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Álgebra A (62) · Unidad 6 — Matrices, sistemas y subespacios

Independencia lineal

Un conjunto es independiente si ninguno de sus vectores sobra. Se chequea planteando que la combinación dé cero y viendo si hay otra solución además de la trivial.

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La explicación

La definición

v₁, …, vs son linealmente dependientes (LD) si existen λ₁, …, λs
no todos cero tales que  λ₁v₁ + … + λsvs = 0

Si no, son linealmente independientes (LI): la única forma de escribir
el 0 como combinación es con todos los coeficientes en cero.
El "no todos cero" es la definición entera. Con todos los λ en cero la combinación siempre da 0 — eso pasa en cualquier conjunto y no dice nada. Lo que se pregunta es si hay otra manera. Si la hay, sobra alguien.

Qué significa que sobre alguien

Si son dependientes, al menos uno se escribe como combinación de los demás, y sacarlo no cambia el subespacio generado:

v₃ = 2v₁ − v₂   ⟹   ⟨v₁, v₂, v₃⟩ = ⟨v₁, v₂⟩

Por eso los conjuntos LI son los que interesan: describen el subespacio sin repetir información.

Cómo se chequea

1. Plantear λ₁v₁ + … + λsvs = 0
2. Es un sistema homogéneo con incógnitas los λ
3. Resolverlo con Gauss
    sólo la trivial  →  LI
    infinitas soluciones → LD

Como el sistema es homogéneo nunca es incompatible, así que la única pregunta es si hay soluciones además del cero. Y eso lo decide el rango:

rg = cantidad de vectores  →  LI
rg < cantidad de vectores  →  LD

Atajos que ahorran toda la cuenta

• Si el conjunto contiene al vector nulo → LD siempre
• Dos vectores son LD ⟺ son paralelos (uno múltiplo del otro)
• Más de n vectores en ℝⁿ → LD siempre, sin calcular nada
• n vectores en ℝⁿ → se triangula la matriz cuadrada:
    n filas no nulas → LI      alguna se anula → LD

El tercero es el que más tiempo ahorra: 4 vectores en ℝ³ son dependientes y punto, no hay nada que resolver. El cuarto es el caso típico del parcial: tantos vectores como la dimensión. (En el tema 7.3 vas a ver un atajo para ese caso: un determinante lo contesta en una sola cuenta.)

Cómo se triangula

Se arma la matriz con los vectores como filas, se triangula, y se cuentan las filas no nulas: ése es el rango. Sirve con cualquier cantidad de vectores. Si alguna fila se anula, esos vectores eran dependientes — y la operación que la anuló te muestra la relación. Con un parámetro, sin dividir por expresiones que lo contengan: el valor que anula un pivote es justo el que se busca.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Decidir si son LI: (a) {(1,2,3), (2,4,6)}, (b) {(1,0,0), (0,1,0), (1,1,0)}, (c) {(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1), (1,1,1)}.

(a) {(1,2,3), (2,4,6)}. Son dos vectores: alcanza con ver si son paralelos.

(2,4,6) = 2·(1,2,3)  →  LD

La relación de dependencia es 2v₁ − v₂ = 0, con coeficientes 2 y −1, que no son todos cero. Y ⟨v₁, v₂⟩ = ⟨v₁⟩: es una recta, no un plano.

(b) {(1,0,0), (0,1,0), (1,1,0)}. Se ponen como filas y se triangula: con las dos primeras se hacen ceros en la tercera.

F₃ − F₁ − F₂ = (1,1,0) − (1,0,0) − (0,1,0) = (0, 0, 0)

LD: una fila se anuló, el rango es 2 con 3 vectores. Y la operación que la anuló es la relación:

(1,1,0) = (1,0,0) + (0,1,0)  →  v₁ + v₂ − v₃ = 0
Los tres tienen tercera coordenada 0, así que viven todos en el plano z = 0. Tres vectores metidos en un plano no pueden ser independientes: el plano tiene dimensión 2. Ese razonamiento contesta el ejercicio antes que la triangulación.

(c) Cuatro vectores en ℝ³.

4 > 3  →  LD, sin calcular nada

Más de n vectores en ℝⁿ son siempre dependientes. Si en el parcial te piden esto, la respuesta correcta incluye por qué, no una triangulación de 4×3.

Control general: de los tres, ninguno era LI. Eso no es raro — los ejercicios suelen estar armados para que descubras la dependencia. Cuando un conjunto sí es LI, la triangulación no anula ninguna fila y el rango coincide con la cantidad de vectores.

Y uno del nivel del parcial

Hallar todos los k ∈ ℝ para los cuales {(1, 2, k), (0, 1, 1), (k, 0, 1)} es una base de ℝ³.

Un conjunto de tres vectores de ℝ³ es base si y solo si es linealmente independiente, porque la cantidad ya coincide con la dimensión. Y tres vectores son independientes exactamente cuando, puestos como filas y triangulados, quedan tres filas no nulas.

M = [ 1   2   k ; 0   1   1 ; k   0   1 ]

Triangular sin dividir por k. El primer pivote es el 1 de arriba; para hacer cero el k de la tercera fila:

F₃ → F₃ − k·F₁: [ 0   −2k   1 − k² ]

Ahora el −2k, con el pivote de la segunda fila:

F₃ → F₃ + 2k·F₂: [ 0   0   1 + 2k − k² ]

Ojo con los dos signos: −k·k da −k² en el último lugar, y +2k·1 le suma 2k. Los dos signos combinados son donde se equivoca casi todo el mundo.

Ahora se busca cuándo NO es base, o sea cuándo ese último pivote se anula:

1 + 2k − k² = 0
k² − 2k − 1 = 0 (multiplicando por −1)
k = (2 ± √(4 + 4))/2 = (2 ± √8)/2 = (2 ± 2√2)/2
k = 1 + √2 o k = 1 − √2

La respuesta, entonces:

es base para todo k ∈ ℝ − {1 + √2 ; 1 − √2}

En decimales: 1 + √2 ≈ 2,41 y 1 − √2 ≈ −0,41. Son los dos únicos valores que arruinan la base; cualquier otro k, incluidos todos los enteros, sirve.

Control con un valor cómodo, k = 0:

último pivote = 1 + 0 − 0 = 1 ≠ 0 ✓
los vectores serían (1,2,0), (0,1,1), (0,0,1), claramente independientes (matriz triangular con unos)

Control con uno de los k malos. Con k = 1 + √2:

1 + 2(1+√2) − (1+√2)² = 1 + 2 + 2√2 − (1 + 2√2 + 2)
= 3 + 2√2 − 3 − 2√2 = 0 ✓

Qué pasa exactamente en esos dos valores. Ahí los tres vectores quedan en un mismo plano: uno es combinación de los otros dos. Siguen generando algo, pero ese algo tiene dimensión 2, no 3, así que no alcanzan para ser base de ℝ³.

Cómo se escribe la respuesta. El enunciado pregunta para qué k sí es base, así que la respuesta es el complemento de las raíces, no las raíces. Contestar «k = 1 ± √2» es contestar exactamente al revés de lo que se pidió.

Dónde se pierde el punto: ese cambio de pregunta, y perder un signo al triangular. Conviene controlar el último pivote con un k fácil antes de resolver la cuadrática: si con k = 0 no te da 1, la cuenta está mal. (En el tema 7.3 vas a ver que el determinante de M da el mismo polinomio: es otro control.)

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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