Espaços vetoriais, bases e dimensão

Subespaços, independência linear, bases, dimensão e coordenadas em vetores, polinómios e matrizes.

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As soluções de x+y+z=0x+y+z=0 formam um plano pela origem. Somar duas soluções dá outra solução, e multiplicar uma solução por qualquer real também.

Estas propriedades permitem estudar o conjunto como um subespaço: obter uma base e contar as direções independentes que contém.

O espaço R elevado a n

O conjunto Rn\mathbb{R}^n contém todos os nn-tuplos de números reais, (x1,x2,…,xn)(x_1, x_2, \dots, x_n), com soma e produto por escalar feitos coordenada a coordenada. Para n=2n = 2 são os pontos do plano e para n=3n = 3 os do espaço, e Rn\mathbb{R}^n é o exemplo usado nestas páginas.

Um espaço vetorial (também chamado espaço linear) é qualquer conjunto com uma soma e um produto por escalar que obedecem às mesmas regras: associatividade, comutatividade, elemento neutro e simétricos para a soma, mais as quatro regras que ligam as duas operações. Para vetores u,vu,v e reais a,ba,b:

a(u+v)=au+av,(a+b)u=au+bu,a(bu)=(ab)u,1u=u.a(u+v)=au+av, \qquad (a+b)u=au+bu, \qquad a(bu)=(ab)u, \qquad 1u=u.

Se a dúvida é como um deslocamento se escreve com números, vê este vídeo e observa como cada seta se descreve pelas suas componentes:

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Subespaços: conjuntos fechados para as operações

Um subespaço FF de Rn\mathbb{R}^n é um subconjunto não vazio tal que:

  1. se u,v∈Fu, v \in F, então u+v∈Fu + v \in F;
  2. se u∈Fu \in F e k∈Rk \in \mathbb{R}, então ku∈Fku \in F.

Ou seja, consegues somar e multiplicar por escalares sem sair do conjunto. Todo o subespaço contém o vetor nulo (basta fazer 0⋅u0 \cdot u).

Exemplo: a reta y=2xy = 2x no plano é um subespaço de R2\mathbb{R}^2. Somando (a,2a)+(b,2b)=(a+b,2(a+b))(a, 2a) + (b, 2b) = (a+b, 2(a+b)) continuas na reta, e o mesmo vale para múltiplos.

Já a reta y=2x+1y = 2x + 1 não é subespaço: nem sequer contém (0,0)(0, 0).

A interseção de subespaços é sempre um subespaço. A união, em geral, não é.

A união dos dois eixos coordenados em R2\mathbb{R}^2 contém (1,0)(1, 0) e (0,1)(0, 1) mas não a soma (1,1)(1, 1). Para juntar subespaços usa-se a soma F+G={u+v:u∈F,v∈G}F + G = \{u + v : u \in F, v \in G\}.

O conjunto {(x,y):xy=0}\{(x,y):xy=0\} é precisamente essa união dos eixos. Contém o zero e é fechado para múltiplos escalares, mas falha a soma. Passar dois dos testes não chega.

Os dois eixos contêm u e v, mas a soma u mais v está fora deles.u = (1, 0)v =(0, 1)u + v = (1, 1)0xy
Os eixos fazem parte da união. O ponto (1, 1) não pertence a nenhum deles: falha o fecho para a soma.

Independência linear

Uma combinação linear de v1,…,vkv_1,\ldots,v_k é um vetor a1v1+⋯+akvka_1v_1+\cdots+a_kv_k, com coeficientes reais. O espaço gerado, span⁡(v1,…,vk)\operatorname{span}(v_1,\ldots,v_k), contém todas essas combinações. Por exemplo, span⁡((1,0),(0,1))=R2\operatorname{span}((1,0),(0,1))=\mathbb R^2.

Um conjunto de vetores {v1,v2,…,vk}\{v_1, v_2, \dots, v_k\} é linearmente independente quando a única combinação linear que dá o vetor nulo é a trivial:

α1v1+α2v2+⋯+αkvk=0  ⟹  α1=α2=⋯=αk=0.\alpha_1 v_1 + \alpha_2 v_2 + \dots + \alpha_k v_k = 0 \implies \alpha_1 = \alpha_2 = \dots = \alpha_k = 0.

Se existir uma combinação não trivial, os vetores são linearmente dependentes: pelo menos um deles escreve-se como combinação dos outros.

Testa {u1=(1,0),u2=(1,1)}\{u_1 = (1, 0), u_2 = (1, 1)\} em R2\mathbb{R}^2. A equação α1(1,0)+α2(1,1)=(0,0)\alpha_1(1,0) + \alpha_2(1,1) = (0,0) dá o sistema α1+α2=0\alpha_1 + \alpha_2 = 0, α2=0\alpha_2 = 0.

A única solução é α1=α2=0\alpha_1 = \alpha_2 = 0. São independentes.

Por contraste, (1,2)(1, 2) e (2,4)(2, 4) são dependentes, porque 2⋅(1,2)−1⋅(2,4)=(0,0)2 \cdot (1,2) - 1 \cdot (2,4) = (0,0): o segundo é o dobro do primeiro.

Dois vetores independentes e a sua soma desenham sempre um paralelogramo, como o de u1u_1, u2u_2 e u1+u2u_1 + u_2:

Para nn vetores de Rn\mathbb R^n, o determinante da matriz que os tem como colunas testa a independência: é não nulo exatamente quando os vetores são independentes. Para (1,0)(1,0) e (1,1)(1,1), dá 1. Quando a matriz não é quadrada, resolve o sistema homogéneo ou conta os pivôs: a independência exige um pivô em cada coluna.

Há dois factos que orientam a intuição. Qualquer conjunto com mais vetores do que a dimensão do espaço é dependente (em R2\mathbb{R}^2, três vetores são sempre dependentes). E qualquer conjunto que contenha o vetor nulo é dependente, porque podes multiplicar o zero por um escalar não nulo e os restantes por zero.

Se a dúvida é como combinações lineares, espaço gerado e independência se relacionam, vê este vídeo e observa como cada vetor novo ou aumenta o espaço gerado ou já é combinação dos anteriores:

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Bases e dimensão

Os coeficientes dessa escrita única chamam-se coordenadas do vetor na base.

A base mais simples de Rn\mathbb{R}^n é a base canónica: e1=(1,0,…,0)e_1 = (1, 0, \dots, 0), e2=(0,1,…,0)e_2 = (0, 1, \dots, 0), até ene_n. Qualquer (x1,…,xn)(x_1, \dots, x_n) escreve-se x1e1+⋯+xnenx_1 e_1 + \dots + x_n e_n, e as coordenadas na base canónica são as próprias componentes.

O subespaço {0}\{0\} tem dimensão 0 e base vazia. O vetor zero não é uma base dele, porque não é independente. Todas as bases de um mesmo espaço de dimensão finita têm o mesmo número de vetores. Esse número é a dimensão do espaço: dim⁡Rn=n\dim \mathbb{R}^n = n. Daqui saem dois critérios práticos muito usados nos exercícios:

  • para mostrar que nn vetores formam uma base de Rn\mathbb{R}^n, basta mostrar que são independentes (ou que geram; uma das condições chega quando o número de vetores iguala a dimensão);
  • a dimensão de um subespaço é o número de vetores de qualquer base dele. Se estiver definido por um sistema homogéneo, conta as variáveis livres; se estiver definido por geradores, conta os pivôs da matriz das colunas.

Exemplo: qual é a dimensão do plano x+y+z=0x + y + z = 0 em R3\mathbb{R}^3?

Fazendo y=sy = s, z=tz = t, obtemos x=−s−tx = -s - t. Logo os pontos são s(−1,1,0)+t(−1,0,1)s(-1, 1, 0) + t(-1, 0, 1).

Os dois vetores geram o plano e são independentes (nenhum é múltiplo do outro), por isso formam uma base e a dimensão é 2. Em geral, cada equação independente “retira” uma dimensão.

Obter uma base a partir de geradores

Considera v1=(1,0,1)v_1=(1,0,1), v2=(0,1,1)v_2=(0,1,1) e v3=(1,1,2)v_3=(1,1,2). Para obter uma base de U=span⁡(v1,v2,v3)U=\operatorname{span}(v_1,v_2,v_3), coloca os vetores em colunas e elimina:

[101011112] →L3←L3−L1−L2 [101011000].\begin{bmatrix}1&0&1\\0&1&1\\1&1&2\end{bmatrix} \ \xrightarrow{L_3\leftarrow L_3-L_1-L_2}\ \begin{bmatrix}1&0&1\\0&1&1\\0&0&0\end{bmatrix}.

Há pivôs nas colunas 1 e 2. A base é formada pelas colunas 1 e 2 da matriz original, ou seja, (v1,v2)(v_1,v_2).

A terceira não acrescenta uma direção: v3=v1+v2v_3=v_1+v_2.

O espaço tem dimensão 2 e admite duas descrições equivalentes:

U={s(1,0,1)+t(0,1,1):s,t∈R}={(x,y,z):z=x+y}.U=\{s(1,0,1)+t(0,1,1):s,t\in\mathbb R\} =\{(x,y,z):z=x+y\}.

Para testar se w=(2,−1,1)w=(2,-1,1) pertence a UU, resolvemos sv1+tv2=wsv_1+tv_2=w. As duas primeiras coordenadas dão s=2,t=−1s=2,t=-1; a terceira confirma s+t=1s+t=1. Logo w=2v1−v2w=2v_1-v_2, enquanto (2,−1,0)(2,-1,0) não pertence ao plano, pois 2+(−1)≠02+(-1)\ne0.

Operações de linhas preservam as relações de dependência entre colunas, mas não preservam os próprios vetores coluna. As colunas (1,0,0)(1,0,0) e (0,1,0)(0,1,0) da forma reduzida não são uma base de UU.

Obter uma base a partir de equações

No subespaço W={(x,y,z,w):x+y−z=0, y+w=0}W=\{(x,y,z,w):x+y-z=0,\ y+w=0\}, escolhe z=sz=s e w=tw=t. A segunda equação dá y=−ty=-t e a primeira dá x=s+tx=s+t:

(x,y,z,w)=s(1,0,1,0)+t(1,−1,0,1).(x,y,z,w)=s(1,0,1,0)+t(1,-1,0,1).

Os dois vetores geram WW. Também são independentes: a terceira coordenada de uma combinação nula obriga s=0s=0 e a quarta obriga t=0t=0. Assim, esta é uma base e dim⁡W=2\dim W=2.

Depois de parametrizar, confirma a independência. Um conjunto de geradores pode conter repetições ou vetores redundantes.

Soma, interseção e soma direta

Para subespaços U,VU,V de dimensão finita,

dim⁡(U+V)=dim⁡U+dim⁡V−dim⁡(U∩V).\dim(U+V)=\dim U+\dim V-\dim(U\cap V).

Subtraímos a dimensão da interseção porque essas direções foram contadas nos dois espaços. Por exemplo, em R3\mathbb R^3, os planos U={z=0}U=\{z=0\} e V={y=0}V=\{y=0\} têm dimensão 2. A interseção é o eixo xx, de dimensão 1. A soma tem dimensão 2+2−1=32+2-1=3 e é todo o espaço.

Para calcular uma interseção por equações, junta as condições dos dois espaços. Se ambos estiverem dados por geradores, resolve ∑aiui=∑bjvj\sum a_i u_i=\sum b_j v_j e converte os coeficientes obtidos em vetores da interseção. Por exemplo, com U=span⁡((1,1,0),(1,0,1))U=\operatorname{span}((1,1,0),(1,0,1)) e V=span⁡((1,0,0),(0,1,1))V=\operatorname{span}((1,0,0),(0,1,1)), a igualdade a(1,1,0)+b(1,0,1)=c(1,0,0)+d(0,1,1)a(1,1,0)+b(1,0,1)=c(1,0,0)+d(0,1,1) dá (a+b,a,b)=(c,d,d)(a+b,a,b)=(c,d,d). Logo a=da=d, b=db=d e c=2dc=2d: a interseção é span⁡((2,1,1))\operatorname{span}((2,1,1)), de dimensão 1, e dim⁡(U+V)=2+2−1=3\dim(U+V)=2+2-1=3.

A soma é direta, U⊕VU\oplus V, quando U∩V={0}U\cap V=\{0\}. Neste caso, a escrita w=u+vw=u+v é única. Em R2\mathbb R^2, os eixos coordenados dão uma soma direta. Os dois planos do exemplo anterior não dão, porque partilham o eixo xx.

Demonstração da fórmula das dimensões

Escolhe uma base (w1,…,wr)(w_1,\ldots,w_r) de U∩VU\cap V. Completa-a a uma base de UU, acrescentando u1,…,upu_1,\ldots,u_p, e a uma base de VV, acrescentando v1,…,vqv_1,\ldots,v_q. A família

(w1,…,wr,u1,…,up,v1,…,vq)(w_1,\ldots,w_r,u_1,\ldots,u_p,v_1,\ldots,v_q)

gera U+VU+V: qualquer soma de um vetor de UU e outro de VV escreve-se com estes vetores. Falta provar que é independente; apenas contar vetores não chega.

Numa combinação nula, separa as parcelas:

∑jcjvj=−∑iaiwi−∑kbkuk.\sum_j c_jv_j=-\sum_i a_iw_i-\sum_k b_ku_k.

O lado esquerdo está em VV e o direito em UU, por isso o vetor comum pertence a U∩VU\cap V. Pode escrever-se como ∑idiwi\sum_i d_iw_i. A independência da base de VV, formada pelos wiw_i e vjv_j, obriga todos os cjc_j e did_i a zero. A combinação que resta usa a base de UU, logo também todos os ai,bka_i,b_k são zero.

A família é, portanto, uma base da soma. Contando os seus vetores:

dim⁡(U+V)=r+p+q.\dim(U+V)=r+p+q.

Como dim⁡U=r+p\dim U=r+p, dim⁡V=r+q\dim V=r+q e dim⁡(U∩V)=r\dim(U\cap V)=r, obtemos a fórmula. O argumento também vale quando alguma destas listas é vazia, incluindo uma interseção igual a {0}\{0\}.

Completar uma base

Para estender (v1,v2)(v_1,v_2) do plano z=x+yz=x+y a uma base de R3\mathbb R^3, acrescenta um vetor fora desse plano. O vetor e3=(0,0,1)e_3=(0,0,1) serve:

det⁡[v1 v2 e3]=det⁡[100010111]=1.\det[v_1\ v_2\ e_3]= \det\begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&0\\1&1&1\end{bmatrix}=1.

Os três vetores são independentes e, sendo três em R3\mathbb R^3, formam uma base. Acrescentar v3v_3 não serviria, porque já pertence ao plano.

Coordenadas numa base

Se B=(b1,b2,…,bn)B = (b_1, b_2, \dots, b_n) é uma base ordenada e v=α1b1+⋯+αnbnv = \alpha_1 b_1 + \dots + \alpha_n b_n, escreve-se [v]B=(α1,…,αn)T[v]_B=(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)^T, uma coluna pela ordem da base. Também usamos vBv_B para estas coordenadas.

Com a base B=((1,1),(1,−1))B=((1,1),(1,-1)) de R2\mathbb R^2, procuramos os coeficientes de v=(3,1)v=(3,1):

(3,1)=a(1,1)+b(1,−1)⟺{a+b=3a−b=1.(3,1)=a(1,1)+b(1,-1) \quad\Longleftrightarrow\quad \begin{cases}a+b=3\\a-b=1.\end{cases}

Somar as equações dá 2a=42a=4, logo a=2a=2. Subtraí-las dá 2b=22b=2, logo b=1b=1. Portanto, [v]B=(2,1)T[v]_B=(2,1)^T. As componentes canónicas (3,1)(3,1) e as coordenadas (2,1)(2,1) em BB descrevem o mesmo vetor. A página de mudanças de base mostra como reutilizar esta resolução para qualquer vetor.

Polinómios e matrizes como vetores

As mesmas operações também se aplicam a objetos que não são setas. O espaço P2(R)P_2(\mathbb R) contém os polinómios de grau no máximo 2, incluindo o polinómio zero. A soma e o produto por escalar conservam esse limite de grau. A família (1,t,t2)(1,t,t^2) é uma base: cada polinómio escreve-se de forma única como a+bt+ct2a+bt+ct^2. Assim, a dimensão é 3 e as coordenadas de 2−t+3t22-t+3t^2 nessa base são (2,−1,3)T(2,-1,3)^T.

Os polinómios de grau exatamente 2 não formam um subespaço. Por exemplo, t2t^2 e −t2-t^2 pertencem ao conjunto, mas a soma é zero, que não tem grau 2. A condição «no máximo» faz parte da definição de P2P_2.

No espaço das matrizes reais 2×22\times2, uma base é dada pelas quatro matrizes com uma entrada 1 e as outras zero. A matriz [abcd]\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix} tem coordenadas (a,b,c,d)T(a,b,c,d)^T nessa ordem, por isso o espaço tem dimensão 4. Obter bases por equações ou geradores continua a exigir as mesmas decisões: escrever combinações, testar independência e contar parâmetros.

O que costuma correr mal

  • Chamar subespaço a um conjunto que não contém o zero, como uma reta ou plano deslocado da origem.
  • Confundir “gerar” com “ser independente”: gerar diz que chegas a todo o lado, independência diz que não há vetores a mais. Base é as duas coisas.
  • Afirmar independência sem resolver o sistema α1v1+⋯=0\alpha_1 v_1 + \dots = 0. Intuição geométrica (“apontam para lados diferentes”) ajuda, mas a prova é a conta.
  • Esquecer que as coordenadas dependem da base e comparar coordenadas calculadas em bases diferentes.

Exercícios

As colunas originais

Obtém uma base de U=span⁡((1,0,1),(0,1,1),(1,1,2))U=\operatorname{span}((1,0,1),(0,1,1),(1,1,2)). Decide se (2,−1,0)(2,-1,0) pertence a UU.

Pista

A terceira coluna é a soma das anteriores.

Solução

Uma base é ((1,0,1),(0,1,1))((1,0,1),(0,1,1)), de dimensão 2. O vetor dado não pertence ao espaço: 0≠2−10\ne2-1. Os pivôs indicam quais colunas originais conservar.

Confere a tua resposta:

  • Obtém uma base independente.
  • Justifica a não pertença.

Erros frequentes

Retira a coluna redundante, mas conserva os vetores originais. Operações de linhas alteram as entradas das colunas.

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Completar em R4

Obtém uma base de W={(x,y,z,w):x+y−z=0, y+w=0}W=\{(x,y,z,w):x+y-z=0,\ y+w=0\} e completa-a a uma base de R4\mathbb R^4.

Pista

Escolhe z=s e w=t.

Solução

A parametrização é s(1,0,1,0)+t(1,−1,0,1)s(1,0,1,0)+t(1,-1,0,1). Acrescenta e1,e2e_1,e_2. Numa combinação nula, as coordenadas 3 e 4 anulam primeiro os coeficientes dos vetores de WW, e depois as outras coordenadas anulam os de e1,e2e_1,e_2. São quatro vetores independentes.

Confere a tua resposta:

  • Parametriza e obtém a base.
  • Completa e prova independência.

Erros frequentes

Completar uma base exige acrescentar vetores que aumentem a característica. Não basta escolher quaisquer dois vetores canónicos.

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Soma e interseção em quatro dimensões

Em R4\mathbb R^4, sejam U=span⁡((1,1,0,1),(0,1,1,0))U=\operatorname{span}((1,1,0,1),(0,1,1,0)) e V={x:x1−x2+x3=0, x4=0}V=\{x:x_1-x_2+x_3=0,\ x_4=0\}. Encontra bases de U∩VU\cap V e U+VU+V, as suas dimensões e decide se a soma é direta. Decompõe w=(2,3,1,4)w=(2,3,1,4) como u+vu+v.

Pista

Um elemento de UU tem a forma (a,a+b,b,a)(a,a+b,b,a). Impõe as duas equações de VV.

Mais uma pista

A primeira equação já é satisfeita; a quarta coordenada obriga a=0a=0. Para a soma, junta geradores e retira os redundantes.

Solução

Os dois geradores de UU são independentes: a primeira e a terceira coordenadas de uma combinação nula obrigam a=b=0a=b=0. Logo dim⁡U=2\dim U=2. Em VV, (x1,x2,x3,x4)=(s,s+t,t,0)(x_1,x_2,x_3,x_4)=(s,s+t,t,0), com base ((1,1,0,0),(0,1,1,0))((1,1,0,0),(0,1,1,0)) e dimensão 2.

Para a interseção, a condição a=0a=0 deixa b(0,1,1,0)b(0,1,1,0). Assim, dim⁡(U∩V)=1\dim(U\cap V)=1. A soma tem dimensão 2+2−1=32+2-1=3. Uma base é

((1,1,0,1),(0,1,1,0),(1,1,0,0)).((1,1,0,1),(0,1,1,0),(1,1,0,0)).

Todos satisfazem x1−x2+x3=0x_1-x_2+x_3=0 e são independentes, por isso U+VU+V é precisamente esse hiperplano. A soma não é direta.

Uma decomposição de ww é u=(4,4,0,4)∈Uu=(4,4,0,4)\in U e v=(−2,−1,1,0)∈Vv=(-2,-1,1,0)\in V. Não é única: podemos somar c(0,1,1,0)c(0,1,1,0) a uu e subtraí-lo a vv.

Confere a tua resposta:

  • Justifica as bases e usa a fórmula das dimensões.
  • Apresenta uma decomposição e explica por que não é única.

Erros frequentes

A soma dos subespaços não tem dimensão 4 só porque ambos têm dimensão 2. A direção comum foi contada duas vezes.

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Quando uma equação define um subespaço

Para c∈Rc\in\mathbb R, seja Fc={(x,y,z):x−2y+z=c}F_c=\{(x,y,z):x-2y+z=c\}. Para que valores de cc é FcF_c um subespaço de R3\mathbb R^3? Justifica as condições de subespaço, sem te limitares a desenhar o plano.

Pista

Começa por testar se o vetor zero pertence ao conjunto.

Solução

O zero pertence a FcF_c exatamente quando c=0c=0. Logo todos os casos c≠0c\ne0 estão excluídos.

Para c=0c=0, sejam u,v∈F0u,v\in F_0. A expressão na soma é

(u1+v1)−2(u2+v2)+(u3+v3)=(u1−2u2+u3)+(v1−2v2+v3)=0.(u_1+v_1)-2(u_2+v_2)+(u_3+v_3) =(u_1-2u_2+u_3)+(v_1-2v_2+v_3)=0.

Para qualquer real aa, a expressão em auau é a(u1−2u2+u3)=0a(u_1-2u_2+u_3)=0. Assim, F0F_0 contém o zero e é fechado para as duas operações. Só c=0c=0 define um subespaço.

Confere a tua resposta:

  • Decide todos os valores de c pelo teste do zero.
  • Prova o fecho para soma e escalares no caso que resta.

Erros frequentes

Conter o zero é uma condição necessária, mas a prova positiva ainda precisa do fecho para soma e escalares. Um plano deslocado da origem não é um subespaço.

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Interseção de dois espaços dados por geradores

Em R3\mathbb R^3, sejam U=span⁡((1,1,0),(1,0,1))U=\operatorname{span}((1,1,0),(1,0,1)) e V=span⁡((1,0,0),(0,1,1))V=\operatorname{span}((1,0,0),(0,1,1)). Encontra uma base da interseção, as dimensões de U∩VU\cap V e U+VU+V, e decide se a soma é direta.

Pista

Iguala a(1,1,0)+b(1,0,1)a(1,1,0)+b(1,0,1) a c(1,0,0)+d(0,1,1)c(1,0,0)+d(0,1,1).

Mais uma pista

Fica (a+b,a,b)=(c,d,d)(a+b,a,b)=(c,d,d).

Solução

De (a+b,a,b)=(c,d,d)(a+b,a,b)=(c,d,d) sai a=da=d, b=db=d e c=2dc=2d. A interseção é span⁡((2,1,1))\operatorname{span}((2,1,1)), de dimensão 1. Cada espaço tem dimensão 2 (os dois geradores são independentes), logo dim⁡(U+V)=2+2−1=3\dim(U+V)=2+2-1=3 e U+V=R3U+V=\mathbb R^3. A soma não é direta.

Confere a tua resposta:

  • Resolve a igualdade entre combinações.
  • Dá base e dimensão da interseção e da soma.

Erros frequentes

Não juntes os quatro geradores como se fossem independentes: a direção (2,1,1)(2,1,1) foi contada duas vezes.

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Dimensões sem vetores dados

Sejam U,VU,V subespaços de R3\mathbb R^3, ambos de dimensão 1. Que pares de valores podem ter dim⁡(U∩V)\dim(U\cap V) e dim⁡(U+V)\dim(U+V)? Justifica sem escolher coordenadas particulares. Depois demonstra a fórmula das dimensões por extensão de uma base da interseção e usa-a para explicar por que dois subespaços de dimensão 2 em R3\mathbb R^3 nunca têm interseção igual a {0}\{0\}.

Pista

Duas retas pela origem que tenham um vetor não nulo comum coincidem. Na demonstração, não basta afirmar que a família conjunta é uma base: falta provar a independência.

Solução

Se as duas retas partilharem w≠0w\ne0, ambas são span⁡(w)\operatorname{span}(w). Então U=VU=V, a interseção tem dimensão 1 e a soma dimensão 1. Se forem distintas, a interseção é {0}\{0\} e os geradores de cada uma são independentes: a soma tem dimensão 2. Os pares possíveis são, portanto, (1,1)(1,1) e (0,2)(0,2).

Para a fórmula geral, completa uma base B0B_0 de U∩VU\cap V a bases B0∪BUB_0\cup B_U de UU e B0∪BVB_0\cup B_V de VV. A família com B0B_0 uma única vez gera U+VU+V.

Numa combinação nula, a parcela dos vetores de BVB_V é o oposto de uma parcela em UU. Como também está em VV, pertence à interseção e escreve-se em B0B_0. A independência da base de VV anula os coeficientes de BVB_V; a combinação restante usa a base de UU e anula todos os restantes. Provada a independência, contar dá

dim⁡(U+V)=dim⁡U+dim⁡V−dim⁡(U∩V).\dim(U+V)=\dim U+\dim V-\dim(U\cap V).

Para dois planos vetoriais em R3\mathbb R^3, a dimensão da soma é no máximo 3. Assim, 4−dim⁡(U∩V)≤34-\dim(U\cap V)\le3, logo dim⁡(U∩V)≥1\dim(U\cap V)\ge1. Podem intersetar-se numa reta ou coincidir, mas não ter interseção trivial.

Confere a tua resposta:

  • Distingue retas iguais de retas distintas e justifica as dimensões.
  • Prova a fórmula usando bases da interseção e explica por que dois planos em R³ partilham uma direção.
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