Autor Tema: Dimensión de un subespacio.

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21 Mayo, 2020, 08:21 pm
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shaggy

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Hola, tengo el siguiente problema, no se ni cómo iniciar:

Encontrar la dimensión del subespacio de las matrices con traza cero, las matrices  son cuadradas.

Solo se que la dimensión del subespacio es menor o igual a la dimensión de el espacio, y que si las dimension del subespacio es igual a la del espacio, entonces el subespacio vectorial es el mismo espacio vectorial.

De antemano, gracias 🙏.

Título corregido: Dimension --> Dimensión

21 Mayo, 2020, 10:28 pm
Respuesta #1

robinlambada

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Hola:
Hola, tengo el siguiente problema, no se ni cómo iniciar:

Encontrar la dimensión del subespacio de las matrices con traza cero, las matrices  son cuadradas.

Solo se que la dimensión del subespacio es menor o igual a la dimensión de el espacio, y que si las dimension del subespacio es igual a la del espacio, entonces el subespacio vectorial es el mismo espacio vectorial.

De antemano, gracias 🙏.

Título corregido: Dimension --> Dimensión
Fíjate que solo tienes una ecuación de ligadura, la de la condición de  traza cero.
Es decir sus elementos de la diagonal suman 0.   \( \sum_{i=1}^n{a_{ii}}=0 \)
Esto significa que puedes poner un término en función del resto de su diagonal.

Si la dimensión de un espacio vectorial de matrices de orden n es a lo sumo \(  n^2 \) ( pues necesitaríamos un vector para cada termino independiente de los elementos de la matriz.
la dimensión del subespacio seria \(  n^2-1 \) , ya que \( a_{11}=-\sum_{i=2}^n{a_{ii}} \)

Saludos.
Nota: Suponiendo que la dimensión del espacio vectorial sea \( n^2 \), en todo caso la dimensión del subespacio de traza cero es una unidad menor que la dimensión del espacio vectorial.
Envejecer es como escalar una gran montaña: mientras se sube las fuerzas disminuyen, pero la mirada es más libre, la vista más amplia y serena.

La verdadera juventud una vez alcanzada, nunca se pierde.

22 Mayo, 2020, 02:44 am
Respuesta #2

shaggy

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Muchas gracias, pero aun no veo porque la dimensión es \( n^2 - 1 \), y así me han dado la  respuesta, pero aun no veo porque debe ser así, también noto el hecho de que:

\( a_{11}=-\sum_{i=2}^n{a_{ii}} \)

Aunque no veo todavía el porque la dimensión es esa, gracias enserio, y perdón si estoy siendo demasiado ignorante.

22 Mayo, 2020, 11:41 am
Respuesta #3

Luis Fuentes

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Hola

Muchas gracias, pero aun no veo porque la dimensión es \( n^2 - 1 \), y así me han dado la  respuesta, pero aun no veo porque debe ser así, también noto el hecho de que:

\( a_{11}=-\sum_{i=2}^n{a_{ii}} \)

Aunque no veo todavía el porque la dimensión es esa, gracias enserio, y perdón si estoy siendo demasiado ignorante.

Para contestarte habría que saber que cosas sabes sobre la dimensión de un subespacio.

¿Cómo te han definido dimensión de un subespacios?¿Qué resultados conoces sobre ella?¿Conoces los teoremas de dimensión relativos a una aplicación lineal, su núcleo y su imagen?¿Te han hablado de las ecuaciones implícigtas y paramétricas de un subespacio?¿Sabes cuál es la dimensión del espacio de matrices cuadradas \( n\times n \)?

Cuanto más precisa sea tu respuesta a estas preguntas, mejor podremos ayudarte.

Saludos.

25 Mayo, 2020, 08:57 pm
Respuesta #4

shaggy

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Hola, hasta ahorita se que la dimensión de una matriz de tamaño \( nxn \) es \( n^2 \),  y tengo entendido que para encontrar la dimensión de un subespacio de un espacio vectorial de dimensión finita, tengo que ir tomando vectores linealmente independientes del subespacio vectorial y probar que estos generar el subespacio, pero si en ves de ser generador es un subespacio propio, entonces se le agrega otro vector linealmente independiente y se debe probar que es generador el conjunto con el vector linealmente independiente agregado, y así sucesivamente se puede hacer esto \( n \) veves(suponeniendo que la dimensión de el espacio vectorial es finita, supongamos que es \( n \)), es decir, en el momento en que ya no pueda agregar vectores linealmente independiente al conjunto, entonces ese número de vectores es la dimensión de el subespacio vectorial(supongamos que ese número es \( p \) y \( p\leq{n} \)). A lo mucho el subespacio vectorial es el mismo espacio vectorial. Espero me entienda. 😅

Aun no se ve nada sobre aplicacion lineal.

Gracias por su paciencia.

25 Mayo, 2020, 10:33 pm
Respuesta #5

delmar

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Hola

Ejemplificando con n=2

Toda matriz cuadrada 2x2 se puede expresar como una combinación lineal de cuatro matrices linealmente independientes : \( \begin{bmatrix}{a_{11}}&{a_{12}}\\{a_{21}}&{a_{22}}\end{bmatrix}=a_{11}\begin{bmatrix}{1}&{0}\\{0}&{0}\end{bmatrix}+a_{12}\begin{bmatrix}{0}&{1}\\{0}&{0}\end{bmatrix}+a_{21}\begin{bmatrix}{0}&{0}\\{1}&{0}\end{bmatrix}+a_{22}\begin{bmatrix}{0}&{0}\\{0}&{1}\end{bmatrix} \)

Si la traza es cero necesariamente una de las componentes de la diagonal se puede poner en función de las demás, en este caso \( a_{22}=-a_{11} \), observa que una matriz cualquiera cuya traza es cero se puede poner de esta forma :

 \( \begin{bmatrix}{a_{11}}&{a_{12}}\\{a_{21}}&{-a_{11}}\end{bmatrix}=a_{11}\begin{bmatrix}{1}&{0}\\{0}&{0}\end{bmatrix}+a_{12}\begin{bmatrix}{0}&{1}\\{0}&{0}\end{bmatrix}+a_{21}\begin{bmatrix}{0}&{0}\\{1}&{0}\end{bmatrix}-a_{11}\begin{bmatrix}{0}&{0}\\{0}&{1}\end{bmatrix}=a_{11}\begin{bmatrix}{1}&{0}\\{0}&{-1}\end{bmatrix}+a_{12}\begin{bmatrix}{0}&{1}\\{0}&{0}\end{bmatrix}+a_{21}\begin{bmatrix}{0}&{0}\\{1}&{0}\end{bmatrix} \)

Observa que el elemento cuya traza es nula, se transforma en una combinación lineal de \( n^2-1=3 \) matrices linealmente independientes. Esto puede ayudarte a inducir lo que ocurre con un n genérico.


Saludos

25 Mayo, 2020, 10:44 pm
Respuesta #6

robinlambada

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Hola, hasta ahorita se que la dimensión de una matriz de tamaño \( nxn \) es \( n^2 \),  y tengo entendido que para encontrar la dimensión de un subespacio de un espacio vectorial de dimensión finita, tengo que ir tomando vectores linealmente independientes del subespacio vectorial y probar que estos generar el subespacio, pero si en ves de ser generador es un subespacio propio, entonces se le agrega otro vector linealmente independiente y se debe probar que es generador el conjunto con el vector linealmente independiente agregado, y así sucesivamente se puede hacer esto \( n \) veves(suponeniendo que la dimensión de el espacio vectorial es finita, supongamos que es \( n \)), es decir, en el momento en que ya no pueda agregar vectores linealmente independiente al conjunto, entonces ese número de vectores es la dimensión de el subespacio vectorial(supongamos que ese número es \( p \) y \( p\leq{n} \)). A lo mucho el subespacio vectorial es el mismo espacio vectorial. Espero me entienda. 😅

Aun no se ve nada sobre aplicacion lineal.

Gracias por su paciencia.
Gracias.
Te pongo priero un ejemplo de dimensión 4 =2x2

Sea \( M=\begin{bmatrix}{a_{11}}&{a_{12}}\\{a_{21}}&{a_{22}}\end{bmatrix} \) cualquier matriz 2x2

Está se genera por \( M=a_{11}\begin{bmatrix}{1}&{0}\\{0}&{0}\end {bmatrix} + a_{12}\begin{bmatrix}{0}&{1}\\{0}&{0}\end {bmatrix} +a_{21}\begin{bmatrix}{0}&{0}\\{1}&{0}\end {bmatrix} +  a_{22}\begin{bmatrix}{0}&{0}\\{0}&{1}\end {bmatrix}  \)

Que son 4 vectores l.i. y no por menos ya que tenemos 4 variable independientes \( a_{11},a_{12},a_{21}\,y\,a_{22} \)

En el caso de matrices 3x3 son 9 variables independientes, en el caso de nxn son \( n^2 \) variables, que indican la dimensión.

Si tenemos una condición de traza cero, en el ejemplo 2x2 \( a_{11}+a_{22}=0\Leftrightarrow{}a_{11}=-a_{22} \)

Ya no necesitamos la matriz \( \begin{bmatrix}{1}&{0}\\{0}&{0}\end{bmatrix} \) para la base, se puede suprimir y obtener.

\( M'=\begin{bmatrix}{-a_{22}}&{a_{12}}\\{a_{21}}&{a_{22}}\end{bmatrix} \)

 \( M'= a_{12}\begin{bmatrix}{0}&{1}\\{0}&{0}\end {bmatrix} +a_{21}\begin{bmatrix}{0}&{0}\\{1}&{0}\end {bmatrix}+a_{22}\begin{bmatrix}{-1}&{0}\\{0}&{1}\end {bmatrix}    \).

En 3x3 quedaría la base : \( \begin{bmatrix}{0}&{1}&{0}\\{0}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{0}\end{bmatrix} , \begin{bmatrix}{0}&{0}&{1}\\{0}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{0}\end{bmatrix} , \begin{bmatrix}{0}&{0}&{0}\\{1}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{0}\end{bmatrix},\begin{bmatrix}{-1}&{0}&{0}\\{0}&{1}&{0}\\{0}&{0}&{0}\end{bmatrix}  , \ldots ,\begin{bmatrix}{-1}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{1}\end{bmatrix} \)

Saludos.

P.D.:Vaya , se me acaba de adelantar Delmar, bueno, aporto como sería el caso 3x3.

Envejecer es como escalar una gran montaña: mientras se sube las fuerzas disminuyen, pero la mirada es más libre, la vista más amplia y serena.

La verdadera juventud una vez alcanzada, nunca se pierde.

25 Mayo, 2020, 11:16 pm
Respuesta #7

shaggy

  • $$\Large \color{#6a84c0}\pi$$
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Gracias, ya lo veo, y para el caso general no se si estaría bien la siguiente demostración, tomando en cuenta lo que han escrito, me dicen que piensan :

\( a_{11}+a_{22}+...+a_{n-1n-1}=-a_{nn} \), esto da a lugar a \( n-1 \) matrices linealmente independientes en el peor de los casos.

Como \( dim(M_{nxn}(R)) =n^2 \), necesito \( n^2-n \) matrices linealmente independientes para cada elemento que este fuera de la diagonal principal, ya que son \( n \) elementos de la diagonal principal, y para los elementos de la diagonal principal necesito \( n-1 \) matrices linealmente independientes, ya que un elemento quedará en termino de los otros de la diagonal por ser la traza igual a cero.

Por tanto, en total serán:

\( (n^2-n)+(n-1)=n^2-1 \)

Al final da la dimensión.

¿Que piensan?

26 Mayo, 2020, 11:26 am
Respuesta #8

Luis Fuentes

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Hola

Gracias, ya lo veo, y para el caso general no se si estaría bien la siguiente demostración, tomando en cuenta lo que han escrito, me dicen que piensan :

\( a_{11}+a_{22}+...+a_{n-1n-1}=-a_{nn} \), esto da a lugar a \( n-1 \) matrices linealmente independientes en el peor de los casos.

Como \( dim(M_{nxn}(R)) =n^2 \), necesito \( n^2-n \) matrices linealmente independientes para cada elemento que este fuera de la diagonal principal, ya que son \( n \) elementos de la diagonal principal, y para los elementos de la diagonal principal necesito \( n-1 \) matrices linealmente independientes, ya que un elemento quedará en termino de los otros de la diagonal por ser la traza igual a cero.

Por tanto, en total serán:

\( (n^2-n)+(n-1)=n^2-1 \)

Al final da la dimensión.

La idea es esa; no está formalizada del todo. En realidad si no puedes usar ningún resultado previo deberías de mostrar de manera concreta \( n^2-1 \) matrices que generen tu subespacio y ver que son independientes.

Es fácil, aunque algo incómodo de escribir. Es lo mismo que han hecho para casos particulares delmar y robinlambda.

Saludos.