Rango y Kernelde una transformación lineal.


Rango

El rango de una transformación lineal, que es un invariante numérico que mide el “tamaño” de la imagen.

Sea T: V! W una transformación lineal. Si T (V) = Im (T) ½ W tiene dimensión finita, se dice que T tiene rango finito y dimT (V) ¢ se llama el rango de T y se denota dim T (V) = r (T).

Sean V y W espacios vectoriales, ® 2 V ¤ y w 2 W. Se define la transformación lineal ®|w: V! W de la siguiente forma: (®|w) (v) = ® (v) w


(1) En caso de que la dimensión de V o la de W sean finitas, se deduce que dimT (V) es también finita y consecuentemente tiene sentido hablar del rango de T. La demostración de la finitud en los casos mencionados más arriba se deja como ejercicio. Puede suceder que dimT (V) sea finita aunque la dimensión de V y de W sea infinitas como lo muestra el siguiente ejemplo. T: | [X]! | [X] T (p) = p0 (0) (1+X+X2).

(2) Si ® 6= 0 2 V ¤ y w 2 W es un vector no nulo, es claro que la transformación lineal ®|w: V! W tiene rango uno. El lema que sigue generaliza ese resultado.

Sea T: V! W una transformación lineal de rango r y {w1,..., wr} una base de T (V). Entonces existen ®1,..., ®r 2 V ¤ tales que T = ®1|w1 + · · · + ®r|wr
.
Demostración. Si v 2 V, escribimos T (v) = ®1(v) w1 + · · · + ®r (v) wr para ciertos escalares ®1(v),..., ®r (v). Estos escalares definen funciones ®i: V! | que son de hecho transformaciones lineales. De ahí se deduce inmediatamente el resultado.



A continuación daremos un método para calcular el rango de una transformación lineal en términos de la matriz asociada en bases convenientes.

Sean S: V 0! V, T: V! W y R: W! W0 transformaciones lineales.

Si S y R son invertibles, entonces si el rango de T es finito también lo es el rango de RTS y además r (T) = r (RTS).
Demostración. R (RTS) = dimRTS (V 0) ¢ = dimRT (V) ¢ = dimT (V) ¢ = r (T).

La penúltima igualdad es consecuencia de que R es un isomorfismo de donde se deduce que R|T (V): T (V)! RT (V) ¢ es también un isomorfismo.

Corolario 6.6. Sea T: V! W una transformación lineal entre espacios de dimensión finita. Si B y C son bases de V y W respectivamente, entonces     r (T) =rLC [T] B ¢ recordar que LC [T] B: |n! |m, donde n y m son las dimensiones de V y W respectivamente.

Demostración. Este resultado se deduce inmediatamente del lema anterior y del hecho de que LC [T] B = cCTc1B, donde cC y cB representan los mapas coordenados.

Hemos reducido el problema de calcular el rango de una transformación lineal T al de calcular el rango de una transformación lineal de la forma LA. Este último rango se calcula de la siguiente forma.

(1) Sea A 2 Mm×n y llamemos cj(A), j = 1,..., n a los vectores de
|m definidos por las columnas de A. En forma similar se definen fi(A), i = 1, m a los vectores de |n definidos por las filas de A. Por razones mnemotécnicas representamos a los cj(A) como vectores columna y a los fi(A) como vectores fila.

(2) Se define el rango por columnas de la matriz A – y se denota como rc(A) – como la dimensión del sub-espacio de |m formado por los vectores cj(A), j = 1, n.

En forma parecida se define se define el rango por filas de la matriz A – y se denota como rf(A) como la dimensión del sub-espacio de |n formado por los vectores fi(A), i = 1,..., m.

Se puede probar que si A es una matriz arbitraria el rango por filas de A coincide con el rango por columnas de A.

Sea A 2 Mm×n y LA: |n! |m la correspondiente transformación lineal.

Entonces LA (|n) = hc1(A),..., cn(A) i y r (LA) = rc(A).
Demostración. El resultado se deduce directamente del siguiente hecho: si j =
1,..., n entonces LA (ej) = cj(A). ¤

(1) Teniendo en cuenta que los rangos por filas y por columnas de una matriz arbitraria son iguales  el teorema anterior tiene también una versión “por filas”.

(2) En particular se deduce de lo anterior que si C y D son matrices invertibles, entonces el rango por columnas de la matriz CAD coincide con el rango por columnas de A.
Teniendo en cuenta la igualdad del rango por filas y por columnas de una matriz, vale un resultado análogo para los rangos por filas.

(3) En definitiva, hemos probado que si T: V! W es una transformación lineal entre espacios de dimensión finita, entonces el rango de T coincide con el rango por columnas de cualquier matriz asociada a T en cualesquiera bases que elijamos. Teniendo en cuenta lo anterior vale un resultado análogo para el rango por filas.

Consideremos la trasformación lineal D: |3 [X]! |3 [X] definido como D (p) = p0. Queremos calcular el rango de D. Si B = {1, X, X2, X3} es la base estándar de |3 [X], tenemos que la matriz asociada a D en esa base es

B [D] B =0 1 0 0
0 0 2 0
0 0 0 3
0 0 0 0

Como la primera columna es cero y las otras son múltiplos de los vectores e1, e2, e3 de la base canónica de |4, el espacio generado por las columnas de esta matriz, tiene dimensión tres.


1. Definición (la imagen de una transformación lineal).

Sean V; W espacios vectoriales sobre un campo F y sea T e L(V; W). La imagen de T se define como el conjunto de todos los valores de la aplicación T:

im(T):=weW: EveV tal que w=T(v):e.

2. Definición (el núcleo de una transformación lineal).

Sean V; W espacios vectoriales sobre un campo F y sea T e L (V; W). El Kernel de T se define como la pre-imagen completa del vector nulo:

ker (T):=xeV: T(x) =0W.

3. Proposición (el núcleo de una transformación lineal es un sub-espacio vectorial del dominio).

Sean V; W espacios vectoriales sobre un campo F y sea TeL (V; W) Entonces

ker (T) es un sub-espacio de V.

4. Proposición (la imagen de una transformación lineal es un sub-espacio vectorial del condominio).

Sean V; W espacios vectoriales sobre un campo F y sea T e L (V; W).Entonces

im (T) es un sub-espacio de W
.
Parte de demostración.

Se aplica el criterio de sub-espacio. Se demuestra que el conjunto
im (T) es cerrado bajo la adición y bajo la multiplicación por escalares, además contiene al vector cero.
Mostremos que el conjunto
im (T) es cerrado bajo la adición. Sean w1; w2 e im (T).

Por la definición de la imagen, existen v1; v2 e V tales que w1=T (v1), w2=T (v2).

Por la linealidad de T, T (v1+v2) =T (v1) +T (v2) =w1+w2:

Logramos encontrar un vector x=v1+v2 tal que T(x) =w1+w2.

Por la definición de la imagen, esto implica que w1+w2 e im (T).



Inyectividad y suprayectividad de una transformación lineal en términos de su núcleo e imagen.

Definición de función suprayectiva

Una función f: X! Y se llama suprayectiva o sobreyectiva si para cualquier y e Y existe un x e X tal que f(x) =y.

Observación (criterio de la suprayectividad de una función en términos de su imagen).

Según la definición, f se llama suprayectiva si Y im (f).

Pero la contención im (f)=Y es válida cualquier función f: X! Y.

Por lo tanto, f es suprayectiva 
im (f) =Y:

Definición de función inyectiva

Una función f: X! Y se llama inyectiva si para cualesquiera x1; x2 e X tales que f(x1) =f(x2), se cumple la igualdad x1=x2
.
Proposición (criterio de la inyectividad de una transformación lineal en términos de su núcleo).

Sean V; W espacios vectoriales sobre un campo F y sea T e L (V; W). Entonces: T es inyectiva ker (T) =f0Vg:

Demostración.

Supongamos que T es inyectiva. Tenemos por demostrar la igualdad ker (T)=f0Vg.
Sabemos que la contención f0Vg ker (T) se cumple para cualquier transformación lineal. 

Vamos a demostrar que ker (T)=f0Vg.

Para ello, consideremos un vector arbitrario v e ker (T) y demostremos que v=0V.

Por la definición del núcleo tenemos que T (v) =0W. Por otro lado, sabemos que T(0V) =0W

De las últimas dos igualdades sigue que T (v) =T (0V). Como T es inyectiva, podemos 
concluir que v=0V.

Supongamos que ker (T) =f0g.
Sean u; v e V tales que T (u) =T (v), demostremos que u=v. Por la linealidad de T.





REPRESENTACION MATRICIAL

Sea T: V → W una transformación lineal, donde V y W son espacios vectoriales.  

Sean   e1 = (1, 0, 0,…, 0),   e2 = (0, 1, 0, 0,…, 0),   e3 = (0, 0, 1, 0,…, 0),…,  en = (0, 0, 0,…, 0, 1).  Suponga que {e1, e2, e3,…, en} es una base de V.  

Ahora, sea T (e1) = w1, T (e2) = w2, T (e3) = w3,…, T (en) = wn.  

Llamamos a AT la matriz cuyas columnas son w1, w2, w3,…, wn.  Entonces a la matriz AT se le llama la representación matricial de T.



Ejemplos (para discusión):






Ejercicios: Halla la representación matricial AT y el rango de la transformación lineal dada:




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