En matemáticas , y más específicamente en álgebra lineal , una aplicación lineal (o mapeo lineal ) es un tipo particular de función entre espacios vectoriales que respeta las operaciones básicas de suma de vectores y multiplicación escalar . Un ejemplo estándar de una aplicación lineal es unmatriz, que toma vectores en-dimensiones en vectores en-dimensiones de una manera que sea compatible con la suma de vectores y la multiplicación de vectores por escalares .
Una aplicación lineal es un homomorfismo de espacios vectoriales. [ nota 1 ] Por lo tanto, una aplicación linealsatisface, dondeyson escalares yyson vectores (elementos del espacio vectorial ) ). Una aplicación lineal siempre mapea el origen deal origen de , y subespacios lineales desobre subespacios lineales en(posiblemente de una dimensión inferior ); [ 1 ] por ejemplo, mapea un plano que pasa por el origen ena cualquiera de los dos planos que pasan por el origen en , una línea que pasa por el origen en , o simplemente el origen en . Los mapas lineales a menudo se pueden representar como matrices , y ejemplos sencillos incluyen las transformaciones lineales de rotación y reflexión .
Definición y primeras consecuencias
Dejarysean espacios vectoriales sobre el mismo cuerpo , como los números reales o complejos . Una funciónSe dice que es una aplicación lineal si para cualesquiera dos vectoresy cualquier escalarSe cumplen las dos condiciones siguientes:
- Aditividad / operación de suma [ nota 2 ]
- Homogeneidad de grado 1 / operación de multiplicación escalar
Por lo tanto, se dice que una transformación lineal preserva las operaciones . En otras palabras, no importa si la transformación lineal se aplica antes (los lados derechos de los ejemplos anteriores) o después (los lados izquierdos de los ejemplos) de las operaciones de suma y multiplicación escalar.
Por la asociatividad de la operación de suma denotada como +, para cualesquiera vectoresy escalares , se cumple la siguiente igualdad: [ 2 ] [ 3 ] Por lo tanto, una aplicación lineal es aquella que conserva las combinaciones lineales .
Denotando los elementos cero de los espacios vectorialesyporyrespectivamente, se deduce que . Dejayen la ecuación para homogeneidad de grado 1:
Un mapa linealconvisto como un espacio vectorial unidimensional sobre sí mismo se denomina funcional lineal . [ 4 ]
Estas afirmaciones se generalizan a cualquier módulo izquierdo.sobre un anillosin modificación, y a cualquier módulo derecho al invertir la multiplicación escalar.
Ejemplos
- El mapa único de la formaes lineal.
- Un ejemplo prototípico que da nombre a los mapas lineales es una función . , cuya gráfica es una línea que pasa por el origen. [ 5 ]

Ejemplos de transformaciones lineales utilizadas en gráficos por computadora - De manera más general, cualquier homoteciaUna aplicación lineal (donde c es un escalar) centrada en el origen de un espacio vectorial.
- El mapa ceroLa relación entre dos espacios vectoriales (sobre el mismo campo ) es lineal.
- La función identidad en cualquier módulo es un operador lineal.
- Para números reales, el mapano es lineal.
- Para números reales, el mapano es lineal (pero es una transformación afín ).
- Sies unmatriz real , entoncesdefine un mapa lineal desdeaenviando un vector columnaal vector columna . Por el contrario, cualquier aplicación lineal entre espacios vectoriales de dimensión finita puede representarse de esta manera; véase § Matrices , más adelante.
- Sies una isometría entre espacios normados reales tal queentonceses una aplicación lineal. Este resultado no es necesariamente cierto para espacios normados complejos. [ 6 ]
- La diferenciación define una aplicación lineal del espacio de todas las funciones diferenciables al espacio de todas las funciones. También define un operador lineal en el espacio de todas las funciones suaves (un operador lineal es un endomorfismo lineal , es decir, una aplicación lineal con el mismo dominio y codominio ). De hecho,
- Una integral definida sobre algún intervalo I es una aplicación lineal del espacio de todas las funciones integrables de valor real en I a . En efecto,
- Una integral indefinida (o antiderivada ) con un punto de inicio de integración fijo define una aplicación lineal desde el espacio de todas las funciones integrables de valor real enal espacio de todas las funciones diferenciables de valor real en Sin un punto de partida fijo, la antiderivada se mapea al espacio cociente de las funciones diferenciables por el espacio lineal de las funciones constantes.
- Siyson espacios vectoriales de dimensión finita sobre un campo F , de dimensiones respectivas m y n , entonces la función que mapea mapeos linealesa matrices n × m de la forma descrita en § Matrices (a continuación) es una aplicación lineal, e incluso un isomorfismo lineal .
- El valor esperado de una variable aleatoria es una función lineal de la variable aleatoria: para variables aleatoriasytenemosy . La esperanza condicional también lo es. Pero la varianza de una variable aleatoria no es lineal, porque, por ejemplo , .
La funcióncones un mapa lineal. Esta función escala elcomponente de un vector por el factor.
La funciónes aditivo: no importa si los vectores se suman primero y luego se mapean o si se mapean y finalmente se suman:
La funciónes homogéneo: No importa si un vector se escala primero y luego se mapea o primero se mapea y luego se escala:
Endomorfismos e isomorfismos lineales
Si una aplicación lineal es una biyección , entonces se llamaisomorfismo lineal . En el caso donde , una aplicación lineal se llama endomorfismo lineal . A veces el términoEl operador lineal se refiere a este caso, [ 7 ] pero el término "operador lineal" puede tener diferentes significados según diferentes convenciones.
Extensiones lineales
A menudo, una aplicación lineal se construye definiéndola en un subconjunto de un espacio vectorial y luegoextendiéndose por linealidad alintervalo linealdel dominio. Supongamosyson espacios vectoriales yes una función definida en algún subconjunto . Luego unextensión lineal deaSi existe, es un mapa lineal.definido enque se extiende[ nota 3 ] (lo que significa quepara todos) y toma sus valores del codominio de . [ 8 ] Cuando el subconjuntoes un subespacio vectorial deentonces un ( extensión lineal de valoresa todosSe garantiza que existirá si (y solo si)es una aplicación lineal. [ 8 ] En particular, sitiene una extensión lineal aentonces tiene una extensión lineal a todo .
El mapase puede extender a un mapa linealsi y solo si siemprees un número entero,son escalares yson vectores tales que , entonces necesariamente . [ 9 ] Si una extensión lineal deEntonces existe la extensión lineales único y Se aplica a todosycomo se indicó anteriormente. [ 9 ] Sies linealmente independiente entonces cada funciónen cualquier espacio vectorial tiene una extensión lineal a una aplicación (lineal).(Lo contrario también es cierto).
Por ejemplo, siyluego la tareaypuede extenderse linealmente a partir del conjunto de vectores linealmente independientesa un mapa lineal en . La extensión lineal únicaes el mapa que envíaa
Cada funcional lineal (con valores escalares)definido en un subespacio vectorial de un espacio vectorial real o complejotiene una extensión lineal a todo . De hecho, el teorema de extensión dominada de Hahn-Banach incluso garantiza que cuando este funcional linealestá dominado por alguna seminorma dada(lo que significa quese aplica a todosen el dominio de) entonces existe una extensión lineal aque también está dominado por.
Matrices
Siyson espacios vectoriales de dimensión finita y se define una base para cada espacio vectorial, entonces cada aplicación lineal deapuede representarse mediante una matriz . [ 10 ] Esto es útil porque permite realizar cálculos concretos. Las matrices proporcionan ejemplos de aplicaciones lineales: sies un realmatriz, entoncesdescribe un mapa lineal(véase espacio euclidiano ).
Dejarser una base para . Entonces cada vectorestá determinado de forma única por los coeficientesen el campo:
Sies un mapa lineal,
lo que implica que la función f está completamente determinada por los vectores . Ahora dejemosser una base para . Entonces podemos representar cada vectorcomo
Por lo tanto, la funciónestá totalmente determinado por los valores de . Si ponemos estos valores en unmatriz , entonces podemos usarlo convenientemente para calcular la salida vectorial depara cualquier vector en . Para obtener , cada columnadees un vector correspondiente acomo se definió anteriormente. Para definirlo más claramente, para alguna columnaque corresponde al mapeo , dóndees la matriz de . En otras palabras, cada columnatiene un vector correspondientecuyas coordenadasson los elementos de la columnaUna única transformación lineal puede representarse mediante muchas matrices. Esto se debe a que los valores de los elementos de una matriz dependen de las bases elegidas.
Las matrices de una transformación lineal pueden representarse visualmente:
- Matriz pararelativo a:
- Matriz pararelativo a:
- Matriz de transición desdea:
- Matriz de transición desdea:

De tal manera que comenzando en la esquina inferior izquierday buscando la esquina inferior derecha , se multiplicaría por la izquierda, es decir, . El método equivalente sería el método "más largo" que va en sentido horario desde el mismo punto, de manera quese multiplica por la izquierda con , o.
Ejemplos en dos dimensiones
En el espacio bidimensional R² , las aplicaciones lineales se describen mediante matrices de 2 × 2. Estos son algunos ejemplos:
- rotación
- girando 90 grados en sentido contrario a las agujas del reloj:
- por un ángulo θ en sentido antihorario:
- reflexión
- a través del eje x :
- a través del eje y :
- a través de una línea que forma un ángulo θ con el origen:
- escalado por 2 en todas las direcciones:
- Mapeo de la cizalladura horizontal :
- desviación del eje y por un ángulo θ :
- mapeo de compresión :
- proyección sobre el eje y :
Si un mapeo lineal se compone únicamente de rotación, reflexión y/o escalado uniforme, entonces el mapeo lineal es una transformación lineal conforme .
Espacio vectorial de aplicaciones lineales
La composición de mapas lineales es lineal: siySi son lineales, entonces también lo es su composición . . De esto se deduce que la clase de todos los espacios vectoriales sobre un cuerpo K dado , junto con las aplicaciones lineales como morfismos , forma una categoría .
La inversa de una aplicación lineal, cuando está definida, es de nuevo una aplicación lineal.
SiySi son lineales, entonces también lo es su suma puntual . , que se define por .
Sies lineal yes un elemento del campo terrestre , luego el mapa , definido por , también es lineal.
Por lo tanto, el conjuntode mapas lineales deaforma en sí mismo un espacio vectorial sobre , [ 11 ] a veces denotado . [ 12 ] Además, en el caso de que , este espacio vectorial, denotado , es un álgebra asociativa bajo la composición de aplicaciones , ya que la composición de dos aplicaciones lineales es también una aplicación lineal, y la composición de aplicaciones es siempre asociativa. Este caso se analiza con más detalle a continuación.
Dado nuevamente el caso de dimensión finita, si se han elegido bases, entonces la composición de mapas lineales corresponde a la multiplicación de matrices , la suma de mapas lineales corresponde a la suma de matrices , y la multiplicación de mapas lineales con escalares corresponde a la multiplicación de matrices con escalares.
Endomorfismos y automorfismos
Una transformación lineales un endomorfismo de; el conjunto de todos esos endomorfismos Junto con la suma, la composición y la multiplicación escalar, tal como se definieron anteriormente, forman un álgebra asociativa con elemento identidad sobre el cuerpo.(y en particular un anillo ). El elemento identidad multiplicativo de esta álgebra es la aplicación identidad ..
Un endomorfismo deque también es un isomorfismo se llama automorfismo de . La composición de dos automorfismos es nuevamente un automorfismo, y el conjunto de todos los automorfismos deforma un grupo , el grupo de automorfismos deque se denota poro . Dado que los automorfismos son precisamente aquellos endomorfismos que poseen inversos bajo composición,es el grupo de unidades en el anillo.
Sitiene dimensión finita, entonceses isomorfo al álgebra asociativa de todosmatrices con entradas en . El grupo de automorfismos dees isomorfo al grupo lineal generalde todosmatrices invertibles con entradas en.
Núcleo, imagen y el teorema de rango-nulidad
Sies lineal, definimos el núcleo y la imagen o rango depor
es un subespacio deyes un subespacio de . La siguiente fórmula de dimensión se conoce como el teorema de rango-nulidad : [ 13 ]
El númeroTambién se le llama rango dey escrito como , o a veces, ; [ 14 ] [ 15 ] el númerose llama la nulidad dey escrito comoo . [ 14 ] [ 15 ] Siyson de dimensión finita, se han elegido bases yestá representada por la matriz , entonces el rango y la nulidad deson iguales al rango y la nulidad de la matriz ., respectivamente.
Cokernel
Un invariante más sutil de una transformación lineales el co núcleo , que se define como
Esta es la noción dual del núcleo: así como el núcleo es un subespacio del dominio, el co-núcleo es un espacio cociente del objetivo. Formalmente, se tiene la secuencia exacta
Esto se puede interpretar de la siguiente manera: dada una ecuación lineal f ( v ) = w para resolver,
- el núcleo es el espacio de soluciones de la ecuación homogénea f ( v ) = 0 , y su dimensión es el número de grados de libertad en el espacio de soluciones, si no está vacío;
- El co-núcleo es el espacio de restricciones que deben satisfacer las soluciones, y su dimensión es el número máximo de restricciones independientes.
La dimensión del co-núcleo y la dimensión de la imagen (el rango) suman la dimensión del espacio objetivo. Para dimensiones finitas, esto significa que la dimensión del espacio cociente W / f ( V ) es la dimensión del espacio objetivo menos la dimensión de la imagen.
Como ejemplo sencillo, consideremos la aplicación f : R 2 → R 2 , dada por f ( x , y ) = (0, y ) . Entonces, para que una ecuación f ( x , y ) = ( a , b ) tenga una solución, debemos tener a = 0 (una restricción), y en ese caso el espacio de soluciones es ( x , b ) o, equivalentemente, (0, b ) + ( x , 0) , (un grado de libertad). El núcleo puede expresarse como el subespacio ( x , 0) < V : el valor de x es la libertad en una solución – mientras que el co-núcleo puede expresarse a través de la aplicación W → R , : dado un vector ( a , b ) , el valor de a es la obstrucción para que exista una solución.
Un ejemplo que ilustra el caso de dimensión infinita lo proporciona la aplicación f : R ∞ → R ∞ ,con b 1 = 0 y b n + 1 = a n para n > 0 . Su imagen consiste en todas las secuencias con primer elemento 0 , y por lo tanto su co-núcleo consiste en las clases de secuencias con primer elemento idéntico. Así, mientras que su núcleo tiene dimensión 0 (mapea solo la secuencia cero a la secuencia cero), su co-núcleo tiene dimensión 1. Dado que el dominio y el espacio objetivo son los mismos, el rango y la dimensión del núcleo suman la misma suma que el rango y la dimensión del co-núcleo ( ), pero en el caso de dimensión infinita no se puede inferir que el núcleo y el co-núcleo de un endomorfismo tengan la misma dimensión ( 0 ≠ 1 ). La situación inversa se obtiene para el mapa h : R ∞ → R ∞ ,con c n = a n + 1 . Su imagen es todo el espacio objetivo, y por lo tanto su co-núcleo tiene dimensión 0, pero como asigna todas las secuencias en las que solo el primer elemento no es cero a la secuencia cero, su núcleo tiene dimensión 1.
Índice
Para un operador lineal con núcleo y co-núcleo de dimensión finita, se puede definir el índice como: es decir, los grados de libertad menos el número de restricciones.
Para una transformación entre espacios vectoriales de dimensión finita, esto es simplemente la diferencia dim( V ) − dim( W ), por rango-nulidad. Esto da una indicación de cuántas soluciones o cuántas restricciones existen: si se mapea de un espacio mayor a uno menor, la transformación puede ser sobreyectiva y, por lo tanto, tendrá grados de libertad incluso sin restricciones. Por el contrario, si se mapea de un espacio menor a uno mayor, la transformación no puede ser sobreyectiva y, por lo tanto, habrá restricciones incluso sin grados de libertad.
El índice de un operador es precisamente la característica de Euler del complejo de dos términos 0 → V → W → 0. En teoría de operadores , el índice de los operadores de Fredholm es objeto de estudio, siendo un resultado importante el teorema del índice de Atiyah-Singer . [ 16 ]
Clasificaciones algebraicas de transformaciones lineales
Ninguna clasificación de mapas lineales puede ser exhaustiva. La siguiente lista incompleta enumera algunas clasificaciones importantes que no requieren ninguna estructura adicional en el espacio vectorial.
Sean V y W espacios vectoriales sobre un cuerpo F y sea T : V → W una aplicación lineal.
Monomorfismo
Se dice que T es inyectivo o un monomorfismo si se cumple alguna de las siguientes condiciones equivalentes:
- T es biyectivo como una aplicación de conjuntos .
- ker T = {0 V }
- dim(ker T ) = 0
- T es mónico o cancelable por la izquierda, lo que significa que, para cualquier espacio vectorial U y cualquier par de aplicaciones lineales R : U → V y S : U → V , la ecuación TR = TS implica R = S .
- T es invertible por la izquierda , lo que significa que existe una aplicación lineal S : W → V tal que ST es la aplicación identidad en V.
Epimorfismo
Se dice que T es sobreyectivo o un epimorfismo si se cumple alguna de las siguientes condiciones equivalentes:
- T se representa como un mapa de conjuntos.
- coque T = {0 W }
- T es épico o cancelable por la derecha, lo que significa que, para cualquier espacio vectorial U y cualquier par de aplicaciones lineales R : W → U y S : W → U , la ecuación RT = ST implica R = S .
- T es invertible por la derecha , lo que significa que existe una aplicación lineal S : W → V tal que TS es la aplicación identidad en W.
Isomorfismo
Se dice que T es un isomorfismo si es invertible tanto por la izquierda como por la derecha. Esto es equivalente a que T sea biyectivo y sobreyectivo (una biyección de conjuntos) o también a que T sea épico y mónico, y por lo tanto sea un bimorfismo .
Si T : V → V es un endomorfismo, entonces:
- Si, para algún entero positivo n , la n -ésima iteración de T , T n , es idénticamente cero, entonces se dice que T es nilpotente .
- Si T 2 = T , entonces se dice que T es idempotente.
- Si T = kI , donde k es algún escalar, entonces se dice que T es una transformación de escala o un mapa de multiplicación escalar; véase matriz escalar .
Cambio de base
Dado un mapeo lineal que es un endomorfismo cuya matriz es A , en la base B del espacio transforma las coordenadas vectoriales [ u ] como [ v ] = A [ u ] . Como los vectores cambian con el inverso de B (las coordenadas vectoriales son contravariantes ) su transformación inversa es [ v ] = B [ v ′] .
Sustituyendo esto en la primera expresión por eso
Por lo tanto, la matriz en la nueva base es A ′ = B −1 AB , siendo B la matriz de la base dada.
Por lo tanto, se dice que los mapas lineales son objetos variantes 1-co- 1-contra- o tensores de tipo (1, 1) .
Continuidad
Una transformación lineal entre espacios vectoriales topológicos , por ejemplo espacios normados , puede ser continua . Si su dominio y codominio son iguales, entonces será un operador lineal continuo . Un operador lineal en un espacio lineal normado es continuo si y solo si es acotado , por ejemplo, cuando el dominio es de dimensión finita. [ 17 ] Un dominio de dimensión infinita puede tener operadores lineales discontinuos .
Un ejemplo de transformación lineal no acotada y, por lo tanto, discontinua, es la diferenciación en el espacio de funciones suaves dotadas de la norma del supremo (una función con valores pequeños puede tener una derivada con valores grandes, mientras que la derivada de 0 es 0 ). Como ejemplo concreto, sin( nx )/ n converge a 0 , pero su derivada cos( nx ) no lo hace, por lo que la diferenciación no es continua en 0 (y, por una variación de este argumento, no es continua en ningún punto).
Aplicaciones
Una aplicación específica de las transformaciones lineales se encuentra en las transformaciones geométricas , como las que se realizan en gráficos por computadora , donde la traslación, rotación y escalado de objetos 2D o 3D se efectúan mediante una matriz de transformación . Las transformaciones lineales también se utilizan como mecanismo para describir cambios: por ejemplo, en cálculo corresponden a derivadas; o en relatividad, se emplean para registrar las transformaciones locales de los sistemas de referencia.
Otra aplicación de estas transformaciones se encuentra en las optimizaciones de compiladores para código con bucles anidados y en la paralelización de técnicas de compilación.
Véase también
- Mapa aditivo – homomorfismo de módulo Z
- Mapa antilineal – Mapa aditivo homogéneo conjugado
- Función Bent : un tipo especial de función booleana.
- Operador acotado : un tipo de transformación lineal.
- Ecuación funcional de Cauchy – Ecuación funcional
- Operador lineal continuo – Función entre espacios vectoriales topológicos
- Funcional lineal : aplicación lineal de un espacio vectorial a su campo de escalares. Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redirección.
- Isometría lineal : transformación matemática que conserva la distancia. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redireccionamiento.
- Categoría de matrices
- Cuasilinealización
Notas
- ↑ En el lenguaje de la teoría de categorías , las aplicaciones lineales son los morfismos de espacios vectoriales. Restringidas a la categoría de espacios vectoriales de dimensión finita, forman una categoría equivalente a la de matrices .
- ↑ Aunque se utilice el mismo símbolo +, la operación definida eny la definida enno son necesariamente lo mismo.
- ↑ Un mapaSe dice que extiende otro mapasi cuandose define en un punto , entonces también lo esy
Referencias
- ↑ Rudin 1991 , pág. 14 Aquí hay algunas propiedades de las aplicaciones lineales cuyas pruebas son tan fáciles que las omitimos; se supone quey:
- Si A es un subespacio (o un conjunto convexo , o un conjunto equilibrado ), lo mismo es cierto para
- Si B es un subespacio (o un conjunto convexo, o un conjunto equilibrado), lo mismo es cierto para
- En particular, el conjunto:es un subespacio de X , llamado espacio nulo de
- ↑ Rudin 1991 , p. 14. Supongamos ahora que X e Y son espacios vectoriales sobre el mismo campo escalar . Una aplicación Se dice que es lineal sia pesar dey todos los escalaresy . Nótese que a menudo se escribe , en lugar de , cuandoes lineal.
- ↑ Rudin 1976 , p. 206. Se dice que una aplicación A de un espacio vectorial X en un espacio vectorial Y es una transformación lineal si: a pesar dey todos los escalares c . Nótese que a menudo se escribeen lugar desi A es lineal.
- ↑ Rudin 1991 , p. 14. Las aplicaciones lineales de X sobre su campo escalar se denominan funcionales lineales .
- ↑ "terminología - ¿Qué significa 'lineal' en álgebra lineal?" . Mathematics Stack Exchange . Consultado el 17 de febrero de 2021 .
- ↑ Wilansky 2013 , págs. 21–26.
- ↑ "Las transformaciones lineales de V en V se denominan a menudo operadores lineales en V. " Rudin 1976 , p. 207
- 1 2 Kubrusly 2001 , pág. 57.
- ^ Schechter 1996 , págs. 277–280.
- ↑ Rudin 1976 , pág. 210
- ↑ Axler (2015) pág. 52, § 3.3
- ↑ Martes 2011 , pág. 19, § 3.1
- ↑ Horn & Johnson 2013 , 0.2.3 Espacios vectoriales asociados a una transformación matricial o lineal, pág. 6
- ^ Katznelson y Katznelson (2008) pág. 52, § 2.5.1
- ^ Halmos (1974) pág. 90, artículo 50
- ↑ Nistor, Victor (2001) [1994], "Teoría de índices" , Enciclopedia de Matemáticas , EMS Press"La cuestión principal en la teoría de índices es proporcionar fórmulas de índices para clases de operadores de Fredholm... La teoría de índices se convirtió en una disciplina independiente solo después de que MF Atiyah e I. Singer publicaran sus teoremas de índices."
- ↑ Rudin 1991 , pág. 15 1.18 Teorema Sea Sea un funcional lineal en un espacio vectorial topológico X. Supongamos quepara algunos . Entonces, cada una de las siguientes cuatro propiedades implica las otras tres:
- es continuo
- El espacio nuloEstá cerrado.
- no es denso en X.
- está delimitado en algún entorno V de 0 .
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