Sottospazio vettoriale
Un sottospazio vettoriale W di V è un sottoinsieme non vuoto W ⊆ V tale che ammetta le operazioni di somma e prodotto per uno scalare di V. È inoltre definito come spazio vettoriale sul campo K se e solo se è esprimibile come combinazione lineare a coefficienti in K.
Condizioni per il sottospazio
Per ogni w1, w2 ∈ W,
- w1 + w2 ∈ V
- w1 + w2 ∈ W
Per ogni λ ∈ ℝ, w ∈ W,
- λw ∈ V
- λw ∈ W
O ∈ W → sì perché W è sottospazio vettoriale.
Equivalente
Per ogni λ1, λ2 ∈ K, per ogni w1, w2 ∈ W
- λ1w1 + λ2w2 ∈ W
Intersezione di sottospazi
Siano U, W sottospazi di V. U ∩ W = {v : v ∈ U e v ∈ W} è un sottospazio vettoriale.
Dimostrazione
Se v1, v2 ∈ U ∩ W allora,
- v1 + v2 ∈ U ∩ W perché U e W sono chiusi all'operazione di somma
λ ∈ K, v ∈ U ∩ W ⇔ v ∈ U e v ∈ W
- λv ∈ U ∩ W poiché chiusi al prodotto per uno scalare
Somma di sottospazi
Siano W1, W2 due sottospazi di V.
W1 ∪ W2 è un sottospazio vettoriale → W1 ⊆ W2
W1 ∩ W2 = W2 → sottospazio per definizione (Analogamente W2 ⊆ W1).
Diseguaglianza triangolare
\(||v+w|| \leq ||v|| + ||w||\)
\(||v+w||^2 = (v+w) \cdot (v+w) = ||v||^2 + 2(v \cdot w) + ||w||^2 \leq ||v||^2 + 2||v|| \cdot ||w|| + ||w||^2 = (||v|| + ||w||)^2\)
Somma diretta di sottospazi
La somma di due sottospazi si dice diretta se e solo se U ∩ W = {0}. Ogni vettore v ∈ U ⊕ W si scrive in modo unico nella forma v = u + w, con u ∈ U, w ∈ W.
Supponiamo per assurdo
Di avere v = u1 + w1 = u2 + w2
u1 - u2 = w2 - w1 ∈ U ∩ W = {0}
⇒ u1 - u2 = 0 = w2 - w1
⇒ u1 = u2, w1 = w2
⇒ l'espressione u1 + w1 è unica
Teorema di Grassmann
Siano U, W due sottospazi di uno spazio finitamente generato V. \(\text{dim} (U + W) = \text{dim} U + \text{dim} W - \text{dim} (U \cap W)\)
Dimostrazione
Sia \({v}_1, {v}_2, ..., {v}_r\) una base di U ∩ W → dim U ∩ W = r
- {v1, ..., vr} è linearmente indipendente → Li completo per ottenere una base di U
→ \({v}_1, ..., {v}_r, {u}_1, ..., {u}_s\) → dim U = r+s
Un insieme libero può essere completato per formare una base
- Completo \({v}_1, ..., {v}_r\)
ad una base di W → \({v}_1, ..., {v}_r, {w}_1, ..., {w}_t\) base di W
{v1, ..., vr, u1, ..., us, w1, ..., wt} è un sistema di generatori
Linearmente indipendenti?
→ Ogni v ∈ U è scrivibile come combinazione lineare della base di U (r+s)
→ Ogni w ∈ W è scrivibile come combinazione lineare della base di W (r+t)
→ Tutti i vettori di U + W si possono scrivere come combinazione lineare di r+s+t
Bisogna verificare che v1, ..., vs e w1, ..., wt siano linearmente indipendenti
λ1v1 + ... + λrvr + d1u1 + ... + dsus + β1w1 + ... βtwt = 0
λ1v1 + ... + λrvr + d1u1 + ... + dsus = -β1w1 - ... - βtwt
Essendo uguali appartengono a U ∩ W
→ Si ha d1 = d2 ... = ds = 0
β1 = β2 ... = βt = 0 → λ1v1 + ... + λrvr = 0 → λ1 = ... = λ
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