismo teorema, escribe los detalles de que dicha función es única.
  • Demuestra el corolario enunciado en la entrada.

Más adelante…

Las propiedades que demostramos en esta entrada se usan con tanta frecuencia que muchas veces se aplican sin siquiera detenerse a argumentar por qué son válidas. Por esta razón, es importante que te familiarices con ellas. Otra ventaja de conocerlas a profundidad es que muchas veces ayudan a dar demostraciones sencillas o elegantes para algunos problemas. Finalmente, los hechos que aquí mostramos los usaremos prácticamente sin demostración en las siguientes entradas, en donde desarrollaremos la teoría de la forma matricial de transformaciones lineales.

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9 comentarios en “Álgebra Lineal I: Transformaciones lineales en bases, conjuntos independientes y generadores

  1. Brashan Chinaski

    Hola, ¿Què tal?
    Primero quisiera agradecerte por esto, muchas gracias por tomarte el tiempo para escribirlo y compartirlo con todos.
    Errata: En el corolario antes de la tarea moral, B tiene que ser una base para T y T`(prima, perdòn, no sè escribir en LaTex), se te paso:
    1. “B y ”
    2. Esto es mìnimo pero podrias separar el Teorema de la existencia de la ùnica transformaciòn lineal, solo que se me hace raro ver un teorema despues de un punto y seguido (Perdòn).
    Gracias.

    Responder
  2. Lorena

    Buenas tardes.

    Tengo una duda. En la demostración (consecuencia fudamental del resultado) de que dim(V)<=dim(W), en la parte de:

    dim(V)=|B|=|T(B)|<=dim(W)

    No me queda clara la igualdad |B|=|T(B)|
    Y ¿por qué pasa que |T(B)|<=dim(W) ?

    Responder
    1. LeoLeo Autor

      Hola Lorena. Sale de lo que vimos en material anterior. Si T es inyectiva, entonces cada elemento de B va a un elemento distinto (por definición de inyectividad), de modo que todos los elementos de $T(B)$ son diferentes, así que son la misma cantidad que los de B. De aquí lo de |B|=|T(B)|. La parte en la que |T(B)|<= dim(W) sale de que como B es base, entonces es linealmente independiente, y como T es inyectiva, entonces T(B) también es linealmente independiente (esto viene en la entrada que habla de transformaciones lineales y linealmente independientes). En un espacio puedes tener a lo más tantos vectores linealmente independientes como la dimensión del espacio. De ahí que |T(B)|<=dim W.

      Responder
  3. Daniela Torija

    Hola, buenas tardes.
    Tengo una duda, donde dice que hay que demostrar que si T : V a W suprayectiva y B es base de V entonces dim(v)>= dim(w).
    Cuando T es inyectiva implica que |B|=|T(B)| pero ¿El que T sea suprayectiva implica que |B|>=|T(B)|?
    Gracias.

    Responder
    1. LeoLeo Autor

      Hola Daniela. Siempre se tiene que |B|>=|T(B)|, pues la imagen de ciertos elementos no pueden volverse más elementos. Como T es función, cada elemento se exactamente a uno. La suprayectividad la necesitarás más bien para mostrar que T(B) es generador. Después, usa el lema de Steinitz.

      Responder
  4. Gustavo Castelan

    hola profesor una pregunta es que en el problema 1 cuando trata de encontrar el valor de la matriz con todas las entradas 3 pero lo que se me dificulta es que no hay manera de que esta sea transformación lineal por que tiene que ser función, y esta no cumple la definición de función dado que si fuera función ese valor tendria que ir al mismo valor bajo la transformación pero hay otra manera de escribir esa matriz en términos de las otras por ejemplo E=2(A+D)+B+C y bajo la transformación me da el vector (1,1) entonces con su valor obtenido y con el mio se concluye que esto no cumple la definición de función porque un valor bajo la función los manda a dos valores distintos en este caso (0,0) y (1,1) por ende no puede ser transformación lineal

    Responder
    1. LeoLeo Autor

      Hola Gustavo. Ojo, pues las combinaciones lineales que propones no dan la matriz E. Por ejemplo, cuando haces 2(A+D)+B+C, en la esquina superior izquierda queda 4, y no 3. En la otra forma que propones, que es A+D+2(B+C), en la esquina inferior derecha queda 4.

      Responder

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