Aplicações lineares

Definição, núcleo e imagem, teorema das dimensões e representação matricial.

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A regra T(x,y)=(x+2y,−y,x−y)T(x,y)=(x+2y,-y,x-y) envia (3,1)(3,1) para (5,−1,2)(5,-1,2). Cada coordenada de saída é uma combinação linear das entradas: 3+2⋅1=53+2\cdot1=5, −1-1 e 3−1=23-1=2.

É esta propriedade, valer para todos os pares de entrada, que distingue uma aplicação linear.

Definição e primeiro teste

Uma função T:V→WT: V \to W entre espaços vetoriais é linear quando, para todos u,v∈Vu, v \in V e escalares α,β\alpha, \beta,

T(αu+βv)=αT(u)+βT(v).T(\alpha u + \beta v) = \alpha T(u) + \beta T(v).

Isto equivale às duas condições separadas, T(u+v)=T(u)+T(v)T(u + v) = T(u) + T(v) e T(αu)=αT(u)T(\alpha u) = \alpha T(u).

A versão junta é mais rápida de verificar: testa as duas de uma vez.

O teste mais rápido de todos: se T(0)≠0T(0) \neq 0, a aplicação não é linear. Por exemplo, T(x,y)=(x+1,y)T(x, y) = (x + 1, y) não é linear, porque T(0,0)=(1,0)T(0, 0) = (1, 0).

Mas atenção ao recíproco: T(0)=0T(0) = 0 não chega para provar linearidade. Um exemplo que passa no teste do zero e mesmo assim falha é T(x,y)=(x2,y)T(x, y) = (x^2, y), porque T(2⋅(1,0))=(4,0)≠2T(1,0)=(2,0)T(2 \cdot (1, 0)) = (4, 0) \neq 2T(1, 0) = (2, 0).

Um exemplo que funciona: T:R2→R3T: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^3 dada por T(x,y)=(x+2y,−y,x−y)T(x, y) = (x + 2y, -y, x - y).

Verifica com (x1,y1)(x_1, y_1), (x2,y2)(x_2, y_2) e escalares α,β\alpha, \beta: a primeira coordenada é (αx1+βx2)+2(αy1+βy2)=α(x1+2y1)+β(x2+2y2)(\alpha x_1+\beta x_2)+2(\alpha y_1+\beta y_2)=\alpha(x_1+2y_1)+\beta(x_2+2y_2). As outras duas distribuem-se da mesma forma.

Núcleo, imagem e o teorema das dimensões

O núcleo (ou kernel) de TT é o conjunto dos vetores que TT envia para zero:

ker⁡T={v∈V:T(v)=0}.\ker T = \{v \in V : T(v) = 0\}.

É sempre um subespaço do domínio. Para o exemplo, T(x,y)=(0,0,0)T(x, y) = (0, 0, 0) dá três condições:

  • x+2y=0x + 2y = 0;
  • −y=0-y = 0;
  • x−y=0x - y = 0.

Da segunda sai y=0y = 0 e depois x=0x = 0: o núcleo é só {(0,0)}\{(0, 0)\}.

A imagem de TT é o conjunto dos valores atingidos, Im⁡T={T(v):v∈V}\operatorname{Im} T = \{T(v) : v \in V\}, um subespaço do espaço de chegada. No exemplo,

T(x,y)=x(1,0,1)+y(2,−1,−1),T(x, y) = x(1, 0, 1) + y(2, -1, -1),

por isso a imagem é gerada por (1,0,1)(1, 0, 1) e (2,−1,−1)(2, -1, -1). Estes dois vetores são independentes, logo a imagem é um plano em R3\mathbb{R}^3.

Para um domínio de dimensão finita, o teorema das dimensões, ou teorema núcleo-imagem, liga as duas:

dim⁡ker⁡T+dim⁡Im⁡T=dim⁡V.\dim \ker T + \dim \operatorname{Im} T = \dim V.

Aqui, 0+2=20+2=2 coincide com a dimensão do domínio. Este teorema responde a perguntas de existência sem contas: uma aplicação linear de R2\mathbb{R}^2 em R3\mathbb{R}^3 nunca é sobrejetiva, porque a imagem tem dimensão no máximo 2.

O núcleo decide a injetividade: TT é injetiva exatamente quando ker⁡T={0}\ker T = \{0\}. A imagem decide a sobrejetividade: TT é sobrejetiva exatamente quando Im⁡T=W\operatorname{Im} T = W.

O exemplo é injetivo mas não sobrejetivo. Quando o domínio e o espaço de chegada têm a mesma dimensão finita, injetividade e sobrejetividade são equivalentes.

Não confundas WW, o espaço de chegada declarado na função, com Im⁡T\operatorname{Im}T, o subconjunto efetivamente atingido. Aqui W=R3W=\mathbb R^3, mas a imagem é um plano.

Representação matricial

Fixadas bases no domínio e no espaço de chegada, cada aplicação linear descreve-se por uma matriz: a coluna jj é a imagem do jj-ésimo vetor da base do domínio, escrita em coordenadas na base de chegada. Com as bases canónicas, basta aplicar TT aos versores.

Para o exemplo T(x,y)=(x+2y,−y,x−y)T(x, y) = (x + 2y, -y, x - y): T(1,0)=(1,0,1)T(1, 0) = (1, 0, 1) e T(0,1)=(2,−1,−1)T(0, 1) = (2, -1, -1). A matriz é

M(T)=[120−11−1],M(T) = \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 0 & -1 \\ 1 & -1 \end{bmatrix},

e aplicar TT é multiplicar: T(x,y)=M(T)[xy]T(x, y) = M(T)\begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix}. Confirma com (3,1)(3, 1): a matriz dá (3+2,−1,3−1)=(5,−1,2)(3 + 2, -1, 3 - 1) = (5, -1, 2), igual à fórmula direta.

Duas consequências práticas seguem desta representação: a composta de aplicações corresponde ao produto das matrizes (pela ordem certa: a matriz de S∘TS \circ T é M(S)M(T)M(S)M(T)), e TT é invertível (isomorfismo) exatamente quando a matriz é quadrada e invertível, caso em que a matriz da inversa é a inversa da matriz.

Uma matriz mexe com a grelha do plano: cada quadrado vira um paralelogramo. Com S(x,y)=(2x+y,x+2y)S(x, y) = (2x + y, x + 2y) do fim da página, a grelha 2×22 \times 2 transforma-se assim:

Ver com outros olhos

O núcleo de TT é o conjunto das soluções do sistema homogéneo M(T)X=0M(T)X = 0, e a imagem é o espaço gerado pelas colunas de M(T)M(T). Por isso, a característica da matriz dá dim⁡Im⁡T\dim \operatorname{Im} T: o teorema das dimensões é “variáveis livres mais pivôs igual ao número de incógnitas” com outro nome.

Se a dúvida é como uma matriz guarda uma transformação, vê este vídeo e observa como a imagem dos vetores da base determina a transformação:

Abrir no YouTube

Descobrir a lei a partir de imagens

Uma aplicação linear fica determinada pelas imagens dos vetores de uma base. Se soubermos

T(1,1)=(3,1),T(1,−1)=(1,3),T(1,1)=(3,1),\qquad T(1,-1)=(1,3),

basta decompor (x,y)(x,y) nessa base,

(x,y)=x+y2(1,1)+x−y2(1,−1),(x,y)=\frac{x+y}{2}(1,1)+\frac{x-y}{2}(1,-1),

e a linearidade dá

T(x,y)=x+y2(3,1)+x−y2(1,3).T(x,y)=\frac{x+y}{2}(3,1)+\frac{x-y}{2}(1,3).

Distribuindo, T(x,y)=(2x+y, 2x−y)T(x,y)=(2x+y,\,2x-y).

As imagens não eram as de e1,e2e_1,e_2, por isso colocá-las diretamente como colunas da matriz canónica daria a matriz errada. A forma matricial correta é APB=RAP_B=R, onde PBP_B tem os vetores da base como colunas e RR as respetivas imagens canónicas. Assim, A=RPB−1A=RP_B^{-1}.

Se os vetores dados forem dependentes, as imagens têm de respeitar a mesma dependência.

Por exemplo, se v3=v1+v2v_3=v_1+v_2, a linearidade exige T(v3)=T(v1)+T(v2)T(v_3)=T(v_1)+T(v_2). Se não respeitarem, não existe uma aplicação linear com esses dados.

Descobrir a lei a partir do núcleo

O núcleo também fornece imagens conhecidas: cada um dos seus vetores vai para zero. Suponhamos que T:R2→R2T:\mathbb R^2\to\mathbb R^2 é linear, que

ker⁡T=span⁡((1,1)),T(0,1)=(10,13).\ker T=\operatorname{span}((1,1)),\qquad T(0,1)=(10,13).

Os vetores (1,1)(1,1) e (0,1)(0,1) são independentes, logo formam uma base. Decompondo qualquer argumento,

(x,y)=x(1,1)+(y−x)(0,1).(x,y)=x(1,1)+(y-x)(0,1).

A primeira parcela desaparece pela ação de TT, por isso

T(x,y)=(y−x)(10,13).T(x,y)=(y-x)(10,13).

Verifica agora a igualdade do núcleo, porque usar os seus geradores garante inicialmente apenas uma inclusão. Como (10,13)≠0(10,13)\ne0, a imagem é zero exatamente quando y−x=0y-x=0. Logo o núcleo é mesmo a reta indicada; a imagem é a reta gerada por (10,13)(10,13).

Se só soubéssemos a imagem de (0,1)(0,1), faltaria informação sobre outra direção. É a combinação da base do núcleo com uma direção complementar que determina a lei.

Um núcleo não trivial

Considera T:R3→R2T:\mathbb R^3\to\mathbb R^2 dada por T(x,y,z)=(x+z,y+z)T(x,y,z)=(x+z,y+z). A matriz canónica é

A=[101011].A=\begin{bmatrix}1&0&1\\0&1&1\end{bmatrix}.

O núcleo resolve x+z=0, y+z=0x+z=0,\ y+z=0: ker⁡T=span⁡((−1,−1,1))\ker T=\operatorname{span}((-1,-1,1)). A imagem tem base ((1,0),(0,1))((1,0),(0,1)), dada pelas duas primeiras colunas originais, e é R2\mathbb R^2.

Logo TT é sobrejetiva e não é injetiva. Para encontrar todos os argumentos enviados para (2,3)(2,3), escolhe z=tz=t:

(x,y,z)=(2,3,0)+t(−1,−1,1).(x,y,z)=(2,3,0)+t(-1,-1,1).

A imagem tem dimensão 2, o núcleo tem dimensão 1 e a soma dá a dimensão 3 do domínio. Como a aplicação não é injetiva, não tem inversa: cada imagem tem vários argumentos.

Composição e bases compatíveis

Se T:Rn→RmT:\mathbb R^n\to\mathbb R^m tem matriz AA e S:Rm→RpS:\mathbb R^m\to\mathbb R^p tem matriz BB, então S∘TS\circ T tem matriz BABA. A saída de TT tem de estar expressa na mesma base que SS recebe.

Com o TT anterior e S(u,v)=(u−v,u+v)S(u,v)=(u-v,u+v), a composta tem matriz

BA=[1−111][101011]=[1−10112].BA= \begin{bmatrix}1&-1\\1&1\end{bmatrix} \begin{bmatrix}1&0&1\\0&1&1\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}1&-1&0\\1&1&2\end{bmatrix}.

A composição dá (x−y,x+y+2z)(x-y,x+y+2z), o mesmo resultado que substituir a lei de TT na de SS.

Um endomorfismo completo

Um endomorfismo é uma aplicação linear de um espaço para ele próprio. Considera S:R2→R2S: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^2 com S(x,y)=(2x+y,x+2y)S(x, y) = (2x + y, x + 2y). A matriz canónica é [2112]\begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 2 \end{bmatrix}, de determinante 4−1=3≠04 - 1 = 3 \neq 0. Logo SS é invertível, o núcleo é trivial e a imagem é todo o R2\mathbb{R}^2: injetiva e sobrejetiva. A inversa obtém-se invertendo a matriz:

M(S)−1=13[2−1−12],S−1(u,v)=(2u−v3,−u+2v3).M(S)^{-1} = \frac{1}{3}\begin{bmatrix} 2 & -1 \\ -1 & 2 \end{bmatrix}, \qquad S^{-1}(u, v) = \left(\frac{2u - v}{3}, \frac{-u + 2v}{3}\right).

Verifica com (u,v)=(5,4)(u, v) = (5, 4): S−1(5,4)=(2,1)S^{-1}(5, 4) = (2, 1), e S(2,1)=(5,4)S(2, 1) = (5, 4). A inversa recuperou o argumento original.

Imagem e inversa sobre a imagem

Nos acetatos históricos de transformações lineares, «contradomínio» designa a imagem Im⁡T\operatorname{Im}T. Aqui distinguimos sempre essa imagem do espaço de chegada WW. A injetividade permite recuperar o argumento de cada vetor da imagem.

Uma aplicação injetiva mas não sobrejetiva, como T(x,y)=(x+2y,−y,x−y)T(x,y)=(x+2y,-y,x-y) do início (o núcleo é trivial: −y=0-y=0 dá y=0y=0 e depois x=0x=0), não tem inversa, mas tem inversa sobre a sua imagem: T~:R2→Im⁡T\tilde T:\mathbb R^2\to\operatorname{Im}T é bijetiva. Por exemplo, (3,−1,0)=T(1,1)(3,-1,0)=T(1,1): de −y=−1-y=-1 sai y=1y=1, de x+2y=3x+2y=3 sai x=1x=1, e x−y=0x-y=0 confirma. A inversa sobre a imagem envia (3,−1,0)(3,-1,0) para (1,1)(1,1), e o seu domínio é o plano Im⁡T\operatorname{Im}T, não todo o R3\mathbb R^3.

O que costuma correr mal

  • Concluir linearidade só porque T(0)=0T(0) = 0. É condição necessária, não suficiente: testa sempre a soma e o produto por escalar, com um contraexemplo concreto se suspeitares.
  • Construir a matriz da aplicação com as imagens em linha em vez de coluna, ou trocar a ordem do produto na composta S∘TS \circ T.
  • Misturar bases: a matriz canónica só vale para as bases canónicas dos dois lados. Com outras bases, precisas das matrizes de mudança de base (próxima página).
  • Esquecer que injetividade é sobre o núcleo e sobrejetividade sobre a imagem, e tentar prová-las diretamente com quantificadores quando o teorema das dimensões resolve em duas linhas.

Exercícios

Núcleo e imagem

Para T(x,y,z)=(x+z,y+z)T(x,y,z)=(x+z,y+z), dá bases do núcleo e imagem e decide injetividade e sobrejetividade.

Pista

Resolve T(x,y,z)=0.

Mais uma pista

As duas primeiras colunas da matriz são independentes.

Solução

O núcleo tem base ((−1,−1,1))((-1,-1,1)). A imagem é R2\mathbb R^2, com base canónica. A aplicação é sobrejetiva, mas não injetiva. A soma das dimensões é 1+2=31+2=3, a dimensão do domínio.

Confere a tua resposta:

  • Calcula bases e dimensões.
  • Justifica as propriedades.

Erros frequentes

O núcleo pertence ao domínio, R3\mathbb R^3, e a imagem à chegada, R2\mathbb R^2. Ter imagem total não torna a aplicação injetiva.

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Derivar a lei

TT é linear, T(1,1)=(4,2)T(1,1)=(4,2) e T(1,−1)=(2,0)T(1,-1)=(2,0). Encontra a lei e T(2,1)T(2,1).

Pista

Decompõe (x,y) nos argumentos dados.

Mais uma pista

Os coeficientes são (x+y)/2 e (x-y)/2.

Solução

Pela linearidade, T(x,y)=((x+y)/2)(4,2)+((x−y)/2)(2,0)=(3x+y,x+y)T(x,y)=((x+y)/2)(4,2)+((x-y)/2)(2,0)=(3x+y,x+y). Assim T(2,1)=(7,3)T(2,1)=(7,3). Substitui os dois argumentos originais para confirmar os dados.

Confere a tua resposta:

  • Deriva a lei, sem usar as imagens como colunas canónicas.
  • Confirma os dados e a imagem pedida.

Erros frequentes

Os argumentos dados não são a base canónica. Decompõe (x,y)(x,y) nessa base antes de usar as duas imagens.

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Imagens incompatíveis

Existe TT linear com T(1,0)=(1,0)T(1,0)=(1,0), T(0,1)=(0,1)T(0,1)=(0,1) e T(1,1)=(2,1)T(1,1)=(2,1)?

Pista

Usa (1,1)=(1,0)+(0,1).

Solução

Não existe. A linearidade obrigaria T(1,1)=T(1,0)+T(0,1)=(1,1)T(1,1)=T(1,0)+T(0,1)=(1,1), diferente do terceiro dado.

Confere a tua resposta:

  • Apresenta a dependência entre argumentos.
  • Mostra a contradição.

Erros frequentes

Imagens prescritas têm de respeitar todas as relações lineares dos argumentos. Escolher três imagens livremente não define necessariamente uma aplicação linear.

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Passar no teste do zero

Decide se F,G:R2→R2F,G:\mathbb R^2\to\mathbb R^2, dadas por F(x,y)=(∣x∣,y)F(x,y)=(|x|,y) e G(x,y)=(x−y,2y)G(x,y)=(x-y,2y), são lineares. Ambas enviam o zero para zero. Explica por que isso não decide a resposta.

Pista

Em FF, experimenta um escalar negativo. Em GG, distribui os escalares em cada coordenada.

Mais uma pista

Com u=(1,0)u=(1,0), compara F(−u)F(-u) com −F(u)-F(u).

Solução

FF não é linear: F(−1,0)=(1,0)F(-1,0)=(1,0), mas −F(1,0)=(−1,0)-F(1,0)=(-1,0). Falha o produto por escalar −1-1, embora F(0)=0F(0)=0.

Para u=(x1,y1)u=(x_1,y_1), v=(x2,y2)v=(x_2,y_2) e reais a,ba,b,

G(au+bv)=(a(x1−y1)+b(x2−y2), 2ay1+2by2)=aG(u)+bG(v).G(au+bv)= (a(x_1-y_1)+b(x_2-y_2),\ 2ay_1+2by_2) =aG(u)+bG(v).

Portanto GG é linear. O teste do zero só permite excluir uma aplicação que o falhe; não prova as duas condições para a que o passe.

Confere a tua resposta:

  • Dá um contraexemplo concreto para F.
  • Prova a linearidade de G com argumentos e escalares genéricos.

Erros frequentes

Verificar alguns vetores não prova linearidade para todos. Um único contraexemplo basta para a negar; uma prova positiva usa argumentos e escalares genéricos.

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Inversa definida só na imagem

Seja T(x,y)=(x+2y,−y,x−y)T(x,y)=(x+2y,-y,x-y). Mostra que TT é injetiva, que não tem inversa como função R3→R2\mathbb R^3\to\mathbb R^2, e encontra a imagem de (3,−1,0)(3,-1,0) pela inversa sobre Im⁡T\operatorname{Im}T.

Pista

Resolve T(x,y)=0T(x,y)=0.

Solução

T(x,y)=0T(x,y)=0 dá −y=0-y=0, logo y=0y=0, e x+2y=0x+2y=0, logo x=0x=0: o núcleo é trivial e TT é injetiva. Como dim⁡Im⁡T=2<3\dim\operatorname{Im}T=2<3, TT não é sobrejetiva e não tem inversa R3→R2\mathbb R^3\to\mathbb R^2. Sobre a imagem, T~:R2→Im⁡T\tilde T:\mathbb R^2\to\operatorname{Im}T é bijetiva: de −y=−1-y=-1 sai y=1y=1, de x+2y=3x+2y=3 sai x=1x=1, e x−y=0x-y=0 confirma. A inversa sobre a imagem envia (3,−1,0)(3,-1,0) para (1,1)(1,1); o seu domínio é o plano Im⁡T\operatorname{Im}T, não todo o R3\mathbb R^3.

Confere a tua resposta:

  • Prova a injetividade pelo núcleo.
  • Resolve na imagem e explicita o domínio da inversa.

Erros frequentes

Injetividade não dá inversa total quando a aplicação não é sobrejetiva. Explicita sempre o domínio da inversa: aqui é Im⁡T\operatorname{Im}T.

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Construir uma aplicação com núcleo prescrito

Existe uma única aplicação linear T:R3→R3T:\mathbb R^3\to\mathbb R^3 com núcleo span⁡((1,1,1))\operatorname{span}((1,1,1)), T(1,0,0)=(1,−1,0)T(1,0,0)=(1,-1,0) e T(0,1,0)=(0,1,−1)T(0,1,0)=(0,1,-1)? Se existir, encontra a lei e descreve a imagem por uma equação cartesiana.

Pista

O vetor do núcleo é e1+e2+e3e_1+e_2+e_3. A sua imagem tem de ser zero. Depois confirma que não apareceram outras direções no núcleo.

Solução

A linearidade e o núcleo obrigam

T(e3)=−T(e1)−T(e2)=(−1,0,1).T(e_3)=-T(e_1)-T(e_2)=(-1,0,1).

As imagens da base canónica ficam todas determinadas, logo há no máximo uma aplicação linear. A fórmula correspondente é

T(x,y,z)=(x−z,−x+y,−y+z).T(x,y,z)=(x-z,-x+y,-y+z).

Esta fórmula é linear. Anula-se exatamente quando x=zx=z e y=xy=x, ou seja, quando x=y=zx=y=z. O núcleo é, portanto, a reta prescrita, provando a existência.

As duas imagens dadas são independentes e cada uma tem soma de coordenadas zero. Geram um plano de dimensão 2 contido em a+b+c=0a+b+c=0, que também tem dimensão 2. Assim,

Im⁡T={(a,b,c):a+b+c=0}.\operatorname{Im}T=\{(a,b,c):a+b+c=0\}.

A soma das dimensões é 1+2=31+2=3, a dimensão do domínio. O núcleo não determina uma aplicação sozinho; aqui as duas imagens adicionais fixam a ação nas direções que faltavam.

Confere a tua resposta:

  • Usa a relação do núcleo para encontrar a imagem que falta e deriva a lei.
  • Prova a existência, a unicidade e a igualdade exata do núcleo e da imagem.
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