Transformações Lineares em Álgebra

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<p>MA 327 Álgebra Linear</p><p>Petronio Pulino</p><p>DMA/IMECC/UNICAMP</p><p>e-mail: pulino@ime.unicamp.br</p><p>www.ime.unicamp.br/∼pulino/MA327/</p><p>Exerćıcios Selecionados</p><p>Transformações Lineares</p><p>Exerćıcio 1. Determine explicitamente a expressão de uma transformação linear</p><p>T : P2(IR) −→ IR3</p><p>satisfazendo simultaneamente as seguintes condições:</p><p>(a) O elemento p(x) = ( 1 + x ) ∈ Ker(T ).</p><p>(b) O elemento q(x) = x ̸∈ Ker(T ).</p><p>(c) Im(T ) = [(1, 1, 1)].</p><p>Exerćıcio 2. Considere a transformação linear T : IR3 −→ P3(IR) definida por:</p><p>T (1, 0, 1) = 2 + x2 + x3 , T (0, 1, 0) = 1 + x2 e T (0, 0, 1) = x2 − x3 .</p><p>(a) Calcule T (a, b, c) para a transformação linear T .</p><p>(b) Determine uma base para o subespaço Im(T ).</p><p>(c) A transformação linear T é injetora ?</p><p>Exerćıcio 3. Considere a transformação linear T : IR4 −→ IR3 definida por:</p><p>T (x, y, z, t) = (x − 2y + t , 2x + y − z , 5y − z − 2t) .</p><p>(a) Determine uma base para o subespaço Ker(T ).</p><p>(b) Determine uma base para o subespaço Im(T ).</p><p>(c) Determine uma base γ para o espaço vetorial IR4 contendo uma base de Ker(T ).</p><p>(d) Determine a matriz [T ]γβ , onde β é a base ordenada de IR3 dada por:</p><p>β = { (1, 0, 0) , (1, 1, 0) , (0, 1, 1) } .</p><p>Exerćıcio 4. Considere T : IR2 −→ P1(IR) a transformação linear tal que</p><p>T (1, 1) = 1 − x e T (1,−1) = 1 + 3x .</p><p>Mostre que T é um isomorfismo de IR2 em P1(IR). Determine explicitamente a expressão do</p><p>isomorfismo inverso T−1(a0 + a1x).</p><p>Exerćıcio 5. Seja T : IR2 −→ IR3 a transformação linear tal que</p><p>T (1, 2) = (1, 0, 1) e T (2, 1) = (1, 1, 0) .</p><p>(a) Mostre que T é uma transformação linear injetora.</p><p>(b) Determine a matriz [T ]βγ , onde β = { (1, 2) , (2, 1) } é a base ordenada de IR2 e γ é a</p><p>base canônica de IR3.</p><p>(c) Exiba uma transformação linear P : IR3 −→ IR2 tal que Ker(P ) = Im(T ).</p><p>Exerćıcio 6. Considere o operador linear T : P1(IR) −→ P1(IR) dado por:</p><p>T (p(x)) = p′(x) + (x + 1)p(1) .</p><p>Sejam β = { 1, 7− 4x } e γ = { q(x), 2x− 1 } bases para P1(IR) tais que</p><p>[T ]βγ =</p><p>[</p><p>3 s</p><p>−1 1</p><p>]</p><p>.</p><p>(a) Determine o polinômio q(x) e o parâmetro s ∈ IR.</p><p>(b) T é um automorfismo? Em caso afirmativo, determine o automorfismo inverso.</p><p>Exerćıcio 7. Sejam T um operador linear sobre IR4, γ = { v1, v2, v3, v4 } uma base</p><p>ordenada para o espaço vetorial real IR4 e o subespaço S = [v1, v2, v3].</p><p>(a) Sabendo que T (v) = v para todo v ∈ S e T (v4) = v1 + v3 , determine [T ]γγ .</p><p>(b) Sabendo que</p><p>[I]βγ =</p><p></p><p>0 0 1 0</p><p>0 0 0 1</p><p>0 1 0 0</p><p>1 0 0 0</p><p> ,</p><p>onde β = { e1, e2, e3, e4 } é a base canônica de IR4, determine [T (e1)]γ .</p><p>Exerćıcio 8. Considere o operador linear T sobre P2(IR) , definido por:</p><p>T (p(x)) = p′(x) + p(x) ,</p><p>e a transformação linear P : P2(IR) −→ IR3 definida por:</p><p>P (a+ bx+ cx2) = (a+ b, c, a− b) .</p><p>(a) Determine a transformação linear P ◦ T : P2(IR) −→ IR3.</p><p>(b) Determine a matriz [P ◦ T ]βγ , onde β é a base canônica de P2(IR) e γ é a base canônica</p><p>de IR3.</p><p>(c) Verifique se P é um isomorfismo de P2(IR) em IR3. Em caso afirmativo, determine o</p><p>isomorfismo inverso P−1 : IR3 −→ P2(IR).</p><p>Exerćıcio 9. Sejam V um espaço vetorial de dimensão finita, com dim(V ) = n, e T um</p><p>operador linear sobre V tal que Im(T ) = Ker(T ).</p><p>(a) Mostre que n é par.</p><p>(b) Considerando V = IR4, determine um operador linear T sobre V com essas propriedades.</p><p>Exerćıcio 10. Considere o operador linear T sobre IR2 tal que</p><p>[T ]αγ =</p><p>[</p><p>−1 −1</p><p>0 −1</p><p>]</p><p>,</p><p>onde α = { (0, 1) , (1, 0) } e γ = { (−1, 0) , (0,−1) } são bases ordenadas de IR2.</p><p>(a) Determine T (1, 0) e T (0, 1).</p><p>(b) Determine a matriz [I]αγ .</p><p>(c) Determine explicitamente a expressão do operador linear T .</p><p>Exerćıcio 11. Determine explicitamente a expressão de uma transformação linear T de</p><p>P2(IR) em IM2(IR) satisfazendo simultaneamente as seguintes condições:</p><p>(a) O elemento p(x) = ( 1 + x2 ) ∈ Ker(T ).</p><p>(b) O elemento q(x) = 1 ̸∈ Ker(T ).</p><p>(c) O elemento A =</p><p>[</p><p>2 0</p><p>0 1</p><p>]</p><p>∈ Im(T ).</p><p>Exerćıcio 12. Diga se é Falsa ou Verdadeira cada uma das afirmações abaixo, justificando sua</p><p>resposta.</p><p>(a) Existe uma transformação linear T : IR4 −→ IR3 que é injetora.</p><p>(b) Existe uma transformação linear T : IR4 −→ P2(IR) que é sobrejetora.</p><p>(c) Existe uma transformação linear T : IR2 −→ P2(IR) que é bijetora.</p><p>Exerćıcio 13. Considere T : IR2 −→ P1(IR) a transformação linear tal que</p><p>T (1,−1) = 2 + x e T (0, 1) = x − 1 .</p><p>Mostre que T é um isomorfismo de IR2 em P1(IR). Determine o isomorfismo inverso T−1 de</p><p>P1(IR) em IR2.</p><p>Exerćıcio 14. Considere o espaço vetorial real IR3 e S o subespaço definido por:</p><p>S = { (x, y, z) ∈ IR3 / x + y + z = 0 } .</p><p>Determine um operador linear T : IR3 −→ IR3 tal que Im(T ) = S.</p><p>Exerćıcio 15. Seja T : IR2 −→ IR2 o operador linear definido por:</p><p>T (x, y) = (3x − 2y, −2x + 3y) .</p><p>(a) Determine uma base para cada um dos seguintes subespaços:</p><p>U1 = { (x, y) ∈ IR2 / T (x, y) = 5(x, y) }</p><p>U2 = { (x, y) ∈ IR2 / T (x, y) = (x, y) }</p><p>(b) Mostre que o conjunto β = β1 ∪ β2 , onde β1 é uma base para U1 e β2 é uma base</p><p>para U2 , é uma base para IR2 e determine [T ]ββ.</p><p>Exerćıcio 16. Sejam U e W subespaços vetoriais de IR3 definidos por:</p><p>U = { (x, y, z) ∈ IR3 / x + y + z = 0 }</p><p>W = [(1, 0, 1), (0,−1, 1)]</p><p>Determine um operador linear T sobre IR3 tal que Im(T ) = U e Ker(T ) = U ∩W .</p><p>Exerćıcio 17. Considere o operador linear T : P3(IR) −→ P3(IR) definido por:</p><p>T (p(x)) = p(x) + (1 + x)p′(x) .</p><p>Verifique se T é um automorfismo de P3(IR) e determine a matriz [T ]ββ , onde β é a base</p><p>canônica de P3(IR).</p><p>Exerćıcio 18.</p><p>(a) Exiba uma transformação linear T : IR3 −→ P2(IR) tal que dim(Ker(T ) ) = 1 .</p><p>(b) A transformação linear T é sobrejetora ? Justifique.</p><p>Exerćıcio 19. Considere os seguintes subespaços de IR4</p><p>U = [(1, 0, 1, 1), (0, 1, 1, 1)]</p><p>W = { (x, y, z, t) ∈ IR4 / x + y = 0 e z + t = 0 }</p><p>Determine um operador linear T sobre IR4 tal que Ker(T ) = W e Im(T ) = U .</p><p>Exerćıcio 20. Considere a transformação linear T : P2(IR) −→ P1(IR) dada por:</p><p>T (p(x)) = ap(0) − p′(x)</p><p>com</p><p>[T ]αβ =</p><p>[</p><p>3 −3 b</p><p>3 −3 −2</p><p>]</p><p>,</p><p>considerando α = { 1, cx + 1, x2 } a base para P2(IR) e β = { 1 − x, x } a base para</p><p>P1(IR).</p><p>(a) Determine os parâmetros a, b, c ∈ IR.</p><p>(b) Determine [T (q(x))]β e [T (q(x))]γ, com γ = { 1, x } a base canônica de P1(IR),</p><p>sabendo que</p><p>[q(x)]α =</p><p> 1</p><p>−1</p><p>2</p><p> .</p><p>Exerćıcio 21. Sejam V o subespaço de IM2(IR) das matrizes simétricas e a transformação</p><p>linear T : V −→ P2(IR) dada por:</p><p>T</p><p>( [</p><p>a b</p><p>b c</p><p>] )</p><p>= (a + b) − b x + (c − a + b) x2 .</p><p>Mostre que T é um isomorfismo. Considerando a base canônica γ para o P2(IR) e a base</p><p>canônica β para o subespaço V , determine a matriz [T ]βγ .</p><p>Exerćıcio 22. Seja T : IR2 −→ IR3 a transformação linear tal que</p><p>T (2, 1) = (3, 0, 2) e T (1, 2) = (1, 1, 0) .</p><p>Pede–se:</p><p>(a) Mostre que T é injetora.</p><p>(b) Exiba uma transformação linear P : IR3 −→ IR2 tal que Ker(P ) = Im(T ).</p><p>Exerćıcio 23. Considere o operador linear T : P1(IR) −→ P1(IR) dado por:</p><p>T (p(x)) = p′(x) + (x + 1)p(0) .</p><p>Sejam β = { 1, 1− x } e γ = { q(x), 1− x } bases para P1(IR) tais que</p><p>[T ]βγ =</p><p>[</p><p>2 1</p><p>1 s</p><p>]</p><p>.</p><p>(a) Determine o polinômio q(x) e a constante s ∈ IR.</p><p>(b) T é um isomorfismo ? Justifique sua resposta.</p><p>Exerćıcio 24. Considere o operador linear</p><p>T : P4(IR) −→ P4(IR)</p><p>p −→ q = T (p)</p><p>com q(x) = T (p)(x) = x2 p′′(x) ; x ∈ IR.</p><p>(a) Determine a representação matricial de T com relação à base canônica.</p><p>(b) Determine o núcleo e a imagem do operador T .</p><p>(c) T é um operador linear injetor ? Justifique.</p><p>Exerćıcio 25.</p><p>(a) Considere U e V espaços vetoriais sobre o corpo IF e T uma transformação linear de</p><p>U em V . Se dim(U) > dim(V ), prove que existe um elemento não nulo u ∈ U tal que</p><p>T (u) = 0V .</p><p>(b) Considerando U = IR3 e V = P1(IR), dê um exemplo de uma transformação linear T</p><p>de U em V que seja sobrejetora.</p><p>Exerćıcio 26.</p><p>(a) Sejam V e W um espaços vetoriais sobre o corpo IF . Definir isomorfismo de V em W .</p><p>(b) Considere os seguintes elementos do espaço vetorial real IR3:</p><p>v1 = (1, 2, 3) , v2 = (1, 0, 1) e v3 = (1, 1, 1)</p><p>w1 = (2, 0, 9) , w2 = (0,</p><p>0, 1) e w3 = (0, 1, 3) .</p><p>Mostre que existe um único operador linear T : IR3 −→ IR3 tal que</p><p>T (vi) = wi para i = 1, 2, 3 .</p><p>(c) Determine a matriz [T ]ββ , onde β é a base canônica de IR3.</p><p>(d) T é um automorfismo de IR3 ? Justifique sua resposta.</p>