SOLUCIONARIO DE EXÁMENES FACULTAD DE INGENIERÍA
TEORÍA Y PROBLEMAS RESUELTOS
ESPACIOS VECTORIALES
SUB ESPACIOS VECTORIALES INDEPENDENCIA LINEAL
PRODUCTO INTERNO
CODEX
ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL
ALGEBRA LINEAL
CODEX
TOMO II
Derecho reservados de acuerdo al D.L.- 4118-17
AUTORES: JOSE PAYE CHIPANA JOSUE PAYE CHIPANA PRIMERA EDICIÓN
SEPTIEMBRE , 2017 LA PAZ- BOLIVIA
QUEDA AUTORIZADA LA REPRODUCCIÓN TOTAL SIN FINES DE LUCRO
NOTA: FAVOR DE NO PINTAR NI SELLAR, OBSTACULIZA AL LECTOR
NO AL OSCURANTISMO CIENTÍFICO
PROLOGO
El presente trabajo “CODEX ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL VOL.II”, En su primera edición contiene básicamente los temas:
ESPACIOS VECTORIALES Y PRODUCTO INTERIOR, son temas que se desarrollan en el segundo parcial en el Curso de Algebra Lineal en INGENIERÍA.
En cada capítulo se expone un resumen de enunciados de definiciones y teoremas, seguido de ejercicios desarrollados y de reto personal.
Deseo expresar mi mas profundo agradecimiento a mí FACULTAD DE INGENIERÍA UMSA, quien va formando profesionales para el desarrollo Técnico y Científico de nuestros país.
JOSE PAYE CHIPANA JOSUE PAYE CHIPANA
DEDICATORIA
“A NUESTRA FACULTAD DE INGENIERÍA, A TODOS LOS UMSISTAS DE CORAZÓN QUE AMAMOS
NUESTRA PRESTIGIOSA CASA DE ESTUDIO”
JOSE PAYE CHIPANA JOSUE PAYE CHIPANA
POEMA: ECUACIÓN DEL AMOR AUTOR: JOSE PAYE CHIPANA
PARA: BELEN ALEJANDRA REAS QUISPE SOLO NECESITO UN PEDAZO DE CARBÓN PARA ESCRIBIRLE QUE ELLA ES LA ECUACIÓN QUE MODELA MI CORAZÓN Y DEMOSTRARLE TODOS LOS DÍAS QUE MÍ AMOR
POR ELLA ES MAYOR AL INFINITO
A ESA NIÑA BONITA
QUE TIENE SOLUCIONES COMPLEJAS ASÍNTOTAS NEGATIVAS PERO PARA MÍ ES LA SOLUCIÓN PERFECTA
AL VERTE PIENSO QUE ERES
UN LIBRO DE CALCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL
QUIERO SER TU TEOREMA FUNDAMENTAL Y SER EL PLANO OSCULADOR QUE
ACARICIE TU DOMINIO REAL
A TI MUSA QUE VALORAS
LA VIDA TRIVIAL DE UN MATEMÁTICO DE INGENIERÍA
Y COMPRENDES EL VALOR DE MI INSPIRACIÓN YA QUE
SIN TU PRESENCIA Y COMPRESIÓN TUYA NO SERIA LA
MATRIZ IDENTIDAD DE TUS PENSAMIENTOS PARA TI MI
INTERVALO DE CONFIANZA TU AMOR ETERNO QUE ES UN
PUNTO EN ESTE MUNDO DE INFINITAS VARIABLES
JOSE PAYE CHIPANA CODEX-ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL JOSUE PAYE CHIPANA
ESPACIO VECTORIAL
Es un conjunto infinito “V” no vacío donde sus objetos son llamados vectores sobre los que se definen las operaciones de adición y producto por un escalar, siendo su Estructura
V,,
¿CUANDO ES UN ESPACIO VECTORIAL?
Debe cumplir con 10 axiomas para el cual usaremos dos conjuntos uno de vectores
u u u u un
V 1, 2, 3, 4,... el otro de escalares K
k1,k2,k3,,...kn
5 AXIOMAS PARA LA SUMA DE VECTORES Axioma (1). Clausura Para La Suma: u1u2 V
Axioma (2). Conmutatividad Para La Suma:
1u2 u2u1 u
Axioma (3). Asociatividad Para La Suma:
2 3 1 2 3
1 u u u u u
u
Axioma (4). Existencia Del Neutro “” Aditivo: u1u1 Axioma (5). Existencia Del Inverso “u1” Aditivo: u1u1
5 AXIOMAS PARA EL PRODUCTO POR UN ESCALAR Axioma (6). Clausura Para El Producto: ku1 V
Axioma (7). Distributividad Del Producto Por Un Escalar Respecto A La Suma De Vectores:
u1 u2 ku1 ku2 k
Axioma (8). Distributividad Del Producto De Un Vector Respecto A La Suma De Escalares:
k1k2
u1 k1u1k2u1Axioma (9). Asociatividad Del Producto:
2 1 1 2 1
1 k u k k u
k
Axioma (10). Existencia Del Neutro Para el Producto “k*”: k*u1u1k* 1
3 er
Capítulo
JOSE PAYE CHIPANA CODEX-ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL JOSUE PAYE CHIPANA
EJEMPLOS (MODELOS A SEGUIR)
Ejemplo (1)
Determine si el conjunto de matrices de la forma
b b a
b a
a , con la edición matricial y la multiplicación por un escalar es un espacio vectorial.
Solución:
Debe cumplir con 10 axiomas para el cual usaremos dos conjuntos uno de vectores
u u u u un
V 1, 2, 3, 4,... el otro de escalares K
k1,k2,k3,,...kn
Entonces escribimos los vectores a la forma indicada en este caso son matrices (para este tipo de demostraciones suficiente con tres vectores)
1 1 1
1 1 1
1 a b b
b a
u a
2 2 2
2 2 2
2 a b b
b a
u a
3 3 3
3 3 3
3 a b b
b a u a
5 AXIOMAS PARA LA SUMA DE VECTORES
Axioma (1). Clausura Para La Suma: u1u2 V
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
2 1 2
2 1 1
2 2 1 1 2
1
2 2 2
2 2 2
1 1 1
1 1 1
b b b
a b a
b a b a a
a b
b a
b a a b
b a
b a a
También es 2x2 de la misma forma por tanto verifica
Axioma (2). Conmutatividad Para La Suma:
1u2 u2u1 u
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar la igualdad
1 1 1
1 1 1
2 2 2
2 2 2
2 2 2
2 2 2
1 1 1
1 1 1
b b a
b a a b
b a
b a a b
b a
b a a b
b a
b a a
1 2 1
1 2 2
1 1 2 2 1
2
2 1 2
2 1 1
2 2 1 1 2
1
b b b
a b a
b a b a a
a b
b b
a b a
b a b a a
a
Se cumple la igualdad es 2x2 de la misma forma por tanto verifica
JOSE PAYE CHIPANA CODEX-ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL JOSUE PAYE CHIPANA
Axioma (3). Asociatividad Para La Suma:
2 3 1 2 3
1 u u u u u
u
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar la igualdad
3 3 3
3 3 3 2
2 2
2 2 2 1
1 1
1 1 1 3
3 3
3 3 3 2
2 2
2 2 2 1
1 1
1 1 1
b b a
b a a b
b a
b a a b
b a
b a a b
b a
b a a b
b a
b a a b
b a
b a a
3 3 3
3 3 3 2
1 2
2 1 1
2 2 1 1 2
1 3
2 3
3 2 2
3 3 2 2 3
2 1
1 1
1 1 1
b b a
b a a b
b b
a b a
b a b a a
a b
b b
a b a
b a b a a
a b
b a
b a a
3 2 1 3
2 1 3 2 1
3 2 1 3 2 1 3
2 1 3
2 1 3
2 1 3 2 1
3 2 1 3 2 1 3
2 1
b b b b
b b a a a
b b b a a a a
a a b
b b b
b b a a a
b b b a a a a
a a
Se cumple la igualdad es 2x2 de la misma forma por tanto verifica Axioma (4). Existencia Del Neutro “” Aditivo: u1u1
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y se debe hallar el Neutro “”
Si
4 3
2 1
c c
c
c
1 1 1
1 1 1
4 3
2 1
1 1 1
1 1 1
b b a
b a a c
c c c b
b a
b a a
1 1 1
1 1 1
4 1 3 1 1
2 1 1 1 1
b b a
b a a c
b c b a
c b a c a
Dos matrices son iguales si sus componentes son iguales
0 0
0 0 0
0 0 0
4 3 2 1
1 4 1
1 1 3 1 1
1 1 2 1 1
1 1 1
c
c c c
b c b
b a c b a
b a c b a
a c a
Se cumple ya que existe neutro de 2x2 de la misma forma por tanto verifica Axioma (5). Existencia Del Inverso “u1” Aditivo: u1u1
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y se debe hallar Inverso “u1” Aditivo
4 3
2 1 1
u u
u
u u
0 0
0 0
4 3
2 1
1 1 1
1 1 1
u u
u u b
b a
b a a
0 0
0 0
4 1 3 1 1
2 1 1 1 1
u b u b a
u b a u a
Dos matrices son iguales si sus componentes son iguales
1 1
1
1 1 1
1
1 4
1 1 3
1 1 2
1 1
4 1
3 1 1
2 1 1
1 1
0 0 0 0
b b
a
b a u a
b c
b a c
b a c
a c
u b
u b a
u b a
u a
Se cumple ya que existe inverso de 2x2 de la misma forma por tanto verifica
JOSE PAYE CHIPANA CODEX-ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL JOSUE PAYE CHIPANA
5 AXIOMAS PARA EL PRODUCTO POR UN ESCALAR Axioma (6). Clausura Para El Producto: ku1 V
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
1 1
1
1 1 1
1 1 1
1 1 1
kb kb
ka
kb ka ka
b b a
b a k a
También es 2x2 de la misma forma por tanto verifica Axioma (7). Distributividad Del Producto Por Un Escalar Respecto A La Suma De Vectores:
u1 u2 ku1 ku2 k
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
2 2 2
2 2 2
1 1 1
1 1 1
2 2 2
2 2 2
1 1 1
1 1 1
b b a
b a k a
b b a
b a k a
b b a
b a a b
b a
b a k a
2 1 2
2 1
1
2 2 1
1 2
1
2 1 2
2 1 1
2 2 1
1 2
1
kb kb kb
ka kb ka
kb ka kb ka ka
ka kb
kb kb
ka kb ka
kb ka kb ka ka
ka
También es 2x2 de la misma forma por tanto verifica Axioma (8). Distributividad Del Producto De Un Vector Respecto A La Suma De Escalares:
k1k2
u1 k1u1k2u1Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
1 1 1
1 1 1 2 1
1 1
1 1 1 1 1
1 1
1 1 1 2
1 a b b
b a k a
b b a
b a k a
b b a
b a k a
k
1 2 1 1
2 1 1 2 1
1 2 1 1 2 1 1
2 1
1 2 1 1
2 1 1 2 1
1 2 1 1 2 1 1
2 1
b k k b
k k a k k
b k k a k k a
k k b
k k b
k k a k k
b k k a k k a
k k
También es 2x2 de la misma forma por tanto verifica
Axioma (9). Asociatividad Del Producto:
2 1 1 2 1
1 k u k k u
k
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
1 1 1
1 1 1 2 1 1
1 1
1 1 1 2
1 a b b
b a k a
b k b a
b a k a
k
1 2 1 1
2 1 1 2 1
1 2 1 1 2 1 1
2 1
1 2 1 1
2 1 1 2 1
1 2 1 1 2 1 1
2 1
b k k b
k k a k k
b k k a k k a
k k b
k k b
k k a k k
b k k a k k a
k k
También es 2x2 de la misma forma por tanto verifica
JOSE PAYE CHIPANA CODEX-ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL JOSUE PAYE CHIPANA
Axioma (10). Existencia Del Neutro Para el Producto “k*”: k*u1u1k*1 Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
1 1 1
1 1 1
1 1 1
1 1
* 1
b b a
b a a b
b a
b a k a
1 1 1
1 1 1
1
* 1
* 1
*
1
* 1
* 1
*
b b a
b a a b
k b
k a k
b k a k a
k
Dos matrices son iguales si sus componentes son iguales
* 11 1
*
1 1 1 1
*
1 1 1 1
*
1 1
*
k b
b k
b a b a k
b a b a k
a a k
Se cumple ya que existe neutro multiplicativo y verifica la unidad Por tanto, las matrices de la forma
b b a
b a
a , forman espacio vectorial.
Ejemplo (2)
Determine si el conjunto de números reales positivos forme un espacio vectorial con las operaciones suma: xyxy y la multiplicación por un escalar con la operación xx
Solución:
Debe cumplir con 10 axiomas para el cual usaremos dos conjuntos uno de vectores
u u u u un
V 1, 2, 3, 4,... el otro de escalares K
k1,k2,k3,,...kn
Entonces escribimos los vectores a la forma indicada en este caso son los reales positivos (para este tipo de demostraciones suficiente con tres vectores)
x
u1 u2 yu3 z
5 AXIOMAS PARA LA SUMA DE VECTORES Axioma (1). Clausura Para La Suma: u1u2 V
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar xy y x
Si dos números reales positivos su suma también es un numero positivo como también su producto por tanto verifica
JOSE PAYE CHIPANA CODEX-ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL JOSUE PAYE CHIPANA
Axioma (2). Conmutatividad Para La Suma:
1u2 u2u1 u
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar la igualdad x
y y x
yx xy
Se cumple la igualdad por tanto verifica Axioma (3). Asociatividad Para La Suma:
2 3 1 2 3
1 u u u u u
u
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar la igualdad
y z
x y
zx
yz xy zx
xyz xyz
Se cumple la igualdad por tanto verifica Axioma (4). Existencia Del Neutro “” Aditivo: u1u1
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y se debe hallar el Neutro “” Si c xcx
1
x c
cx 1
Se cumple ya que existe neutro forma por tanto verifica Axioma (5). Existencia Del Inverso “
1
u ” Aditivo: u1u1
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y se debe hallar Inverso “
1
u ” Aditivo
1
u x 1
x 1x
1
u1 1x
Se cumple ya que existe inverso por tanto verifica 5 AXIOMAS PARA EL PRODUCTO POR UN ESCALAR
Axioma (6). Clausura Para El Producto: ku1 V Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
xk
kx
Con:
R x Es
x sea
R Es x
sea
R Es x
x sea
1 1
0 0
Se cumple por tanto verifica
JOSE PAYE CHIPANA CODEX-ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL JOSUE PAYE CHIPANA
Axioma (7). Distributividad Del Producto Por Un Escalar Respecto A La Suma De Vectores:
u1 u2 ku1 ku2 k
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
x y
kx kyk
xy k kxky ky kx yxk k
kx ky kxkyAplicando la condición de problema
kx ky kxkySe cumple la igualdad por tanto verifica Axioma (8). Distributividad Del Producto De Un Vector Respecto A La Suma De Escalares:
k1k2
u1 k1u1k2u1Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
k1k2
xk1xk2x
x k x k
x
k1k2
1
2x k x k x
x
k1 k2
1
2 Aplicando la condición de problemax k x k x k x
k
1
2
1
2Se cumple la igualdad por tanto verifica Axioma (9). Asociatividad Del Producto:
2 1 1 2 1
1 k u k k u
k
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
k
1 k
2 x k
1 k
2x
1 2
1
2k k
k
k x
x
k1 k2
x
k2 k1x
k1k2 k1k2
x x
Se cumple la igualdad por tanto verifica Axioma (10). Existencia Del Neutro Para el Producto “k*”: k*u1 u1k* 1
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar x x k*
x x
k*
* 1 k
Se cumple ya que existe neutro multiplicativo y verifica la unidad
Por tanto el conjunto de números reales positivos forman un espacio vectorial con las operaciones suma: xyxy y la multiplicación por un escalar con la operación xx
JOSE PAYE CHIPANA CODEX-ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL JOSUE PAYE CHIPANA
SUB ESPACIOS VECTORIALES
Es un conjunto “S” no vacío donde sus objetos son llamados vectores sobre los que se definen las operaciones de adición y producto por un escalar, siendo su Estructura
V,,
¿CUANDO ES UN ESPACIO VECTORIAL?
Debe cumplir con 2 axiomas para el cual usaremos dos conjuntos uno de vectores
u u u u un
S 1, 2, 3, 4,... el otro de escalares K
k1,k2,k3,,...kn
UN SUB ESPACIO VECTORIAL ES SUB CONJUNTO DE UN ESPACIO VECTORIAL V
S
1 AXIOMA PARA LA SUMA DE VECTORES Axioma (1). Clausura Para La Suma: u1u2 S
1 AXIOMA PARA EL PRODUCTO POR UN ESCALAR Axioma (2). Clausura Para El Producto: ku1 S
UN SUB ESPACIO VECTORIAL ES SUB CONJUNTO DE UN ESPACIO VECTORIAL V
S
Una segunda forma de caracterizarlos a los 2 axiomas se concreta en la condición equivalente a la anterior “S” es un subespacio vectorial de V si y sólo si se verifica que:
W u k u k S u u R k
k
1, 2 , 1,2 ; 11 22
SUB ESPACIO VECTORIAL “S” (CONDICION )
En los problemas veremos que es necesario expresar al sub espacio como conjunto con restricción de esta manera siempre reconoceremos las condiciones del conjunto para fines prácticos lo veremos de esta forma general
ESPACIO VECTORIAL CONDICION
S /
JOSE PAYE CHIPANA CODEX-ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL JOSUE PAYE CHIPANA
EJEMPLOS (MODELOS A SEGUIR)
Ejemplo (1)
Analizar si los polinomios a0 a1xa2x2 a3x3 para los que a0 0 son subespacios de P3
Solución:
Debe cumplir con 2 axiomas para el cual usaremos dos conjuntos uno de vectores
u u u u un
S 1, 2, 3, 4,... el otro de escalares K
k1,k2,k3,,...kn
escribimos el subespacio es su forma general
ESPACIO VECTORIAL CONDICION
S /
3/ 0 0
3 3 2 2 1
0
P x a ax a x a x P a S
Entonces escribimos los vectores a la forma indicada en este caso son polinomios de grado 3 (para subespacios suficiente con dos vectores)
0 0
3 3 2 2 1 0
1
a x a x a x a a
u u2 b0b1xb2x2b3x3 b0 0
1 AXIOMA PARA LA SUMA DE VECTORES Axioma (1). Clausura Para La Suma: u1u2 S
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
33 3 2 2 1 0 3 3 2 2 1 0 2
1 u a a x a x a x b bx b x b x P
u
0 0
1 1
2 2
2
3 3
3 3
0 0
02
1
b a P x b a x b a x b a b a u u
Verificando la condición REMPLAZANDO LAS CONDICIONES:
a0 b0
0 Con:u1a0a1xa2x2a3x3 a0 0u2 b0b1xb2x2b3x3 b0 0
a0b0
0 0 0 0 0 0
Es la misma forma por tanto verifica la condición 1 AXIOMA PARA EL PRODUCTO POR UN ESCALAR
Axioma (2). Clausura Para El Producto: k u1 S Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
33 3 2 2 1 0
1 k a a x a x a x P
u
k
0 0
03 3 3 2 2 1 0
1
b a P x ka x ka x ka ka u k
JOSE PAYE CHIPANA CODEX-ALGEBRA LINEAL Y TEORÍA MATRICIAL JOSUE PAYE CHIPANA
Verificando la condición REMPLAZANDO LAS CONDICIONESka0 0Con:
0 0
3 3 2 2 1 0
1
a x a x a x a a u
0 0
Es la misma forma por tanto verifica la condición POR TANTO CUMPLE LOS DOS AXIOMAS ES UN SUB ESPACIO VECTORIAL DE P3
Ejemplo (2)
Determinar si W
x,y,z,u
R4/xyz 0 yu0
es Sub Espacio de R4?Solución:
Debe cumplir con 2 axiomas para el cual usaremos dos conjuntos uno de vectores
u u u u un
W 1, 2, 3, 4,... el otro de escalares K
k1,k2,k3,,...kn
escribimos el subespacio es su forma general
ESPACIO VECTORIAL CONDICION
W / W
x,y,z,u
R4/x yz0 yu0
Entonces escribimos los vectores a la forma indicada en este caso son polinomios de grado 3 (para subespacios suficiente con dos vectores)
1, 1, 1, 1
1 1 1 0 1 1 01
u y z
y x u z y x
u ;u2
x2,y2,z2,u2
x2 y2 z2 0 y2 u2 0 1 AXIOMA PARA LA SUMA DE VECTORESAxioma (1). Clausura Para La Suma: u1u2 W
Remplazamos nuestros vectores en el axioma y verificar
x y z u
x y z u
W uu1 2 1, 1, 1, 1 2, 2, 2, 2
1 2, 1 2, 1 2, 1 2
1 2
1 2
1 2
0
1 2
1 2
02
1
u u y y z
z y y x x W u
u z z y y x x u u
Verificando la condición
x1x2
y1y2
z1z2
0
y1y2
u1u2
0Con:
1, 1, 1, 1
1 1 1 0 1 1 01
u y z
y x u z y x
u ; u2
x2,y2,z2,u2
x2 y2 z2 0 y2u2 0 REMPLAZAMOS EN LA NUEVA CONDICIÓN
x1x2
y1y2
z1z2
0
y1y2
u1u2
0
x1y1z1
x2 y2z2
0
y1u1
y2u2
0
0 0 0
0 0 0 0 0 00