Aplicaciones lineales 1. CuΓ‘les de las siguientes son aplicaciones lineales? a. π΄: β3 β β3 , π΄(π₯, π¦ , π§) = (π₯, 2π¦ , 2π§ ) b. π΄: β3 β β3 , π΄(π₯, π¦ , π§) = (3π₯, π, 5π§) , donde π β β c. π΄: β4 β β3 , π΄(π₯, π¦ , π§, π€) = (π₯ β π€, π¦ β π€, π₯ + π§) d. π΄: π(π Γ π) β βπ , π΄([πππ ]) = (π11 , π22 , π33 , β¦ , πππ ) e. π΄: πΆ β (β) β πΆ β (β), π΄π = 3π β²β² β 2π β² + 1 π π f. π΄: π(2 Γ 2) β β, π΄ ([ ]) = ππ β ππ π π Obs: Para b. considere los casos π = 0 y π β 0. En e. πΆ β (β) representa el conjunto de las funciones infinitamente derivables. 2. Sea π: β3 β β una transformaciΓ³n lineal Sabiendo que f(1, 1)=3 y f(2, 3)=1, calcule f(x, y). 3. Considere las transformaciones lineales π΄: β2 β β3 y π: β3 β β2 definidas por: π΄(π₯, π¦) = (π₯, π¦, π₯ + π¦) y π΅(π₯, π¦, π§) = (ππ₯ + (π β 1)π¦ + (1 β π)π§, βππ₯ + (1 β π)π¦ + ππ§). Determine el operador π΅π΄: β2 β β2 . Demuestre con esto que π΄ = 1 0 [0 1] tiene infinitas inversas por izquierda. 1 1 4. Considere la transformaciΓ³n lineal π΄: β4 β β3 , dada por π΄(π₯, π¦, π§, π‘) = (π₯ + π¦ + π§ + 2π‘, π₯ β π¦ + 2π§, 4π₯ + 2π¦ + 5π§ + 6π‘). Halle el nΓΊcleo y la imagen de A. Encuentre un vector π β β3 que no pertenezca a la imagen de A y con eso exhiba un sistema lineal de tres ecuaciones con cuatro incΓ³gnitas sin soluciΓ³n. 5. Pruebe que πΆ: ππ β ππ+2 ; πΆπ(π₯) = (π₯ 2 + 1)π(π₯) es una transformaciΓ³n lineal inyectiva y obtenga una inversa lineal por izquierda.
Valores propios y vectores propios 1. Diagonalizar, bajo congruencia, la siguiente forma cuadrΓ‘tica π(π₯, π¦, π§) = π₯ 2 + π¦ 2 + π§ 2 + 2π¦π§ . (Hallar P y D) 2. Sabiendo que la matriz A admite 0 como valor propio, verificar si A es diagonalizable bajo similaridad y si lo es, obtener la matriz P que lo diagonaliza,
ο¦1 ο§ ο§1 siendo A ο½ ο§ 0 ο§ο§ ο¨0
1 k 0 0
0 0 1 1
0οΆ ο· 0ο· . 1ο· ο·ο· kοΈ
3. Si los valores propios de la matriz A son ο¬1 = ο¬2 = 2 y ο¬3 = 9 y sus vectores propios son, respectivamente, v1 = (1, β1, 0), v2 = (1, 0, 1) y v3 = (1, 2, 1), determinar A, su polinomio caracterΓstico y su polinomio mΓnimo.
SOLUCIONES 1. CuΓ‘les de las siguientes son aplicaciones lineales? a. π¨: βπ β βπ , π¨(π, π , π) = (π, ππ , ππ ) b. π¨: βπ β βπ , π¨(π, π , π) = (ππ, π, ππ) , donde π β β c. π¨: βπ β βπ , π¨(π, π , π, π) = (π β π, π β π, π + π) d. π¨: π΄(π Γ π) β βπ , π¨([πππ ]) = (πππ , πππ , πππ , β¦ , πππ ) e. π¨: πͺβ (β) β πͺβ (β), π¨π = ππβ²β² β ππβ² + π π π f. π¨: π΄(π Γ π) β β, π¨ ([ ]) = ππ
β ππ π π
a) No es lineal, pues π΄(0, 0, 0) = (0, 1, 1) β (0, 0, 0) b) Para π β 0 no es lineal, pues π΄(0, 0, 0) = (0, π, 0) β (0, 0, 0). Para π = 0 es lineal. Demostremos: ο· π΄(π₯1 + π₯2 , π¦1 + π¦2 , π§1 + π§2 ) = (3(π₯1 + π₯2 ), 0, 5(π§1 + π§2 )) = (3π₯1 , 0, 5π§1 ) + (3π₯2 , 0, 5π§2 ) = π΄(π₯1 , π¦1 , π§1 ) + π΄(π₯2 , π¦2 , π§2 ) ο· π΄(πΌπ₯, πΌ π¦ , πΌ π§) = (3πΌπ₯, 0, 5πΌπ§) = πΌ(3π₯, 0, 5π§) = πΌπ΄(π₯, π¦, π§) β πΌ β β c) Demostremos que es lineal: ο· π΄(π₯1 + π₯2 , π¦1 + π¦2 , π§1 + π§2 , π€1 + π€2 ) = (π₯1 + π₯2 β π€1 β π€2 , π¦1 + π¦2 β π€1 β π€2 , π₯1 + π₯2 + π§1 + π§2 , ) = (π₯1 β π€1 , π¦1 β π€1 , π₯1 + π§1 ) + (π₯2 β π€2 , π¦2 β π€2 , π₯2 + π§2 ) = π΄(π₯1 , π¦1 , π§1 , π€1 ) + π΄(π₯2 , π¦2 , π§2 , π€2 ) ο· π΄(πΌπ₯, πΌ π¦ , πΌ π§, πΌπ€) = (πΌπ₯ β πΌπ€, πΌ π¦ β πΌπ€ , πΌπ₯ + πΌ π§) = πΌπ΄(π₯, π¦, π§) βπΌ β β d) Demostremos que es lineal: ο· π΄([πππ ] + [πππ ]) = π΄([πππ + πππ ]) = (π11 + π11 , π22 + π22 , π33 + π33 , β¦ , πππ + πππ ) = (π11 , π22 , π33 , β¦ , πππ ) + (π11 , π22 , π33 , β¦ , πππ ) = π΄([πππ ]) + π΄([πππ ]) ο·
π΄(πΌ[πππ ]) = π΄([πΌπππ ]) = (πΌπ11 , πΌ π22 , πΌπ33 , β¦ , πΌπππ ) = πΌ(π11 , π22 , π33 , β¦ , πππ ) βπΌ β β e) No es lineal, pues π΄0 = 3.0 β 2.0 + 1 = 1 β 0 f) Demostremos que no es lineal: π π πΌπ πΌπ ο· π΄ (πΌ [ ]) = π΄ ([ ]) = πΌππΌπ β πΌππΌπ = πΌ 2 (ππ β ππ) = π π πΌπ πΌπ π π π π πΌ 2 π΄ ([ ]) β πΌπ΄ ([ ]) π π π π 2. Sea π: βπ β β una transformaciΓ³n lineal Sabiendo que f(1, 1)=3 y f(2, 3)=1, calcule f(x, y). Calculamos ο· f(1, 0)=f(3(1, 1)-(2, 3))=3f(1, 1)-f(2, 3)=3.3-1=8 ο· f(0, 1)=f(-2(1, 1)+(2, 3))=-2f(1, 1)+f(2, 3)=-2.3+1=-5 Luego, f(x, y)=xf(1, 0)+y(f(0,1))=8x-5y
3. Considere las transformaciones lineales π¨: βπ β βπ y π: βπ β βπ definidas por: π¨(π, π) = (π, π, π + π) y π©(π, π, π) = (ππ + (π β π)π + (π β π)π, βππ + (π β π)π + ππ). Determine el operador π©π¨: βπ β βπ . π΅π΄(π₯, π¦) = π΅(π₯, π¦, π₯ + π¦) = (ππ₯ + (π β 1)π¦ + (1 β π)(π₯ + π¦), βππ₯ + (1 β π)π¦ + π(π₯ + π¦) = (π₯, π¦) 1 0 π΄ = [0 1] es la matriz de la aplicaciΓ³n A. Como la aplicaciΓ³n B es inversa por 1 1 π πβ1 1βπ izquierda de A se tiene β π, π β β π΅ = [ ] es inversa por βπ 1 β π π izquierda de A, luego existen infinitas inversas por izquierda de A. 4. Considere la transformaciΓ³n lineal π¨: βπ β βπ , dada por π¨(π, π, π, π) = (π + π + π + ππ, π β π + ππ, ππ + ππ + ππ + ππ). Halle el nΓΊcleo y la imagen de A. Encuentre un vector π β βπ que no pertenezca a la imagen de A y con eso exhiba un sistema lineal de tres ecuaciones con cuatro incΓ³gnitas sin soluciΓ³n. Hallamos el nΓΊcleo de A, que es La soluciΓ³n del sistema: π₯ + π¦ + π§ + 2π‘ = 0 π₯ β π¦ + 2π§ =0 4π₯ + 2π¦ + 5π§ + 6π‘ = 0 3 1 0 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 2 2 [1 β1 2 0] ~ [0 β2 1 β2] ~ [0 β2 1 β2] ~ 1 0 1 β 1 4 2 5 6 0 β2 1 β2 0 0 0 0 2 [0 0 0 0 ] Variables libres: π§, π‘ Para π§ = 2, π‘ = 0 β π¦ = 1, π₯ = β3 Para π§ = 0, π‘ = β1 β π¦ = 1, π₯ = 1 NΓΊcleo π(π΄) = πππ((β3, 1, 2, 0), (1, 1, 0, β1)) Hallamos la imagen, consideramos la base usual, los vectores π΄(π1 ), π΄(π2 ), π΄(π3 ), π΄(π4 ) generan la imagen de A. π΄(π1 ) = (1, 1, 4); π΄(π2 ) = (1, β1, 2); π΄(π3 ) = (1, 2, 5); π΄(π4 ) = (2, 0, 6) Hallamos una base de Im(A). 1 1 4 1 1 4 1 1 4 1 0 3 1 β1 2 0 2 2 0 1 1 [ ]~[ ]~[ ] ~ [0 1 1 ] 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 2 5 0 2 2 0 0 0 0 0 0 2 0 6 Base para πΌπ(π΄) {(1, 0 ,3), (0, 1, 1)}. Un vector que no pertenezca a la imagen podrΓa ser (1, 0, 0) ya que este vector no puede ser combinaciΓ³n lineal de {(1, 0 ,3), (0, 1, 1)}. Luego, el sistema de 3 ecuaciones y 4 incognitas: π₯ + π¦ + π§ + 2π‘ = 1
π₯ β π¦ + 2π§ =0 4π₯ + 2π¦ + 5π§ + 6π‘ = 0 No tiene soluciΓ³n. 5. Pruebe que πͺ: π·π β π·π+π ; πͺπ(π) = (ππ + π)π(π) es una transformaciΓ³n lineal inyectiva y obtenga una inversa lineal por izquierda. Demostremos que C es inyectiva, esto es, el nΓΊcleo de C es 0. El nucleo es la soluciΓ³n del sistema: (π₯ 2 + 1)π(π₯) = 0 Como (π₯ 2 + 1) β 0 βπ₯ β β podemos simplificar en la ecuaciΓ³n, luego π(π₯) = 0 es la ΓΊnica soluciΓ³n. Buscamos una inversa por izquierda π·: ππ+2 β ππ , Sea π(π₯) = π0 + π1 π₯ + π2 π₯ 2 + β― + ππ π₯ π β ππ π·πΆπ(π₯) = π(π₯) π·(π₯ 2 + 1)(π0 + π1 π₯ + π2 π₯ 2 + β― + ππ π₯ π ) = π0 + π1 π₯ + π2 π₯ 2 + β― + ππ π₯ π π0 π·(π₯ 2 + 1) + π1 π·π₯(π₯ 2 + 1) + π2 π·π₯ 2 (π₯ 2 + 1) + β― + ππ π·π₯ π (π₯ 2 + 1) = π0 + π1 π₯ + π2 π₯ 2 + β― + ππ π₯ π Una aplicaciΓ³n valida podrΓa ser, para π(π₯) = π0 + π1 π₯ + π2 π₯ 2 + β― + ππ π₯ π +ππ+1 π₯ π+1 + ππ+2 π₯ π+2 β ππ+2 π·(π₯ π+2 + π₯ π ) = π₯ π ; ππππ π = 0, 1, 2, β¦ , π π·π₯ = 0; π·1 = 0
1. Diagonalizar, bajo congruencia, la siguiente forma cuadrΓ‘tica π(π, π, π) = ππ + ππ + ππ + πππ . (Hallar P y D) 1 π(π₯, π¦ π§) = (π₯, π¦ , π§) [0 0
0 0 π₯ 1 1] (π¦) 1 1 π§
Diagonalizamos A. Hallamos el polinomio caracterΓstico π(π) = |ππΌ β π| = π3 β 3π2 + 2π = π(π β 2)(π β 1) Autovalores: π1 = 0; π2 = 1; π3 = 2 Hallamos los vectores propios. En cada uno de los casos hallamos la soluciΓ³n del sistema MX=0. β1 0 Para π1 = 0 π = ππΌ β π΄ = [ 0 β1 0 β1
0 1 0 β1] ~ [0 1 β1 0 0
0 1] 0
Variable libre: z. Para π§ = β1, β π¦ = 1, π₯ = 1 1 Luego, una base del autosubespacio πΈ0 es {[ 1 ]} , como queremos una base β1 1
ortonormal (para que la matriz sea ortogonal) normalizamos. π£1 =
β3 1 β3 1
[β β3] 0 0 0 0 1 0 Para π2 = 1 π = ππΌ β π΄ = [0 0 β1] ~ [0 0 1] 0 β1 0 0 0 0 Variable libre: x. Para π§ = 0, π¦ = 0, π₯ = 1 1 1 Una base del autosubespacio πΈ1 es {[0]} y como es ortonormal π£2 = [0] 0 0 1 0 0 1 0 0 Para π3 = 2 π = ππΌ β π΄ = [0 1 β1] ~ [0 1 β1] 0 β1 1 0 0 0 Variable libre: z. Para π§ = 1, β π¦ = 1, π₯ = β1
1
β
β3 1
β1 Una base del autosubespacio πΈ2 es {[ 1 ]} y normalizando π£3 = 1
β3 1
[
β3
]
1
P es la matriz formada por los autovectores π = [π£1
π£2
β3 1
π£3 ] =
β3 1
[β β3
1 0 0
β
1
β3 1
β3 1 β3
]
0 0 0 π· = π π΄π = [0 1 0] 0 0 2 π
2. Sabiendo que la matriz A admite 0 como valor propio, verificar si A es diagonalizable bajo similaridad y si lo es, obtener la matriz P que lo
ο¦1 ο§ ο§1 diagonaliza, siendo A ο½ ο§ 0 ο§ο§ ο¨0
1 k 0 0
0 0 1 1
0οΆ ο· 0ο· . 1ο· ο· k ο·οΈ
Hallamos el polinomio caracterΓstico de A, como es diagonal por bloques el polinomio caracterΓstico es el producto de los polinomios caracterΓsticos de cada bloque, luego π(π) = |ππΌ β π΄| = |ππΌ β π·1 ||ππΌ β π·2 | = [(π β 1)(π β π) β 1]2 = [π2 + (β1 β π)π + π β 1]2 . Como 0 es un valor propio, 0 es raΓz del polinomio caracterΓstico. 0=
1 + π Β± β(1 + π)2 β 4(π β 1) 2
(1 + π)2 = (1 + π)2 β 4(π β 1) β π = 1 1 π΄ = [1 0 0
1 1 0 0
Autovalores: π1 = 0; π2 = 2
0 0 1 1
0 0] ; π(π) = |ππΌ β π΄| = π2 (π β 2)2 1 1
β1 Para π1 = 0 π = ππΌ β π΄ = [β1 0 0
0 β1 β1 0 0 β1 0 β1
0 1 0 ] ~ [0 β1 0 β1 0
1 0 0 0
0 1 0 0
0 1] 0 0
Variables libres: y, t; Para π¦ = β1, π¦ π‘ = 0 β π₯ = 1, π§ = 0. Para π¦ = 0, π¦ π‘ = β1 β π₯ = 0, π§ = 1 1 0 β1 Una base del autosubespacio πΈ0 es {[ ] ; [ 0 ]} verificamos que son ortogonales, 0 1 0 β1 1 0 β2 0 1 1 normalizando tenemos: π£1 = β β2 ; π£2 = ; β2 0 1 [ 0 ] [β β2] 0 0 1 β1 1 β1 β1 1 0 0 Para π2 = 2 π = ππΌ β π΄ = [ ] ~ [0 0 0 0 1 β1 0 0 0 0 β1 1 0 0
0 1 0 0
0 β1] 0 0
Variables libres: y, t; Para π¦ = 1, π¦ π‘ = 0 β π₯ = 1, π§ = 0. Para π¦ = 0, π¦ π‘ = 1 β π₯ = 0, π§ = 1 1 0 Una base del autosubespacio πΈ2 es {[1] ; [0]} verificamos que son ortogonales, 0 1 0 1 1 0 β2 0 1 1 normalizando tenemos: π£3 = β2 ; π£4 = ; β2 0 1 [0] [β2] P es la matriz formada por los autovectores π = [π£1 1 1 0 0 β2 β2 0 0 1 1 1 1 β β2
0 [ 0
β2 1
β
β2
β2
0 0
π£2
β2 1 β2]
0 π· = ππ π΄π = [0 0 0
0 0 0 0
0 0 2 0
0 0] 0 2
π£3
π£4 ] =
3. Si los valores propios de la matriz A son ο¬1 = ο¬2 = 2 y ο¬3 = 9 y sus vectores propios son, respectivamente, v1 = (1, β1, 0), v2 = (1, 0, 1) y v3 = (1, 2, 1), determinar A, su polinomio caracterΓstico y su polinomio mΓnimo. π΄π£π = ππ π£π β π΄[π£1
π£2
π£3 ] = [π1 π£1
π2 π£2
π3 π£3 ] β π΄π = ππ· β π΄ = ππ·πβ1
1 1 1 1 0 β1 π£3 ] = [β1 0 2] ; πβ1 = [β0.5 β0.5 1.5 ] ; π· = 0 1 1 0.5 0.5 β0.5 2 0 0 1 1 1 2 0 0 1 0 β1 [0 2 0] ; π΄ = [β1 0 2] [0 2 0] [β0.5 β0.5 1.5 ] = 0 0 9 0 1 1 0 0 9 0.5 0.5 β0.5 5.5 3.5 β3.5 [7 9 β7 ] 3.5 3.5 β1.5 π = [π£1
π£2
Hallamos el polinomio caracterΓstico π(π) = |ππΌ β π΄| = π3 β 13π2 + 40π β 36 = (π β 2)2 (π β 9) El polinomio mΓnimo puede ser: π(π) = (π β 2)(π β 9) o π(π) = (π β 2)2 (π β 9) Verificamos π(π΄) = (π΄ β 2πΌ)(π΄ β 9πΌ) =0 Luego, el polinomio mΓnimo es: π(π) = (π β 2)(π β 9) = π2 β 11π β 18