Lista 1 para a P2. Operações com subespaços



Documentos relacionados
Exercícios Adicionais

Prof. Márcio Nascimento. 22 de julho de 2015

ÁLGEBRA LINEAR. Núcleo e Imagem de uma Transformação Linear, Teorema da Dimensão, Isomorfismo. Prof. Susie C. Keller

Resolução de sistemas lineares

Exercícios Teóricos Resolvidos

Retas e Planos. Equação Paramétrica da Reta no Espaço

FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA. Cursos de Engenharia. Prof. Álvaro Fernandes Serafim

Álgebra Linear. André Arbex Hallack Frederico Sercio Feitosa

Álgebra Linear AL. Luiza Amalia Pinto Cantão. Depto. de Engenharia Ambiental Universidade Estadual Paulista UNESP

Cálculo Numérico Faculdade de Engenharia, Arquiteturas e Urbanismo FEAU

CAPÍTULO 6 TRANSFORMAÇÃO LINEAR

Prova de Admissão para o Mestrado em Matemática IME-USP

Unidade II - Sistemas de Equações Lineares

Exercícios 1. Determinar x de modo que a matriz

Capítulo 5: Transformações Lineares

Dicas para a 6 a Lista de Álgebra 1 (Conteúdo: Homomorfismos de Grupos e Teorema do Isomorfismo para grupos) Professor: Igor Lima.

Uma e.d.o. de segunda ordem é da forma

Estudaremos métodos numéricos para resolução de sistemas lineares com n equações e n incógnitas. Estes podem ser:

Potenciação no Conjunto dos Números Inteiros - Z

MATEMÁTICA A - 12o Ano Probabilidades - Triângulo de Pascal Propostas de resolução

Teorema de Taylor. Prof. Doherty Andrade. 1 Fórmula de Taylor com Resto de Lagrange. 2 Exemplos 2. 3 Exercícios 3. 4 A Fórmula de Taylor 4

Álgebra Linear Volume 2

Aula 9 Plano tangente, diferencial e gradiente

Dois eventos são disjuntos ou mutuamente exclusivos quando não tem elementos em comum. Isto é, A B = Φ

FUNÇÃO COMO CONJUNTO R 1. (*)= ou, seja, * possui duas imagens. b) não é uma função de A em B, pois não satisfaz a segunda condição da

QUESTÕES COMENTADAS E RESOLVIDAS

36 a Olimpíada Brasileira de Matemática Nível Universitário Primeira Fase

Disciplina: Introdução à Álgebra Linear

Sistemas Lineares. Módulo 3 Unidade 10. Para início de conversa... Matemática e suas Tecnologias Matemática

2 Extensão do Produto Vetorial Sobre uma Álgebra Exterior

Início Rápido para o Templo

Por que o quadrado de terminados em 5 e ta o fa cil? Ex.: 15²=225, 75²=5625,...

Gobooks.com.br. PucQuePariu.com.br

Projeção e Anaglifos

Capítulo 5: Aplicações da Derivada

Notas Para um Curso de Cálculo. Daniel V. Tausk

36ª Olimpíada Brasileira de Matemática GABARITO Segunda Fase

UFV Universidade Federal de Viçosa DMA Departamento de Matemática MAT 138 Noções de Álgebra Linear

1 A Integral por Partes

QUANTIFICADORES. Existem frases declarativas que não há como decidir se são verdadeiras ou falsas. Por exemplo: (a) Ele é um campeão da Fórmula 1.

Material Teórico - Módulo de Divisibilidade. MDC e MMC - Parte 1. Sexto Ano. Prof. Angelo Papa Neto

ESPAÇOS MUNIDOS DE PRODUTO INTERNO

Figure 2 - Nós folhas de uma árvore binária representando caracteres ASCII

o conjunto das coberturas de dominós de uma superfície quadriculada S. Um caminho v 0 v 1...v n

Aula 4 Estatística Conceitos básicos

O ESPAÇO NULO DE A: RESOLVENDO AX = 0 3.2

Universidade Federal de São Carlos Departamento de Matemática Curso de Cálculo Numérico - Turma E Resolução da Primeira Prova - 16/04/2008

Fundamentos de Matemática Elementar (MAT133)

Notas de Cálculo Numérico

O Planejamento Participativo

A Torre de Hanói e o Princípio da Indução Matemática

n. 33 Núcleo de uma transformação linear

Sociedade Brasileira de Matemática Mestrado Profissional em Matemática em Rede Nacional. n=1

Discussão de Sistemas Teorema de Rouché Capelli

por séries de potências

SOCIEDADE BRASILEIRA DE MATEMÁTICA MESTRADO PROFISSIONAL EM REDE NACIONAL PROFMAT

Equações Diferenciais

Material Teórico - Aplicações das Técnicas Desenvolvidas. Exercícios e Tópicos Relacionados a Combinatória. Segundo Ano do Ensino Médio

FUNÇÃO DE 1º GRAU. = mx + n, sendo m e n números reais. Questão 01 Dadas as funções f de IR em IR, identifique com um X, aquelas que são do 1º grau.

Campos Vetoriais e Integrais de Linha

AV1 - MA (b) Se o comprador preferir efetuar o pagamento à vista, qual deverá ser o valor desse pagamento único? 1 1, , , 980

Exercícios resolvidos P2

1 Propagação de Onda Livre ao Longo de um Guia de Ondas Estreito.

Resolução dos Exercícios sobre Derivadas

a 1 x a n x n = b,

Introdução às equações diferenciais

TRANSFORMAÇÃO LINEAR. Álgebra Linear - Prof a Ana Paula

Lista de Exercícios 03

Introdução ao estudo de equações diferenciais

Equações Diferenciais Ordinárias

Capítulo 1. x > y ou x < y ou x = y

XXVI Olimpíada de Matemática da Unicamp. Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica Universidade Estadual de Campinas

Tecnologia da Informação Prof. Mário Henrique de Souza Pardo Resumo Aula 4

1 Base de um Espaço Vetorial

Álgebra Linear. Mauri C. Nascimento Departamento de Matemática UNESP/Bauru. 19 de fevereiro de 2013

PROVA DE MATEMÁTICA DA UFBA VESTIBULAR a Fase. RESOLUÇÃO: Profa. Maria Antônia Gouveia.

1. O conjunto dos polinômios de grau m, com 2 m 5, acrescido do polinômio nulo, é um subespaço do espaço P 5.

Canguru sem fronteiras 2007

1. A corrida de vetores numa folha de papel.

FUNÇÃO. Exemplo: Dado os conjuntos A = { -2, -1, 0, 1, 2} e B = {0, 1, 2, 3, 4, 5} São funções de A em B as relações a) R 1 = {(x,y) AXB/ y = x + 2}

Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro De Ciências Exatas e da Terra. Departamento de Física Teórica e Experimental

Bom trabalho. Módulo Contabilidade Caixa e Contas Bancárias

Domínio, Contradomínio e Imagem

Um jogo de preencher casas

Universidade Federal de Viçosa Centro de Ciências Exatas Departamento de Matemática 3 a Lista - MAT Introdução à Álgebra Linear 2013/I

TÉCNICAS DE PROGRAMAÇÃO

Cálculo Numérico Faculdade de Engenharia, Arquiteturas e Urbanismo FEAU

12. FUNÇÕES INJETORAS. FUNÇÕES SOBREJETORAS 12.1 FUNÇÕES INJETORAS. Definição

ITA º DIA MATEMÁTICA BERNOULLI COLÉGIO E PRÉ-VESTIBULAR

Faculdade de Computação

Álgebra Linear I Solução da 5ª Lista de Exercícios

Matemática - UEL Compilada em 18 de Março de Prof. Ulysses Sodré Matemática Essencial:

Programação em papel quadriculado

Programa Olímpico de Treinamento. Aula 9. Curso de Combinatória - Nível 2. Tabuleiros. Prof. Bruno Holanda

INSTITUTO TECNOLÓGICO

Def. 1: Seja a quádrupla (V, K, +, ) onde V é um conjunto, K = IR ou K = IC,

4. Tangentes e normais; orientabilidade

4. A FUNÇÃO AFIM. Uma função f: R R chama-se afim quando existem números reais a e b tais que f(x) = ax + b para todo x R. Casos particulares

5 Instrução e integração

Material Teórico - Módulo de Métodos sofisticados de contagem. Princípio das Casas dos Pombos. Segundo Ano do Ensino Médio

Transcrição:

Lista 1 para a P2 Observação 1: Estes exercícios são um complemento àqueles apresentados no livro. Eles foram elaborados com o objetivo de oferecer aos alunos exercícios de cunho mais teórico. Nós sugerimos fazê-los depois de terem sido feitos os seguintes exercícios do livro: Fixação: 3.5 ao 3.13, 4.1 ao 4.18 Problemas: 3.11, 3.12, 3.13, 3.15, 3.16, 3.18, 4.3, 4.7, 4.8 e 4.9 Extras: 3.4, 3.5, 3.7, 3.8, 3.9, 3.10, 3.16, 4.22, 4.23, 4.24, 4.25, 4.26, 4.4, 4.5 e 4.6 Desao: 3.1 (tem um erro de notação. Deveria ser "V = {0}"), 4.1 e 4.5 Observação 2: Recomendamos que esta lista seja feita até o dia 8 de outubro, de maneira a não sobrepor outros assuntos que ainda estão por vir. Lembrando que esta lista não contempla toda a matéria da P2 e que, em breve, forneceremos uma segunda lista com o resto da matéria. Operações com subespaços Em sala foram vistas duas operações com subespaços: interseção e soma. subespaços vetoriais de um espaço vetorial (E, +, ), nós denimos: Dados V e W V W = {x E : x V e x W }, V + W = {v + w E : v V, w W }. Noutras palavras, a interseção é formada por aqueles vetores que são comuns a ambos os subespaços, enquanto que soma é o subespaço vetorial de E gerado por todas as somas de vetores de V com vetores de W. Lembre também que a união de dois subespaços V e W é um subespaço de E se somente se um dos subespaços V ou W está contido no outro, isto é, se somente se V W ou W V. Nesse caso, a união coincide com a soma. Este é o motivo pelo qual a união não aparece na lista acima. No caso em que o único vetor comum aos conjuntos V e W é o vetor nulo, isto é V W = {0}, dizemos que a soma de V e W é direta e escrevemos V W em vez de V + W. 1. [M] Encontre uma base de R 4 que contenha os vetores (1, 2, 2, 1) e (1, 0, 2, 2). 2. Considere os seguintes subespaços vetoriais de R 4 : V = {(x 1, x 2, x 3, x 4 ) R 4 : x 1 + x 2 + x 3 = 0 e 2x 1 + 2x 2 + 2x 3 = 0} W = span{( 1, 0, 1, 2), (0, 1, 1, 1), (1, 1, 0, 0)}. (a) [F] Encontre um conjunto gerador de V. (b) [F] Encontre um sistema de equações lineares homogêneo (Ax = 0) para o qual W seja o conjunto-solução.

(c) [F] Encontre uma base para W V e a sua dimensão. (d) [M] Encontre uma base para V + W e a sua dimensão. (e) [M] A soma de V e W é direta? Justique. O próximo exercício fornece uma fórmula para calcular a dimensão do subespaço V +W. Antes de fazer o exercício, você deve ter lido o enunciado e as demonstrações do Lema 3.26, do Corolário 3.27 e do Lema 3.28 do livro (páginas 84 e 85). 3. [D] Sejam V e W dois subespaços de um subespaço vetorial (E, +, ). Prove que dim (V + W ) = dim V + dim W dim (V W ). DICA: Considere primeiro uma base u 1, u 2,..., u k da interseção. Os vetores desta base são linearmente independentes em V, portanto podemos completá-la (acrescentar vetores) até obter uma base u 1, u 2,..., u k, v k+1,..., v l de V (qual é portanto a dimensão de V?). O mesmo podemos fazer com W : a base da interseção é um conjunto linearmente independente em W e, consequentemente, podemos acrescentar vetores até obter uma base u 1, u 2,..., u k, w k+1,..., w s de W (qual é portanto a dimensão de W?). Assim temos que dim (V W ) = k, dim V = l e dim W = s. Agora prove que os vetores u 1, u 2,..., u k, v k+1,..., v l, w k+1,..., w s formam uma base de V + W e conte os vetores que aparecem nesta base para deduzir a fórmula. 4. [F] Use a fórmula dada no exercício anterior para provar que a soma de V e W é direta se, e somente se, dim (V + W ) = dim V + dim W. Obs.: Este resultado fornece a seguinte fórmula: dim (V W ) = dim V + dim W. 5. [D] Seja (E, +, ) um espaço vetorial. Considere V, W E subespaços vetoriais tais que E = V + W e tais que β = {v 1,..., v k } e γ = {w 1,..., w s } sejam bases de V e W, respectivamente. Prove que E = V W se e somente se β γ for base de E. Transformações Lineares 1. [F] Sejam U, V espaços vetoriais. Verique que as funções T : U V e I : U U dadas respectivamente por 0 e I(u) = u são transformações lineares. Elas são chamadas respectivamente de transformação nula e transformação identidade. 2. Decida se cada uma das funções abaixo é transformação linear. (a) [F] f : R R dada por f(x) = x 2 ;

(b) [F] g : R R dada por g(x) = 5x; (c) [F] h : R R dada por h(x) = 5x + 1; (d) [F] T : R 2 R 3 dada por T (x, y) = (x + y, y x, x + 1); (e) [F] T : M 2 2 (R) R dada por T (A) = a 11 a 22. (f) [M] F : P 2 P 4 dada por F (p)(x) = x 2 p(x). 3. [M] Dados a 0,..., a n R, denotamos o maior destes n+1 números por max{a 0,..., a n }. A função T : P n R dada por ( n ) T a j x j = max{a 0,..., a n } é linear? j=0 4. [M] Mostre que a função T : P 2 R dada por T (p) = p(0) é linear. Encontre geradores para o núcleo de T e calcule sua dimensão. T é injetiva? T é sobrejetiva? 5. Seja T : V W uma transformação linear. (a) [F] Mostre que o núcleo de T um subespaço vetorial de V. (b) [M] Seja S V um subespaço vetorial. Mostre que a imagem de S por T, denida como T (S) = {w W : v S com T (v) = w} é um subespaço vetorial de W. Obs.: Quando tomamos S = V, chamamos a imagem de S por T simplesmente de imagem de T e usamos a notação Im(T ). (c) [D] Seja S um subespaço vetorial de V. Mostre que se os vetores v 1, v 2,..., v k geram S, então os vetores T (v 1 ), T (v 2 ),..., T (v k ) geram T (S). Dito de outra forma, prove que T (S) = span{t (v 1 ), T (v 2 ),..., T (v k )}. Note que isso é uma igualdade de conjuntos. Você deve mostrar portanto duas coisas: T (S) span{t (v 1 ), T (v 2 ),..., T (v k )} e T (S) span{t (v 1 ), T (v 2 ),..., T (v k )}. Noutras palavras, se queremos descobrir em que subespaço a transformação linear T transforma S, basta ver como T transforma um conjunto gerador de S. 6. [M] Para as funções do exercício 2 que forem transformações lineares, determine o núcleo, a imagem e as respectivas dimensões. O mesmo para a transformação linear do exercício 4.

7. Considere a transformação linear L : R 4 R 5 denida por: L(x, y, z, t) = (x + 2y z + t, x 2y + z t, y + z, 0, y z). (a) [F] Encontre uma base e a dimensão de Nuc(L). (b) [M] Encontre um conjunto gerador de Im(L) que não seja linearmente independente. (c) [M] Use o teorema do núcleo e imagem para determinar a dimensão de Im(L). (d) [F] L é injetora? Justique. (e) [F] L é sobrejetora? Justique. (f) [M] Para cada um dos subespaços listados abaixo, encontre um conjunto gerador da sua imagem por L: S 1 = {(x, y, z, t) R 4 : 2x = y, z = 3t}. S 2 = span{( 1, 2, 3, 1), (0, 3, 1, 0), (1, 1, 1, 1)}. S 3 = S 1 Nuc(L). S 4 = S 1 + S 2. (g) [D] Dê um exemplo de um plano π de R 4 que quando transformado por L vira um ponto em R 5. (h) [D] Dê um exemplo de um subespaço vetorial S de R 4 de dimensão 3 cuja imagem por L é uma reta em R 5. (i) [D] Existe um plano π de R 4 cuja imagem por L seja um plano em R 5? Justique a sua resposta. 8. Considere a transformação linear T : M 2 2 P 2 denida por: ([ ]) a b T = (a c) + (b c)x + cx 2. c d (a) [M] Exiba uma base e determine a dimensão do núcleo de T. [ ] a b (b) [F] Encontre o conjunto S de todas as matrizes tais que c d ([ ]) a b T = 1 + π c d 4 x2. (c) [D] Determine um conjunto gerador para a imagem por T dos seguintes subespaços: i. S 1 = {A M 2 2 : A = A T } (matrizes simétricas). ii. S 2 = {A M 2 2 : A = A T } (matrizes antissimétricas) iii. S 3 = {A M 2 2 : tr A = 0} (matrizes de traço 0) (d) [D] Encontre uma base para o subespaço vetorial T (S 1 ) + T (S 2 ) de P 2 (e) [F] Verique que S 2 S 3 é um subespaço vetorial de M 2 2.

Nos próximos exercícios você deve usar o seguinte teorema, chamado em muitos livros de Teorema fundamental das transformações lineares. A sua demonstração fornece um roteiro para resolver os exercícios propostos. Teorema. Sejam E e F dois espaços vetoriais, u 1, u 2,..., u k uma base de E e v 1, v 2,..., v k vetores quaisquer em F (Observe que estamos pegando a mesma quantidade de vetores em E e em F ). Então existe uma ÚNICA transformação linear T : E F tal que para todo i {1, 2,..., k}, T (u i ) = v i. Em linguagem coloquial, esse teorema diz que uma transformação linear ca inteiramente determinada pelas imagens dos elementos de uma base do domínio. Isto é, se, a cada vetor u i de uma base de E (domínio), você faz corresponder um vetor v i de F (contradomínio), então temos uma única tranformação linear T satisfazendo essas condições. Como encontramos essa T? Vejamos a demonstração do teorema e derivemos dela um roteiro. Demonstração do Teorema. Como u 1, u 2,..., u k é uma base de E, qualquer vetor u E se escreve de maneira única como combinação linear dos u is. Ou seja, existem números reais únicos α 1, α 2,..., α k tais que u = α 1 u 1 + α 2 u 2 +... + α k u k = α i u i. (1) Portanto, a imagem por T do vetor u é a mesma que a imagem por T do vetor k α iu i. Segue disto que: ( ) T α i u i α i T (u i ) (devido à linearidade de T ) α i v i (já que T (u i ) = v i ). A expressão de T desejada é k α iv i. Para vericar que T é a única transformação linear que satisfaz, para todo i {1, 2,..., k}, T (u i ) = v i, suponha que existe outra transformação linear G : E F satisfazendo também que para todo i {1, 2,..., k}, G(u i ) = v i. Repetindo as contas que zemos acima para T, mas agora com G, nós obtemos que G(u) = k α iv i qualquer que seja o vetor u E. Portanto, qualquer vetor u E tem a mesma imagem tanto por T quanto por G. Como estas duas transformações tem o mesmo domínio e o mesmo contradomínio, nós concluímos que T = G.

Qual é o roteiro que se deriva da demostração acima? Vejamos! Roteiro: Se você quiser encontrar a transformação linear T : E F que satisfaz, para todo i {1, 2,..., k}, T (u i ) = v i, você faz: Passo 1 Pegue um vetor genérico de E e expresse ele como combinação linear da base u 1, u 2,..., u k, colocando os escalares α 1, α 2,..., α k em função das coordenadas do vetor genérico. Assim, u = α i u i. Passo 2 Aplique T em ambos os lados e use a linearidade para obter: α i T (u i ). Passo 3 Use o fato que para todo i {1, 2,..., k}, T (u i ) = v i para concluir: α i v i. Observação: Existem alguns exercícios nos quais você não tem exatamente a informação que você precisa para usar o teorema fundamental das transformações lineares. Nesses casos você pode ter informação a menos ou informação a mais (redundante). Se você tiver informação a menos, então você precisa acrescentar dados até obter aquilo que você precisa. Caso você tenha informação a mais (redundante), você extrai dela o que você necessita. 9. [M] Encontre a expressão analítica da transformação linear T : R 2 R 2 tal que T (1, 2) = ( 1, 5) e T (0, 1) = (1, 1). 10. [M] Encontre a expressão analítica de uma transformação linear T : R 3 R 4 tal que a imagem de T seja gerada pelos vetores (1, 2, 0, 4) e (2, 0, 1, 3). A transformação linear encontrada é a única que satisfaz a condição dada no exercício? 11. (P2 de 2014.1) Sejam T : R n R m e S : R m R k transformações lineares injetivas: (a) [M] Mostre que n m k. (b) [D] Prove que S T : R n R k é injetiva. (c) [D] Prove que se {v 1,..., v s } R n é linearmente independente, então é também linearmente independente. {T (v 1 ),..., T (v s )} R m