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Álgebra (71) · Unidad 3 — Espacios vectoriales

Subespacios: generados y dados por ecuaciones

Un subespacio es un pedazo del espacio del que no se sale sumando ni multiplicando por números. Aparece de dos maneras: como todas las combinaciones de unos generadores, ⟨v₁, v₂⟩, o como las soluciones de ecuaciones homogéneas. En ℝ³ son las rectas y los planos que pasan por el origen.

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La explicación

Las tres condiciones

Dentro de un espacio vectorial, un subconjunto S es un subespacio cuando cumple estas tres cosas:

1) 0 ∈ S
2) si v ∈ S y w ∈ S, v + w ∈ S
3) si v ∈ S y λ ∈ ℝ, λ·v ∈ S

O sea: tiene al vector nulo, y operando no te salís. La 1) es la que más rápido descarta: si el 0 no está, no hace falta mirar nada más.

Primera forma: dado por ecuaciones

S = {x ∈ ℝ³ / x₁ − 2x₂ + x₃ = 0} es un subespacio. El 0 cumple la ecuación, y si dos vectores la cumplen, su suma también: por ejemplo (1, 1, 1) y (2, 1, 0) están en S, y su suma (3, 2, 1) da 3 − 4 + 1 = 0. En general, el conjunto de soluciones de un sistema homogéneo (todas las ecuaciones igualadas a 0) es siempre un subespacio.

En cambio {x ∈ ℝ³ / x₁ − 2x₂ + x₃ = 4} no lo es: el 0 da 0 ≠ 4. Tampoco lo son los que tienen desigualdades (x₁ ≥ 0 se rompe multiplicando por −1) ni productos entre coordenadas (x₁·x₂ = 0 son dos planos, y (1, 0, 0) + (0, 1, 0) = (1, 1, 0) se escapa).

Segunda forma: el subespacio generado

Dados v₁, …, v_r, el conjunto de todas sus combinaciones lineales es un subespacio, que se llama el subespacio generado y se escribe ⟨v₁, …, v_r⟩. Es cerrado porque la suma de dos combinaciones es otra combinación, y un múltiplo también. Ojo con la notación: {v₁, v₂} son dos vectores; ⟨v₁, v₂⟩ son infinitos.

Cómo se ven en ℝ² y en ℝ³

⟨v⟩ con v ≠ 0: los múltiplos de v, la recta por el origen con dirección v.
⟨u, v⟩ con u y v no colineales: el plano por el origen que los contiene.
⟨u, v⟩ con u y v colineales (uno múltiplo del otro): sigue siendo una recta, porque el segundo no aporta nada.
Además están los dos triviales: {0} y el espacio entero.

En ℝ² los subespacios son {0}, las rectas por el origen y ℝ²; en ℝ³ se agregan los planos por el origen. Una recta o un plano que no pasa por el origen no es un subespacio.

Pertenencia

Si S viene por ecuaciones, se reemplaza: v ∈ S si cumple todas. Si viene por generadores, v ∈ ⟨v₁, v₂⟩ quiere decir «v es combinación lineal de v₁ y v₂», y se resuelve el sistema del tema anterior. Cuando el vector trae un parámetro, se pide que el sistema sea compatible; los valores para los que no pertenece son todos los demás.

De generadores a ecuación: eliminar los parámetros

A veces conviene tener las dos formas. Para pasar de ⟨u, v⟩ a una ecuación se escribe el vector genérico y se eliminan los coeficientes.

1. Escribí x = a·u + b·v, coordenada por coordenada: x₁ = …, x₂ = …, x₃ = … .
2. Despejá a y b de dos de esas igualdades (las más simples).
3. Reemplazalos en la tercera: queda una ecuación en x₁, x₂, x₃ sin a ni b.
4. Pasá todo a un miembro: te queda algo = 0 (tiene que ser homogénea).
5. Control: los dos generadores tienen que cumplirla.

Por ejemplo, con u = (2, 1, 0) y v = (0, 1, 1): x₁ = 2a, x₂ = a + b, x₃ = b. De la primera y la tercera, a = x₁/2 y b = x₃; en la segunda, x₂ = x₁/2 + x₃, o sea x₁ − 2x₂ + 2x₃ = 0. Control: 2 − 2 + 0 = 0 ✔ y 0 − 2 + 2 = 0 ✔. Es el plano del dibujo.

El control que conviene hacer siempre

Antes de nada, probá el 0: si no está, no es subespacio. Y cada vez que armes una ecuación a partir de generadores, reemplazá los generadores en ella: si alguno no la cumple, hay un signo cruzado.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Sea S = ⟨(1, −1, 2), (0, 1, 1)⟩. a) Describir S geométricamente. b) Hallar una ecuación de S. c) Decidir si (2, 1, 7) y (1, 1, 1) pertenecen a S. d) Describir T = ⟨(1, 2, −3), (−2, −4, 6)⟩.

a) Los generadores no son colineales (ningún número multiplica al segundo para dar el primero: el 0 de su primera coordenada no puede dar 1). Entonces S es un plano que pasa por el origen.

b) Elimino los parámetros. x = a(1, −1, 2) + b(0, 1, 1):

x₁ = a
x₂ = −a + b
x₃ = 2a + b

De la primera, a = x₁; de la segunda, b = x₂ + x₁. En la tercera: x₃ = 2x₁ + x₁ + x₂, o sea

S: 3x₁ + x₂ − x₃ = 0

Control con los generadores: 3 − 1 − 2 = 0 ✔ y 0 + 1 − 1 = 0 ✔.

c) Con la ecuación es reemplazar: (2, 1, 7) da 6 + 1 − 7 = 0, así que (2, 1, 7) ∈ S. Por el otro camino, 2·(1, −1, 2) + 3·(0, 1, 1) = (2, 1, 7) ✔. En cambio (1, 1, 1) da 3 + 1 − 1 = 3 ≠ 0: (1, 1, 1) ∉ S.

d) (−2, −4, 6) = −2·(1, 2, −3): los generadores son colineales, así que T = ⟨(1, 2, −3)⟩ es una recta por el origen, aunque tenga dos generadores.

Dónde se pierde el punto: en d), contestar «plano» porque hay dos vectores. Lo que cuenta no es cuántos generadores hay, sino cuántas direcciones distintas aportan.

Y uno del nivel del parcial

a) Hallar todos los λ para los que (4, λ, 2) no pertenece a S = ⟨(1, 1, 0), (1, 3, 2)⟩. b) Hallar a para que (3, −1, 2) pertenezca a T = {x ∈ ℝ³ / x₁ + a·x₂ − 2x₃ = 0}.

a) Planteo la pertenencia: (4, λ, 2) = α(1, 1, 0) + β(1, 3, 2) = (α + β, α + 3β, 2β).

α + β = 4
α + 3β = λ
2β = 2

La primera y la tercera no tienen λ: β = 1 y α = 3. La segunda dice que el vector pertenece sólo si λ = 3 + 3 = 6.

Con λ = 6 el sistema es compatible y (4, 6, 2) = 3(1, 1, 0) + (1, 3, 2) ✔. Con cualquier otro λ la segunda ecuación falla. La respuesta es la contraria de la que salió: (4, λ, 2) ∉ S para todo λ ≠ 6.

b) T viene por una ecuación: reemplazo. 3 + a·(−1) − 2·2 = 0, o sea −1 − a = 0 y a = −1. Con ese a, T: x₁ − x₂ − 2x₃ = 0, y (3, −1, 2) da 3 + 1 − 4 = 0 ✔.

Dónde se pierde el punto: en a), contestar «λ = 6». Ése es el único valor para el que sí pertenece; el ejercicio pedía los otros.

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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