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Álgebra Lineal I: Matrices simétricas reales y sus eigenvalores

Por Leonardo Ignacio Martínez Sandoval

Introducción

Hemos llegado a la cima del curso. En estas últimas entradas probaremos uno de los teoremas más bellos en álgebra lineal: el teorema espectral para matrices simétricas reales. También hablaremos de varias de las consecuencias que tiene.

Hay dos formas equivalentes de enunciar el teorema.

Teorema. Sea $V$ un espacio euclideano y $T : V \to V$ una transformación simétrica. Entonces, existe una base ortonormal de $V$ que consiste de eigenvectores de $T$ .

Teorema. Sea $A$ una matriz simétrica en $R^{n}$ . Entonces, existe una matriz ortogonal $P$ y una matriz diagonal $D$ , ambas en $R^{n}$ , tales que $A = P^{- 1} D P .$

Para hablar de la demostración y de las consecuencias del teorema espectral para matrices simétricas reales, necesitaremos usar teoría de todas las unidades del curso. En particular, usaremos las siguientes definiciones:

Una matriz $A$ en $M_{n} (F)$ es simétrica si es igual a su transpuesta.
Una matriz $A$ en $M_{n} (F)$ es ortogonal si es invertible y $A^{- 1} =^{t} A$ .
Si $T : V \to V$ es una transformación lineal de un espacio vectorial $V$ a sí mismo y $W$ es un subespacio de $V$ , entonces decimos que $W$ es estable bajo $T$ si $T (W) \subseteq W$ .
Un producto interior es una forma bilineal simétrica y positiva definida.
Un espacio Euclideano es un espacio vectorial de dimensión finita con un producto interior.
Si $W$ es un subespacio de un espacio Euclideano $V$ , entonces $W^{⊥}$ es el conjunto de todos los vectores que de $V$ que son ortogonales a todos los vectores de $W$ .
Una matriz $A$ en $M_{n} (F)$ es diagonalizable si existen matrices $P$ y $D$ en $M_{n} (F)$ con $P$ invertible, $D$ diagonal y tales que $A = P^{- 1} D P$ .

Y los siguientes resultados principales:

Los eigenvalores de una matriz en $M_{n} (F)$ son las raíces de su polinomio característico que estén en $F$ .
Una matriz «brinca a la otra entrada» de un producto interior transponiéndose. Formalmente, para cualquier matriz $A$ en $M_{n} (R)$ y vectores $u, v$ en $R^{n}$ , se tiene que $⟨^{t} A u, v ⟩ = ⟨ u, A v ⟩ .$
Todo espacio Euclideano tiene una base ortonormal que se puede encontrar mediante el proceso de Gram-Schmidt.

En esta entrada enunciaremos tres resultados auxiliares de interés propio. A partir de estos resultados, la demostración del teorema espectral para matrices simétricas reales y la equivalencia entre ambas versiones será mucho más limpia.

Los eigenvalores de matrices simétricas reales

El polinomio característico de una matriz $A$ en $M_{n} (R)$ tiene coeficientes reales. Por el teorema fundamental del álgebra, debe tener exactamente $n$ raíces en $C$ , contando multiplicidades. Si alguna de estas raíces $r$ no es real, entonces $A$ no puede ser diagonalizable en $M_{n} (R)$ . La razón es que $A$ sería similar a una matriz diagonal $D$ , y los eigenvalores de las matrices diagonales (incluso triangulares) son las entradas de la diagonal principal. Como $A$ y $D$ comparten eigenvalores (por ser similares), entonces $r$ tendría que ser una entrada de $D$ , pero entonces $D$ ya no sería una matriz de entradas reales.

Lo primero que veremos es que las matrices simétricas reales «superan esta dificultad para poder diagonalizarse». Esta va a ser nuestra primer herramienta para demostrar el teorema espectral.

Teorema. Sea $A$ una matriz simétrica en $M_{n} (R)$ y $λ$ una raíz del polinomio característico de $A$ . Entonces, $λ$ es un número real.

Demostración. El polinomio característico de $A$ es un polinomio con coeficientes reales, así que por el teorema fundamental del álgebra se tiene que $λ$ debe ser un número en $C$ . Así, podemos escribirlo de la forma $λ = a + i b$ , con $a$ y $b$ números reales. Lo que mostraremos es que $b = 0$ .

Se tiene que $λ$ es un eigenvalor de $A$ vista como matriz en $M_{n} (C)$ , y por lo tanto le corresponde un eigenvector $U$ en $C^{n}$ , es decir, un $U \neq 0$ tal que $A U = λ U .$ Este vector $U$ lo podemos separar en partes reales e imaginarias con vectores $V$ y $W$ en $R^{n}$ tales que $U = V + i W .$

En estos términos,
$\begin{aligned} A U & = A (V + i W) = A V + i A W y \\ λ U & = (a + i b) (V + i W) \\ = (a V - b W) + i (a W + b V), \end{aligned}$

de modo que igualando partes reales e imaginarias en la expresión $A U = λ U$ tenemos que
$\begin{aligned} A V & = a V - b W y \\ A W & = a W + b V . \end{aligned}$

Como $A$ es simétrica, tenemos que

$\begin{matrix} (1) & ⟨ A V, W ⟩ = ⟨^{t} A V, W ⟩ = ⟨ V, A W ⟩ . \end{matrix}$

Estudiemos las expresiones en los extremos, reemplazando los valores de $A V$ y $A W$ que encontramos arriba y usando la bilinealidad del producto interior. Se tiene que

$\begin{aligned} ⟨ A V, W ⟩ & = ⟨ a V - b W, W ⟩ \\ = a ⟨ V, W ⟩ - b ⟨ W, W ⟩ \\ = a ⟨ V, W ⟩ - b {‖ W ‖}^{2}, \end{aligned}$

y que

$\begin{aligned} ⟨ V, A W ⟩ & = ⟨ V, a W + b V ⟩ \\ = a ⟨ V, W ⟩ + b ⟨ V, V ⟩ \\ = a ⟨ V, W ⟩ + b {‖ V ‖}^{2} . \end{aligned}$

Substituyendo estos valores en la expresión (1), obtenemos la igualdad

$a ⟨ V, W ⟩ - b {‖ W ‖}^{2} = a ⟨ V, W ⟩ + b {‖ V ‖}^{2},$

que se simplifica a $b ({‖ V ‖}^{2} + {‖ W ‖}^{2}) = 0.$

Estamos listos para dar el argumento final. Como $U = V + i W$ es un eigenvector, entonces no es nulo, de modo que no es posible que $V$ y $W$ sean ambos el vector $0$ de $R^{n}$ . Como el producto interior es positivo definido, entonces alguna de las normas $‖ V ‖$ o $‖ W ‖$ no es cero, de modo que ${‖ V ‖}^{2} + {‖ W ‖}^{2} \neq 0.$

Concluimos que $b = 0$ , y por lo tanto que $λ$ es un número real.

La demostración anterior es ejemplo de un truco que se usa mucho en las matemáticas. Aunque un problema o un teorema no hablen de los números complejos en su enunciado, se puede introducir a $C$ para usar sus propiedades y trabajar ahí. Luego, se regresa lo obtenido al contexto real. Aquí en el blog hay otra entrada en donde damos más ejemplos de «brincar a los complejos».

Un resultado auxiliar de transformaciones simétricas

A continuación damos la segunda herramienta que necesitaremos para probar el teorema espectral. Recuerda que si $V$ es un espacio Euclideano y $T : V \to V$ es una transformación lineal, entonces decimos que $T$ es simétrica si para todo par de vectores $u$ y $v$ en $V$ se tiene que $⟨ T (u), v ⟩ = ⟨ u, T (v) ⟩ .$ Enunciamos el resultado en términos de transformaciones, pero también es válido para las matrices simétricas asociadas.

Teorema. Sea $V$ un espacio Eucideano y $T : V \to V$ una transformación lineal simétrica. Sea $W$ un subespacio de $V$ estable bajo $T$ . Entonces:

$W^{⊥}$ también es estable bajo $T$ y
Las restricciones de $T$ a $W$ y a $W^{⊥}$ son transformaciones lineales simétricas en esos espacios.

Demostración. Para el primer punto, lo que tenemos que mostrar es que si $w$ pertenece a $W^{⊥}$ , entonces $T (w)$ también, es decir, que $T (w)$ es ortogonal a todo vector $v$ en $W$ .

Tomemos entonces un vector $v$ en $W$ . Como $W$ es estable bajo $T$ , tenemos que $T (v)$ está en $W$ , de modo que $⟨ w, T (v) ⟩ = 0$ . Como $T$ es simétrica, tenemos entonces que $⟨ T (w), v ⟩ = ⟨ w, T (v) ⟩ = 0.$ Esto es lo que queríamos probar.

Para la segunda parte, si $T_{1}$ es la restricción de $T_{1}$ a $W$ y tomamos vectores $u$ y $v$ en $W$ , tenemos que
$\begin{aligned} ⟨ T_{1} (u), v ⟩ & = ⟨ T (u), v ⟩ \\ = ⟨ u, T (v) ⟩ \\ = ⟨ u, T_{1} (v) ⟩, \end{aligned}$

lo cual muestra que $T_{1}$ es simétrica. La prueba para $W^{⊥}$ es análoga y queda como tarea moral.

Matrices diagonalizables y bases ortonormales de eigenvectores

El tercer y último resultado enuncia una equivalencia entre que una matriz en $M_{n} (F)$ sea diagonalizable, y que exista una base especial para $F^{n}$ . Es lo que usaremos para probar la equivalencia entre ambas formulaciones del teorema espectral para matrices simétricas reales.

Teorema. Sea $A$ una matriz en $M_{n} (F)$ . Las siguientes dos afirmaciones son equivalentes:

$A$ es diagonalizable, es decir, existen matrices $P$ y $D$ en $M_{n} (F)$ , con $P$ invertible y $D$ diagonal tales que $A = P^{- 1} D P .$
Existe una base para $F^{n}$ que consiste de eigenvectores de $A$ .

Demostración. Antes de comenzar la demostración, recordemos que si tenemos una matriz $B$ en $M_{n} (F)$ de vectores columna $C_{1}, \dots, C_{n},$ entonces los vectores columna del producto $A B$ son $A C_{1}, \dots A C_{n} .$ Además, si $D$ es una matriz diagonal en $M_{n} (F)$ con entradas en la diagonal $d_{1}, \dots, d_{n}$ , entonces los vectores columna de $B D$ son $d_{1} C_{1}, \dots, d_{n} C_{n} .$

Comencemos la prueba del teorema. Supongamos que $A$ es diagonalizable y tomemos matrices $P$ y $D$ en $M_{n} (F)$ con $P$ invertible y $D$ diagonal de entradas $d_{1}, \dots, d_{n}$ , tales que $A = P^{- 1} D P$ . Afirmamos que los vectores columna $C_{1}, \dots, C_{n}$ de $P^{- 1}$ forman una base de $F^{n}$ que consiste de eigenvectores de $A$ .

Por un lado, como son los vectores columna de una matriz invertible, entonces son linealmente independientes. En total son $n$ , como la dimensión de $F^{n}$ . Esto prueba que son una base.

De $A = P^{- 1} D P$ obtenemos la igualdad $A P^{- 1} = P^{- 1} D$ . Por las observaciones al inicio de la prueba, tenemos al igualar columnas que para cada $j = 1, \dots, n$ se cumple $A C_{j} = d_{j} C_{j} .$ Como $C_{j}$ forma parte de un conjunto linealmente independiente, no es el vector $0$ . Así, $C_{j}$ es un eigenvector de $A$ con eigenvalor $d_{j}$ . Con esto terminamos una de las implicaciones.

Supongamos ahora que existe una base de $F^{n}$ que consiste de eigenvectores $C_{1}, \dots, C_{n}$ de $A$ . Para cada $j = 1, \dots, n$ , llamemos $λ_{j}$ al eigenvalor correspondiente a $C_{j}$ , y llamemos $D$ a la matriz diagonal con entradas $λ_{1}, \dots, λ_{n}$ .

Como $C_{1}, \dots, C_{n}$ son vectores linealmente independientes, la matriz $B$ cuyas columnas son $C_{1}, \dots, C_{n}$ es invertible. Además, por las observaciones al inicio de la prueba, se tiene que la columna $j$ de la matriz $A B$ es $A C_{j}$ y la columna $j$ de la matriz $B D$ es $λ_{j} C_{j}$ . Entonces, por construcción, estas matrices son iguales columna a columna, y por lo tanto lo son iguales. De esta forma, tenemos que $A B = B D$ , o bien, reescribiendo esta igualdad, que $A = B D B^{- 1} .$ Así, la matriz invertible $P = B^{- 1}$ y la matriz diagonal $D$ diagonalizan a $A$ .

Las matrices simétricas reales serán todavía más especiales que simplemente las matrices diagonalizables. Lo que asegura el teorema espectral es que podremos encontrar no sólo una base de eigenvectores, sino que además podemos garantizar que esta base sea ortonormal. En términos de diagonalización, la matriz $P$ no sólo será invertible, sino que además será ortogonal.

Más adelante…

En esta entrada enunciamos dos formas del teorema espectral y hablamos de algunas consecuencias que tiene. Además, repasamos un poco de la teoría que hemos visto a lo largo del curso y vimos cómo nos ayuda a entender mejor este teorema.

En la siguiente entrada, que es la última del curso, demostraremos las dos formas del teorema espectral que enunciamos en esta entrada y haremos un pequeño comentario sobre qué hay más allá del teorema espectral en el álgebra lineal.

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.

Encuentra un ejemplo de una matriz simétrica en $M_{n} (C)$ cuyos eigenvalores no sean reales.
En el contexto del segundo teorema, muestra que la restricción de $T$ a $W^{⊥}$ es simétrica.
Realiza la demostración de que si $A$ y $B$ son matrices en $M_{n} (F)$ y los vectores columna de $B$ son $C_{1}, \dots, C_{n}$ , entonces los vectores columna de $A B$ son $A C_{1}, \dots, A C_{n}$ . También, prueba que si $D$ es diagonal de entradas $d_{1}, \dots, d_{n}$ , entonces las columnas de $B D$ son $d_{1} C_{1}, \dots, d_{n} C_{n}$ .
Encuentra una matriz $A$ con entradas reales similar a la matriz $(\begin{matrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 5 & 0 \\ 0 & 0 & - 3 \end{matrix}),$ tal que ninguna de sus entradas sea igual a $0$ . Encuentra una base ortogonal de eigenvectores de $A$ para $R^{3}$ .
Diagonaliza la matriz $(\begin{matrix} - 2 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 & 0 \\ \frac{19}{7} & \frac{30}{7} & \frac{65}{7} & \frac{24}{7} \\ \frac{6}{7} & - \frac{20}{7} & - \frac{48}{7} & - \frac{23}{7} \end{matrix}) .$

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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»

Álgebra Lineal I: Proyecciones, simetrías y subespacios estables

Por Blanca Radillo

9 respuestas

Introducción

Anteriormente introdujimos el concepto de transformaciones lineales entre dos espacios vectoriales. Vimos diversas propiedades que toda transformación lineal debe satisfacer. Finalmente, se presentaron las definiciones de kernel e imagen. Lo que haremos ahora es hablar de algunos tipos especiales de transformaciones lineales: las proyecciones y las simetrías. Para ello, aprovecharemos lo que ya estudiamos de suma y suma directas de subespacios.

Además, hablaremos del concepto de subespacios estables. Intuitivamente, un subespacio es estable para una transformación lineal si al aplicarla en elementos del subespacio, «no nos salimos del subespacio».

Proyecciones

Hablemos de una clase fundamental de transformaciones lineales: las proyecciones sobre subespacios. Para ellas, se comienza expresando a un espacio vectorial como una suma directa $V = W_{1} \oplus W_{2}$ . Recuerda que, a grandes rasgos, esto quiere decir que cada vector $v$ de $V$ se puede expresar de manera única como $v = w_{1} + w_{2}$ , donde $w_{1}$ está en $W_{1}$ y $w_{2}$ está en $W_{2}$ .

Definición. Sea $V$ un espacio vectorial y sean $W_{1}$ y $W_{2}$ dos subespacios de $V$ tales que $V = W_{1} \oplus W_{2}$ . La proyección sobre $W_{1}$ es la función $π_{1} : V \to W_{1}$ definido como: para cada $v \in V$ , se tiene que $π_{1} (v)$ es el único vector en $W_{1}$ tal que $v - π_{1} (v)$ está en $W_{2}$ .

De manera similar podemos definir la proyección sobre $W_{2}$ , llamada $π_{2} : V \to W_{2}$ .

Hay otra forma de decir esto. Dado que $V = W_{1} \oplus W_{2}$ , para todo $v \in V$ existen únicos vectores $v_{1} \in W_{1}$ y $v_{2} \in W_{2}$ tales que $v = v_{1} + v_{2}$ . Entonces $π_{1} (v) = v_{1}$ y $π_{2} (v) = v_{2}$ .

Ejemplo. Sea $V = R^{2}$ , y sean $W_{1} = {(a, 0) : a \in R}$ y $W_{2} = {(0, b) : b \in R}$ . Sabemos que $W_{1}$ y $W_{2}$ son subespacios y que $V = W_{1} \oplus W_{2}$ . Entonces, si $(a, b) \in V$ , se tiene que $π_{1} ((a, b)) = (a, 0)$ y $π_{2} ((a, b)) = (0, b)$ .

$△$

Cuando hablamos de una proyección $π$ de un espacio vectorial $V$ , sin indicar el subespacio, de manera implícita nos referimos a una función para la cual existe una descomposición $V = W_{1} \oplus W_{2}$ tal que $π$ es la proyección sobre $W_{1}$ .

Problema. Muestra que la transformación lineal $π : M_{2} (R) \to M_{2} (R)$ tal que $π (\begin{matrix} a & b \\ c & d \end{matrix}) = (\begin{matrix} a + b & 0 \\ c & 0 \end{matrix})$ es una proyección.

Solución. Para resolver el problema, tenemos que mostrar que se puede escribir $M_{2} (R) = W_{1} \oplus W_{2}$ , de modo que $π$ sea una proyección sobre $W_{1}$ .

Proponemos $W_{1} = {(\begin{matrix} r & 0 \\ s & 0 \end{matrix}) : r, s, \in R}$ y $W_{2}$ como $W_{2} = {(\begin{matrix} - r & r \\ 0 & s \end{matrix}) : r, s, \in R} .$

Si una matriz está simultánteamente en $W_{1}$ y $W_{2}$ , es sencillo mostrar que únicamente puede ser la matriz cero, es decir $O_{2}$ . Esto lo puedes verificar por tu cuenta. Además, cualquier matriz en $M_{2} (R)$ se puede escribir como suma de elementos en $W_{1}$ y $W_{2}$ como sigue: $(\begin{matrix} a & b \\ c & d \end{matrix}) = (\begin{matrix} a + b & 0 \\ c & 0 \end{matrix}) + (\begin{matrix} - b & b \\ 0 & d \end{matrix}) .$

Justo $π$ es la primer matriz. Esto muestra que $π$ es una proyección, pues es la proyección sobre $W_{1}$ en la descomposición $V = W_{1} \oplus W_{2}$ .

Aún no hemos mostrado que las proyecciones son transformaciones lineales. Hacemos esto a continuación.

Proposición. Sean $V$ un espacio vectorial, $W_{1}$ un subespacio vectorial de $V$ y $π : V \to W_{1}$ una proyección de $V$ sobre $W_{1}$ . Entonces $π$ es una transformación lineal.

Demostración. Si $v, v^{'} \in V$ entonces $v + v^{'} \in V$ y por definición de proyección tenemos que $π (v + v^{'})$ es el único vector en $W_{1}$ tal que:

$(v + v^{'}) - π (v + v^{'}) \in W_{2},$ por otra parte como $π (v)$ es el únco vector en $W_{1}$ tal que $v - π (v) \in W_{2}$ y $π (v^{'})$ es el único vector en $W_{1}$ tal que $v^{'} - π (v^{'}) \in W_{2}$ entonces $v - π (v) + v^{'} - π (v^{'}) \in W_{2}$ ya que $W_{2}$ es subespacio de $V$ , es decir que $(v + v^{'}) - (π (v) + π (v^{'})) \in W_{2}$ y debido a que $π (v) + π (v^{'}) \in W_{1}$ , entonces tenemos la situación en la que existe un vector $π (v) + π (v^{'}) \in W_{1}$ tal que $(v + v^{'}) - (π (v) + π (v^{'})) \in W_{2},$ pero $π (v + v^{'})$ es el único vector en $W_{1}$ tal que $(v + v^{'}) - π (v + v^{'}) \in W_{2}$ , esto implica que $π (v + v^{'}) = π (v) + π (v^{'}) .$ Así concluimos que $π$ abre sumas.

Para comprobar que $π$ saca escalares consideremos cualquier $v \in V$ y cualquier $c \in F$ , tenemos que $c v \in V$ (pues $V$ es espacio vectorial), por definición de proyección tenemos que $π (c v)$ es el único vector en $W_{1}$ tal que $c v - π (c v) \in W_{2},$ por otra parte $π (v)$ es el único vector de $W_{1}$ tal que $v - π (v) \in W_{2}$ entonces $c (v - π (v)) = c v - c π (v) \in W_{2}$ . Como $c π (v) \in W_{1}$ tal que $c v - c π (v) \in W_{2}$ entonces $π (c v) = c π (v)$ debido a la unicidad de $π (c v)$ , por lo que $π$ saca escalares. Como $π$ abre sumas y saca escalares concluimos que $π$ es una transformación lineal.

Finalmente, notemos que $π (v) = v$ para todo $v \in W_{1}$ pero $π (v) = 0$ si $v \in W_{2}$ .

Simetrías

Una segunda clase importante de trasnformaciones lineales son las simetrías.

Definición. Sea una descomposición $V = W_{1} \oplus W_{2}$ , con $W_{1}, W_{2}$ dos subespacios de $V$ . Decimos que $s : V \to V$ es una simetría con respecto a $W_{1}$ a lo largo de $W_{2}$ si para todo $v \in V$ , escrito como $v = v_{1} + v_{2}$ con $v_{1} \in W_{1}$ y $v_{2} \in W_{2}$ , tenemos que $s (v) = v_{1} - v_{2} .$

Al igual que con las proyecciones, no es dificil ver que las simetrías son transformaciones lineales.

Proposición. Sea $s : V \to V$ una simetría con respecto a $W_{1}$ a lo largo de $W_{2}$ . Entonces, $s$ es una transformación lineal.

Demostración. Sean $v, v^{'} \in V$ . Sean $v_{1}, v_{1}^{'} \in W_{1}$ y $v_{2}, v_{2}^{'} \in W_{2}$ tales que $v = v_{1} + v_{2}$ y $v^{'} = v_{1}^{'} + v_{2}^{'}$ . Eso implica que $v + v^{'} = (v_{1} + v_{1}^{'}) + (v_{2} + v_{2}^{'})$ con $v_{1} + v_{1}^{'} \in W_{1}$ y $v_{2} + v_{2}^{'} \in W_{2}$ . Entonces
$s (v) + s (v^{'}) = (v_{1} - v_{2}) + (v_{1}^{'} - v_{2}^{'}) = (v_{1} + v_{1}^{'}) - (v_{2} + v_{2}^{'}) = s (v + v^{'}) .$
Ahora sea $a \in F$ , entonces $a s (v) = a (v_{1} - v_{2}) = a v_{1} - a v_{2} = s (a v_{1} + a v_{2}) = s (a v)$ . Por lo tanto, $s$ es una transformación lineal.

Notemos que si $v \in W_{1}$ , entonces $s (v) = v - 0 = v$ , y si $v \in W_{2}$ , entonces $s (v) = 0 - v = - v$ .

Subespacios estables

Observemos que las proyecciones y las simetrías satisfacen que $π (W_{1}) = W_{1}$ y $s (W_{1}) = W_{1}$ . Esta es una propiedad muy linda, pero en general, si $T : V \to V$ es una transformación lineal cualquiera y $W$ un subespacio de $V$ , no siempre tenemos que $T (W) = W$ , o ni siquiera que $T (W) \subset W$ . Es decir, aunque tomemos un vector $w$ en $W$ , puede pasar que $T (w)$ ya «esté fuera» de $W$ .

Los subespacios $W$ que sí satisfacen esta última propiedad son cruciales en el estudio de este curso, y por ello, merecen un nombre especial.

Definición. Sea $V$ un espacio vectorial y $T : V \to V$ una transformación lineal. Si $W$ es un subespacio de $V$ tal que $T (W) \subset W$ , decimos que $W$ es un subespacio estable bajo $T$ .

En otras palabras, $W$ es estable bajo $T$ si para todo $v$ en $W$ se tiene que $T (v)$ también está en $W$ . Un ejemplo trivial es la transformación identidad con cualquier subespacio $W$ . Otro ejemplo trivial es que $V$ y ${0}$ son dos subespacios estables bajo cualquier transformación lineal $T : V \to V$ . Otros ejemplos son los ya mencionados: las proyecciones y las simetrías.

En el siguiente ejemplo encontraremos todos los subespacios estables para una cierta transformación.

Ejemplo. Consideremos el mapeo $T : R^{2} \to R^{2}$ con $T (x, y) = (y, - x)$ . Claramente $T$ es lineal. Sea $W$ un subespacio estable de $R^{2}$ bajo $T$ . Supongamos que $W$ no es ni $R^{2}$ , ni el subespacio trivial ${(0, 0)}$ .

Veremos que no hay ningún otro subespacio estable. Procedamos por contradicción. Suponiendo que hay otro subespacio estable $W$ , su dimensión tendría que ser exactamente $1$ . Eso implica que $W$ está generado por un vector no cero, digamos $v = (x, y)$ . Es decir, cada $w \in W$ lo podemos escribir como $w = a v$ donde $a$ es un escalar. En particular $v \in W$ .

Como $W$ es estable bajo $T$ , entonces $T (v) \in W$ , esto es $T (v) = c v$ para algún $c$ . Así,
$\begin{aligned} (y, - x) & = T ((x, y)) \\ = T (v) \\ = c v \\ = c (x, y) \\ = (c x, c y) . \end{aligned}$ Igualando ambos extremos, obtenemos que $y = c x$ y $- x = c y$ , lo cual implica que $(c^{2} + 1) x = 0$ . Como $c$ es real, esto implica $x = 0$ y por lo tanto $y = 0$ . Concluimos que $v = (0, 0)$ , lo cual es una contradicción.

Esto demuestra que los únicos subespacios estables bajo $T$ son $R^{2}$ y ${(0, 0)}$ .

El siguiente problema estudia un problema inverso. En ella se encuentran todas las transformaciones lineales que dejan fijas «todas las rectas por el vector $0$ ».

Problema. Sea $V$ un espacio vectorial y $T : V \to V$ una transformación lineal tal que, para todo $v \in V$ , se tiene que $span (v)$ es un subespacio estable bajo $T$ . Entonces existe un escalar $c \in F$ tal que $T (x) = c x$ para todo $x \in V$ .

Demostración. Sea $x \in V$ un vector distinto de $0$ . Si $L = span (x)$ , tenemos que $T (L) \subset L$ por hipótesis. En particular $T (x) \in L$ y por lo tanto existe $c_{x}$ tal que $T (x) = c_{x} x$ . Queremos probar que esa constante realmente no depende de $x$ .

Sea $y \in V$ . Hay dos opciones: $x, y$ son linealmente independientes o no. Supongamos primero que $x, y$ son linealmente independientes. Entonces $x + y \neq 0$ y la igualdad $T (x + y) = T (x) + T (y)$ puede ser escrita como $c_{x + y} (x + y) = c_{x} x + c_{y} y$ , esto es equivalente a $(c_{x + y} - c_{x}) x + (c_{x + y} - c_{y}) y = 0.$ Por independencia lineal, $c_{x + y} - c_{x} = c_{x + y} - c_{y} = 0$ y por lo tanto. $c_{x} = c_{x + y} = c_{y}$ .

Ahora si $x, y$ no son linealmente independientes, es porque $y = 0$ (en cuyo caso cualquier $c_{y}$ funciona, en particular $c_{x}$ ) o bien porque $y = a x$ para algún escalar $a$ no cero. Entonces la igualdad $T (y) = T (a x) = a T (x)$ puede ser escrita como $c_{y} y = a c_{x} x = c_{x} y$ , y esto implica que $c_{y} = c_{x}$ .

En cualquier caso, hemos mostrado que para todo $y \in V$ , se tiene que $c_{x} = c_{y}$ . Definiendo $c = c_{x}$ , se satisface la afirmación de la proposición.

Las imágenes y kernels son estables

Otros ejemplos importantes de subespacios estables son las imágenes y los kernels. Esto únicamente funciona para cuando tenemos una transformación lineal de un espacio vectorial a sí mismo.

Proposición. Sea $T : V \to V$ una transformación lineal. Entonces $\ker (T)$ e $Im (T)$ son subespacios estables bajo $T$ .

Demostración. En la entrada anterior ya vimos que $\ker (T)$ e $Im (T)$ son subespacios de $V$ . Veamos que son estables bajo $T$ .

Tomemos $v \in \ker (T)$ . Tenemos que mostrar que $T (v) \in \ker (T)$ . Pero esto es cierto pues $T (T (v)) = T (0) = 0.$ Así $T (\ker (T)) \subset \ker (T)$ y por lo tanto $\ker (T)$ es estable bajo $T$ .

Ahora tomemos $v \in Im (T)$ . De manera inmediata, $T (v) \in Im (T)$ . Así, $Im (T)$ es estable bajo $T$ .

Más adelante…

Las proyecciones y simetrías son dos ejemplos de transformaciones lineales que tienen propiedades específicas. Más adelante, cuando hablemos de geometría de espacios vectoriales y del proceso de Gram-Schmidt, veremos que las proyecciones satisfacen propiedades interesantes en términos de ciertas distancias.

La teoría de subespacios estables es muy útil a la hora de construir bases de subespacios vectoriales de manera inductiva. De hecho, los resultados en esta dirección son uno de los ingredientes que usaremos en la demostración del teorema estelar del curso: el teorema espectral.

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.

Sea $Y$ es el subespacio $Y = {(0, r, 0) : r \in R}$ de $R^{3}$ . Argumenta por qué la transformación $π : R^{3} \to Y$ dada por $π (x, y, z) = (0, y, 0)$ es una proyección sobre $Y$ . Para ello tendrás que encontrar un subespacio $W$ de $R^{3}$ tal que $R^{3} = Y \oplus W$ y con el cual $π (x, y, z)$ satisface la definición.
Sea $X$ el subespacio $X = {(r, 0, 0) : r \in R}$ . ¿Es posible ver a la transformación $T : R^{3} \to X$ dada por $T (x, y, z) = (x + y + z, 0, 0)$ como una proyección sobre $X$ ? Si tu respuesta es sí, tendrás que dar un espacio $W$ bajo el cual se satisfaga la definición. Si tu respuesta es no, tendrás que mostrar que ningún subespacio $W$ funciona.
En el ejemplo de la sección de subespacios estables, ¿qué sucede si trabajamos en $C^{2}$ en vez de en $R^{2}$ ? ¿Quienes serían todos los subespacios estables?
Sea $B = {v_{1}, v_{2}, \dots, v_{n}}$ una base para un espacio vectorial $V$ sobre un campo $F$ . Sea $V_{i}$ el espacio vectorial generado por $v_{i}$ , es decir, el conjunto de vectores de la forma $c v_{i}$ con $c \in F$ . Como $B$ es base, cada vector $v \in V$ puede escribirse de la forma $a_{1} v_{1} + a_{2} v_{2} + \dots + a_{n} v_{n}$ de manera única. Muestra que para toda $i \in {1, 2, \dots, n}$ la función $π_{i} (v) = a_{i} v_{i}$ es una proyección sobre $V_{i}$ .
Para cada entero $n$ , muestra que $R_{n} [x]$ es un subespacio de $R [x]$ que es estable bajo la transformación lineal $T$ que manda a cada polinomio $p (x)$ a su derivada $T (p (x)) = p^{'} (x)$ .

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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»

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