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5 ESPAÇOS VETORIAIS 1 5 – ESPAÇOS VETORIAIS 1 – DEFINIÇÃO E EXEMPLOS1 – DEFINIÇÃO E EXEMPLOS Seja um conjunto V, não vazio, sobre o qual estão definidas as operações de adição e multiplicação por escalar, isto é:ç p ç p , VαvVvα VvvV,vv 11 2121 ,, , O conjunto V com estas duas operações é denominado espaço vetorial se forem verificados os seguintes axiomas: VαvVvα 11 ,, g A) Em relação à adição: )()( V)A 00 ,, ,,),()( 211221 321321321 vvVvV Vvvvvvv Vvvvvvvvvv )A )A )A 2 1 0)( 0,,0 1111 111 vV, v-vV, v vvVvV )( )A )A 4 3 B) Em relação à multiplicação por escalar : 2 ) ,( ) ç p ç p 111 11 )( )()( vvv vv )B )B 2 1 ),( 11 2121 111 1 )( )( vv vvvv vvv )B )B ) 4 3 2 ‐ Os elementos de um espaço vetorial V são denominados vetores ,,,, 321 vvv vetores. Observação:Observação: • Se na definição acima, os escalares pertencerem ao conjunto dos números reais, o espaço V será um espaço vetorial real. Caso os escalares e sejam números complexos, V será um espaço vetorial complexo. Exemplo 12 . 3 Exemplo 12 . O conjunto é um espaço vetorial com as operações de adição e multiplicação por um número real assim definidas: yxyxV ,/),(2 )()( ),(),(),( 1111 21212211 yxyx yyxxyxyx ‐ Essas operações são denominadas operações usuais . ),(),( 1111 yxyx • Para verificar os oitos axiomas de espaço vetorial, considere ),,( 111 yxv ),(),( 333222 yxvyxv e ),(),( ),(),(),()( 332121 332211321 yxyyxx yxyxyxvvv )A 1 )(),( )(,)( 321321 321321 yyyxxx yyyxxx )(),(),(),( ),(),( 321332211 323211 vvvyxyxyx yyxxyx 4 )A 2 221121 ),(),( yxyxvv 1212 2121 )()( ),( ),( yyxx yyxx 121122 ),(),( vvyxyx 22 000 )()A 11111111 2 1 2 ),()0,0()0,0(),(0 ,000 vyxyxyxv v, )( )A 3 )00()()()()( ),(),),( 2 111 2 111 yyxxyxyxνν yxvyxv (‐ )A 4 )0,0(),(),(),()( 1111111111 yyxxyxyxνν )M )( yxαβναβ )M 1 11 11 111 )(),( , ),( βyαβxα αβyαβx yxαβναβ 11111 11 ),(, )(),( βναyxβαβyβxα βyβ 5 )()M 2 ,yxβανβα 111 )()( 2 βyy,βxαx yβα,xβα yββ 1111 11 111 βναν ,yxβ ,yxα 111111 )()()M yxyxαννα )()()M 3 2121 2121 221121 , yy,xαx yyxxα ,yx,yxανν α 212211 2211 2121 ),(),( ),(),( ανανyxαyxα yαxyαx yy 111 11 ,11 yxν )M 4 11111 ,1,1 νyxyx Exemplo 13. 6 Exemplo 13. O conjunto , de todas as matrizes de ordem 2 com elementos reais , é um espaço vetorial com as operações de adição e multiplicação por 2,2 MV um número real assim definidas: MBA 1212111112111211 , baba baba bb bb aa aa BA MBA , 2222212122212221 bababbaa 2221 1211 2221 1211 aa aa aa aa A Exemplo 14. 7 Exemplo 14. O conjunto V de funções reais, definidas na reta real (‐,), é um espaço vetorial com as operações de adição e multiplicação por um número real assim definidas: gfg),(f kVg(x)xf e , , )()(f )()()(gf xkfxk xgxfx 8 2 – PROPRIEDADES DOS ESPAÇOS VETORIAISÇ Da definição de espaço vetorial V, decorrem as seguintes propriedades: I. Existe um único vetor nulo em V (elemento neutro da adição). II. Cada vetor admite apenas um simétrico . Vν 1 Vν 1 III. Para quaisquer , se , então . Vννν 321 ,, 3231 νννν 21 νν IV. Qualquer que seja , tem‐se: , isto é, o oposto de é . Vν 1 11 νν 1 ν 1 ν de é . V. Quaisquer que sejam , existe um e somente um x, tal 1 ν 1 ν Vνν 21 , Q q q j , , que . V 21 , 21 νxν 9 VI. Qualquer que seja , . Vν 1 00 1 ν O primeiro zero é o número zero. O segundo é o vetor com elementos iguais a zero. VII. Qualquer que seja .00, αα VIII. , implica0 1 ν .00 1 ν ou IX. Qualquer que seja , . 11 1 νν Vν 1 X. Quaisquer que sejam e . Vν 1 111 vvvα - , 10 3 – SUBESPAÇOS VETORIAIS3 SUBESPAÇOS VETORIAIS Um subconjunto S não vazio de um espaço vetorial V é um subespaçoUm subconjunto S, não vazio, de um espaço vetorial V, é um subespaço vetorial de V se forem satisfeitas as seguintes condições: I. Para quaisquer .,, 2121 SννSνν II. Para quaisquer . SνSν 1 ,, 1 ‐ Todo espaço vetorial admite, pelo menos, dois subespaços: 0V 1. o conjunto , denominado de subespaço zero ou subespaço nulo e 2 o próprio espaço vetorial V 0 2. o próprio espaço vetorial V. Exemplo 15 . 11 Exemplo 15 . Sejam e ou , isto é, S é o conjunto dos vetores do plano que têm a segunda componente igual 2V xxxS );2,( xyyxS 2/),( 2 ao dobro da primeira. ‐ Observe que S , pois . S)0,0( • Para verificar as condições I e II, considere , e Sxxν )2,( 111 Sxxν )2,( 222 . , pois a segunda componente do Sxxxx xxxxνν I) )(2, 22, 2121 212121 , p g p somatório é igual ao dobro da primeira )(, 2121 xxααν II) 111 2, , pois a segunda componente do produto é igual ao dobro a primeira. Sαxαx 11 111 2, ‐ Portanto S é um subespaço vetorial de . 2V Exemplo 16. 12 Exemplo 16. Sejam e ou . P ifi di õ I II id 2V S)24( xxxS );24,( xyyxS 24/),( 2 • Para verificar as condições I e II, considere e . Sxxν )24,( 111 Sxxν )24,( 222 Sxxxxxxxx xxxxνν I) )(28,2424, 2424, 21212121 212121 ‐ Portanto S não é um subespaço vetorial de . 2V Sxxxxxxxx )(8,, 21212121 • Observe que .S)0,0( Portanto a reta S não passa pela origem, então S não é subespaçovetorial de . 2V Exemplo 17. 13 Exemplo 17. Sejam e . a,b,c,d dc ba V ;Μ 2,2 a,c c a S ; 0 0 • Para verificar as condições I e II, considere a 0 a 0 , e S c a ν 0 0 1 1 1 S c a ν 0 0 2 2 2 . S cc aa c a c a νν I) 0 0 0 0 0 0 21 21 2 2 1 1 21 2121 S αa αν II) 0 1 1 ‐ S é um subespaço vetorial deM S αc αν II) 0 1 1 ‐ S é um subespaço vetorial de M 2,2 . 14 4 – COMBINAÇÃO LINEAR DE VETORES4 COMBINAÇÃO LINEAR DE VETORES Sejam os vetores do espaço vetorial V e os escalares ννν ,,, 21 aaa ,,, 21 Sejam os vetores do espaço vetorial V e os escalares . Qualquer vetor da forma n ννν ,,, 21 n aaa ,,, 21 nn νaνaνaν 2211 ν é uma combinação linear dos vetores . nn2211 n ννν ,,, 21 Exemplo 18. No espaço vetorial o vetor é uma combinação linear 3 22157νNo espaço vetorial , o vetor é uma combinação linear dos vetores e porque: . 22,15,7 ν 4,3,2 1 ν 2,1,5 2 ν 21 34 ννν )215(3)432(422157 22,15,7)6,3,15()16,12,8( )2,1,5(3)4,3,2(422,15,7 15 Exemplo 19 . Escreva o vetor como combinação linear dos vetores e . 7,18,4 ν 2,3,1 1 ν 1,4,2 2 ν Pretende‐se que: , sendo a 1 e a 2 escalares a determinar. D t 2211 νaνaν Deve‐se ter: 21 2432 1,4,22,3,17,18,4 aaaaaa aa Pela condição de igualdade de vetores, tem‐se o sistema 212121 2,43,2 aaaaaa cuja solução é: a 1 = 2 e a 2 = -3. 1843 42 21 21 aa aa 1 2 Portanto: 72 21 21 aa 32 ννν Portanto: 21 32 ννν 16 Exemplo 20. Mostre que o vetor não é uma combinação linear dos vetores e . 6,3,4 ν 2,3,1 1 ν 1,4,2 2 ν Pretende‐se mostrar que não existem escalares a 1 e a 2 , tais que: Utilizando procedimento análogo ao do problema anterior 2211 νaνaν 212121 21 2,43,2 1,4,22,3,16,3,4 aaaaaa aa Pela condição de igualdade de vetores, tem‐se o sistema 42 21 aa que é incompatível, não admite solução. 62 343 21 21 21 aa aa Portanto, não existem escalares a 1 e a 2 21 17 Exemplo 21. Determine o valor de k para que o vetor seja combinação linear dos vetores e . 7,,1 kν 2,3,1 1 ν 1,4,2 2 ν Deve‐se ter: 2211 νaνaν 212121 21 2,43,2 1,4,22,3,17,,1 aaaaaa aak Pela condição de igualdade de vetores, tem‐se o sistema 212121 12 cuja solução é: a 1 = -3, a 2 = 1 e k = 13. 72 43 12 21 21 kaa aa Para k 13 tem se que 72 21 aa 13 ννν Para k = 13 tem‐se que 21 13 ννν 5 – SUBESPAÇO VETORIAL GERADO 18 Sejam V um espaço vetorial e o conjunto , . VνννA n ,,, 21 A O conjunto S de todos os vetores de V que são combinações lineares dos vetores de A é um subespaço vetorial de V De fato, se e são vetores de A é um subespaço vetorial de V. νaνaνa 22111 nn νaνaνa 22112 De fato, se e são dois quaisquer vetores de S, pode‐se escrever: I. . nn νaνaνa 22111 nn22112 nnn νbaνbaνba )()()( 22211121 II. . Isto é e por serem combinações lineares de nnn )()()( 22211121 nn ναaναaναaαμ )()()( 22111 ννν S SIsto é, e por serem combinações lineares de . Logo, S é um subespaço vetorial de V. n ννν ,,, 21 S 21 S 1 • O subespaço S diz‐se gerado pelos vetores , ou gerado pelo n ννν ,,, 21 19 p ç g p g p conjunto A e se representa por ou ou . n ,,, 21 n νννS ,,, 21 )G(AS n vvvgerAgerS ,,,)( 21 • Os vetores são chamados geradores do subespaço S, e A é o conjunto gerador de S. n ννν ,,, 21 • Todo conjunto gera um subespaço vetorial de V, podendo ocorrer que caso em que A é o conjunto gerador de V VA )G( VA ocorrer que , caso em que A é o conjunto gerador de V. VA )G( Exemplo 22.p Os vetores e geram o espaço vetorial , pois qualquer par é uma combinação linear de e . 2V)0,1( 1 )1,0( 2 2 ),( yx 1 2 x,y ,y,x yμxμx,y 1001 21 20 Exemplo 23. Os vetores e do geram o subespaço vetorial , pois: )0,0,1( 1 yxyxS ,/0,, 3 )0,1,0(2 3 0,0,1,00,0,1 0,, 21 x,yyx yxyx Isto é, S é o plano x0y. ,,,,, ,yy 21 Exemplo 24. Verificar se o conjunto gera o . 2 5,3,2,1 21 vvA Para que o conjunto A gere o é necessário que qualquer vetor2 seja uma combinação linear de v 1 e v 2 , isto é, devem existir números reais a 1 e a 2 , tais que: 2 , yxv 52315321 5,32,1 21 2211 aa vavav 52,315,32,1 21212211 aaaaaaaa Dessa igualdade resulta o sistema: cuja solução é yaa xaa 21 21 52 3 yxa yxa 2 35 2 1 21 )2()35(, vyxvyxyx Então 21 2 ,vvger 22 Exemplo 25. Verificar se o conjunto gera o . 2 4,7,1,0,0,1 321 vvvA Para que o conjunto A gere o é necessário que qualquer vetor2 seja uma combinação linear de v 1 , v 2 e v 3 isto é, devem existir números reais a 1 , a 2 e a 3 tais que: 2 , yxv 4,71,00,1 321 332211 aaa vavavav 4,74,7,00, 32313321 aaaaaaaa Dessa igualdade resulta o sistema: cuja solução é 32 31 4 7 aya axa yaa xaa 32 31 4 7 Por exemplo se , tem‐se: e .2 3 a 14 1 xa 8 2 ya 2)8()14( vvyvxyx Então 321 2 ,v,vvger 321 2)8()14(, vvyvxyx 6 – DEPENDÊNCIA E INDEPENDÊNCIA LINEAR 23 Sejam V um espaço vetorial . VνννA n ,,, 21 • O conjunto A é linearmente independente (LI) ou os vetores são LI se a equação n ννν ,,, 21 são LI se a equação admitir solução trivial única . 0 2211 nn νaνaνa 0 21 aaa admitir solução trivial única . • Se existirem soluções , diz‐se que o conjunto A é linearmente 0 21 n aaa 0 i a ç q j dependente (LD) ou que os vetores são LD. i n ννν ,,, 21 ‐ Os vetores são LD se e somente se um deles for umaννν ,,, 21 Os vetores são LD se e somente se um deles for uma combinação linear dos outros. n ννν ,,, 21 24 25 Exemplo 26. No espaço vetorial os vetores , e são LD. A equação admite como solução 2 0,1 1 v 1,0 2 v 7,4 3 v 0 vavava 0a‐ A equação , admite como solução . 07,41,00,1 321 aaa 0 332211 vavava 0 i a 07,47,4,00, 32313321 321 aaaaaaaa D i ld d lt i tDessa igualdade resulta o sistema: cuja solução é 31 7 4aa 04 31 aa j ç Por exemplo se , tem‐se: e . 32 7aa 07 32 aa 2 3 a 8 1 a 14 2 a Então, os vetores são LD. 26 Exemplo 27. No espaço vetorial os vetores e são LI. A equação admite como solução 3 3,2,6 1 v 3,5,0 2 v 0 vava 0 aa‐ A equação , admite como solução . 03,5,03,2,6 21 aa 0 2211 vava 0 21 aa 033,52,63,5,03,2,6 2121122111 aaaaaaaaaa D i ld d lt i tDessa igualdade resulta o sistema: cuja solução é 01a 052 06 1 aa a cuja solução é 02a 033 052 21 21 aa aa Então, os vetores são LI. 7 – BASE E DIMENSÃO 27 • Um conjunto é uma base do espaço vetorial V se VνννB n ,,, 21 I. B é LI. II. V=ger(B), B gera V. • Se V é um espaço vetorial e possui uma base com n vetores, V tem di ã A di ã d V i di di Vdimensão n. A dimensão de V se indica por dimV=n. Exemplo 28. 2 p é base do , denominada base canônica. O espaço gerado possui dimensão 2. )1,0(),0,1(B 2 0a I. . B é LI II 0 0 0,00,1,00,1 2 1 2121 a a aaaa yvxvx yII. . 22121 ),( 1001 vvger x,y ,y,x yvxvx,y 28 Exemplo 29. 2 2é base do e dim( )=2 )5,3(),2,1(B 2 aa 03 21 2 I. . e , portanto B é LI. aa aa aaaaaa 052 03 05,32,5,32,1 21 21 221121 0 1 a 0 2 a , p II 0 1 a 2 II. . x,y aa,aa ,a,a vavav 212121 2211 5235321 yxa yxa yaa xaa 2 35 52 3 2 1 21 21 2 2121 ),()2()35( vvgervyxvyxv 29 Exemplo 30. é uma base para o espaço vetorial P n dos polinômios da forma . ntttS ,,,,1 2 n n tatataa 2 210 I. . tatataa n n 01 2 211 , portanto S é LI. ,n,, ia i 10 II. . , é uma combinação linear dos elementos de S, portanto P n = ger(S) tatataa n n 2 211 1p p n g ( ) dim(P n ) = n+1. 30 Exemplo 31. 101 312 Verifique se os vetores , e geram o espaço vetorial . 1,0,1 2 v 3,1,2 3 v 3 2,1,1 1 v I. . 031202 03,1,21,0,12,1,1 321 aaaaaaaa aaa 03,1,2,0,2,, 33322111 aaaaaaaa 31 321 0 02 aa aaa 12 31 321 31 032 0 aa aaa aa São LD ‐ Observe que 213 vvv 3‐ Os vetores não formam uma base do espaço vetorial . 3 31 7 1 P i d d l i à B à Di ã7.1 – Propriedades relativas à Base e à Dimensão 1. Qualquer conjunto LI de um espaço vetorial V é base do subespaço por ele gerado. 2. Se for uma base de um espaço vetorial V, todo conjunto com mais de n vetores de V é LD. n νννB ,,, 21 3. Duas bases quaisquer de um espaço vetorial têm o mesmo número de vetoresvetores. 4. Se é uma base de um espaço vetorial V, qualquer n νννB ,,, 21 vetor se exprime de maneira única como uma combinação linear dos vetores de B. Vv 32 5 Se V é um espaço vetorial tal que dimV=n e S é um subespaço vetorial5. Se V é um espaço vetorial tal que dimV=n e S é um subespaço vetorial de V, então dimS n. 6. A dimensão de um subespaço vetorial pode ser determinada pelo número de variáveis livres de seu vetor genérico. Exemplo 32. Determine a dimensão do subespaço 02/)( 3 zyxzyxSDetermine a dimensão do subespaço ‐ Isolando z (ou x ou y) na equação de definição, tem‐se: d ã á l 02/),,( zyxzyxS yxz 2 onde x e y são variáveis livres. ‐ Para qualquer vetor tem‐se: Szyx ),,( 1102012)( ‐ Então, todo vetor de S é uma combinação linear dos vetores v 1 = (1,0,-2) e v = (0 1 1) Como v e v são LI o conjunto é uma 1,1,02,0,12,,),,( yxyxyxzyx 110201 e v 2 = (0,1,-1). Como v 1 e v 2 são LI, o conjunto é uma base de S e, portanto dimS = 2. 1,1,0,2,0,1 8 – MUDANÇA DE BASE 33 Ç Sejam as bases e de V. Dado um vetor , este 21 ,ννA 21 ,wwB Vv será combinação linear dos vetores das bases A e B : ou ou, ainda, 21 21 2211 vxvxv 21 , xxv A 1xv A e ou ou ainda 2211 21 , A 2x 2211 wywyv 21 yyv B 1 y v B ou ou, ainda, 2211 wywyv 21 , yyv B 2y v B Os vetores da base A podem ser escritos em relação à base B isto é:‐ Os vetores da base A podem ser escritos em relação à base B, isto é: então 2211111 wawav 22211222211111 wawaxwawaxv ou 2221122 wawav 21 22211222211111 vv 22221211212111 wxaxawxaxav 22221211212111 34 ‐ Comparando as equações e , tem‐se: 22221211212111 wxaxawxaxav 2211 wywyv , ou na forma matricial: 2221212 2121111 xaxay xaxay 2 1 2221 1211 2 1 x x aa aa y y A equação matricial anterior pode ser escrita da seguinte forma AB Mvv aa onde é a matriz de mudança de base de A para B. 2221 1211 aa aa M ‐ Para transformar v b em v a , tem‐se: , uma vez que a matriz M é inversível. Desta forma, M-1 é a matriz de mudança de base B para a A. BA vMv 1 ç p 35 • Determinação da matriz de mudança de base ‐ O sistema permite a seguinte notação matricial: 2221122 2211111 wawav wawav 121111 waav Fazendo , , e 222122 waav 12111 , xxv 22212 , xxv 12111 , yyw 22212 , yyw , , tem‐ se: 12111 , xxv 22212 , xxv 12111 , yy 22212 , yy 121121111211 yyaaxx observe que e 222122122221 yyaaxx TT M aa A xx 21111211 TB yy 1211‐ observe que eTT M aa A xx 22122221 , B yy 2221 36 Portanto: TTT BMA ‐ propriedades da matriz transposta: BMA TT T T T BMBM AA ou Como B é uma matriz inversível tem se: BMA ABM 1‐ Como B é uma matriz inversível, tem‐se: ‐ propriedades da matriz inversa: ABM BAAB BB 1 1 1 1 1 ou BAM 11 •M é a matriz de mudança de base de A para B. 1 • é a matriz de mudança de base de B para A. 1 M 37 Exemplo 33. 2 Considere as seguintes bases do : e . Determine as matrizes de mudança de base de A para B e de B para A. 2 )2,1(),3,1( A )2,1(),5,3(B ‐ do enunciado tem‐se as matrizes: e 23 11 A 25 13 B ‐matriz de mudança de base de A para B é dada por: ABM 1 ‐ inversa de uma matriz (2x2): bd H bcad(H) dc ba H 1 0det, 1 ac H H )det( 1212113 1 1 B 3535 56 25 B 411112 MM 1142335 MM 38 ‐matriz de mudança de base de B para A é dada por: BAM 11 ç p p 411141 1 1 M 4111 14 1611 114 1 M ou 145 M ou 12112111 1 1 A 135132323 411 1 1312 1 14 411 5 1 25 13 13 12 5 1 11 MM 39 Exemplo 34. 2 Considere as seguintes bases de : e . ) D t i d d d t bit á i 2 )4,3(),2,1( 211 uuS )8,3(),3,1( 212 vvS b a) Determine as coordenadas de um vetor arbitrário em relação à base . b) Determine a matriz P de mudança de base de S para S bav , 211 ,uuS b) Determine a matriz P de mudança de base de S 2 para S 1 . a) Vetor v escrito como combinação linear dos vetores que formam a basea) Vetor v escrito como combinação linear dos vetores que formam a base S 1 : . Deseja‐se determinar as incógnitas x e y. bax 3 2 21 yuxuv bay bax yxb yxa yxba uu v 2 1 2 2 42 3 4,32,1, 21 portanto 2 21 2 1 2 3 2, ubaubaba 22 40 b) Utilizando o resultado do item (a) 13 2 ubaubaba b) Utilizando o resultado do item (a), , represente os vetores v 1 e v 2 como combinação linear de u 1 e u 2 . 21 22 2, ubaubaba 21211 2 5 2 13 2 3 1 2 9 23,1 uuuuv 21212 718431268,3 uuuuv - P é a matriz cujas colunas são as coordenadas de v 1 e v 2 em relação à base SS 1 . 18 2 13 matriz de mudança de base de S 2 para S 1 . 7 2 5 2 P
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