Articulo de referencia

Mapa lineal

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 op...

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 unmetro×norte{\displaystyle m\times n}matriz, que toma vectores ennorte{\displaystyle n}-dimensiones en vectores enmetro{\displaystyle m}-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 linealT:VW{\displaystyle T:V\to W}satisfaceT(aincógnita+by)=aTincógnita+bTy{\displaystyle T(ax+by)=aTx+bTy}, dondea{\displaystyle a}yb{\displaystyle b}son escalares yincógnita{\displaystyle x}yy{\displaystyle y}son vectores (elementos del espacio vectorial )V{\displaystyle V} ). Una aplicación lineal siempre mapea el origen deV{\displaystyle V}al origen deW{\displaystyle W} , y subespacios lineales deV{\displaystyle V}sobre subespacios lineales enW{\displaystyle W}(posiblemente de una dimensión inferior ); [ 1 ] por ejemplo, mapea un plano que pasa por el origen enV{\displaystyle V}a cualquiera de los dos planos que pasan por el origen enW{\displaystyle W} , una línea que pasa por el origen enW{\displaystyle W} , o simplemente el origen enW{\displaystyle W} . 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

DejarV{\displaystyle V}yW{\displaystyle W}sean espacios vectoriales sobre el mismo cuerpoK{\displaystyle K} , como los números reales o complejos . Una funciónF:VW{\displaystyle f:V\to W}Se dice que es una aplicación lineal si para cualesquiera dos vectores,vV{\textstyle \mathbf {u} ,\mathbf {v} \en V}y cualquier escalardoK{\displaystyle c\in K}Se cumplen las dos condiciones siguientes:

  • Aditividad / operación de suma [ nota 2 ]F(+v)=F()+F(v){\displaystyle f(\mathbf {u} +\mathbf {v} )=f(\mathbf {u} )+f(\mathbf {v} )}
  • Homogeneidad de grado 1 / operación de multiplicación escalarF(do)=doF(){\displaystyle f(c\mathbf {u} )=cf(\mathbf {u} )}

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 vectores1,,norteV{\textstyle \mathbf {u} _{1},\ldots ,\mathbf {u} _{n}\in V}y escalaresdo1,,donorteK{\displaystyle c_{1},\ldots ,c_{n}\in K} , se cumple la siguiente igualdad: [ 2 ] [ 3 ]F(do11++donortenorte)=do1F(1)++donorteF(norte).{\displaystyle f(c_{1}\mathbf {u} _{1}+\cdots +c_{n}\mathbf {u} _{n})=c_{1}f(\mathbf {u} _{1})+\cdots +c_{n}f(\mathbf {u} _{n}).} Por lo tanto, una aplicación lineal es aquella que conserva las combinaciones lineales .

Denotando los elementos cero de los espacios vectorialesV{\displaystyle V}yW{\displaystyle W}por0V{\textstyle \mathbf {0} _{V}}y0W{\textstyle \mathbf {0} _{W}}respectivamente, se deduce queF(0V)=0W{\displaystyle f(\mathbf {0} _{V})=\mathbf {0} _{W}} . Dejado=0{\displaystyle c=0}yvV{\textstyle \mathbf {v} \en V}en la ecuación para homogeneidad de grado 1: F(0V)=F(0v)=0F(v)=0W.{\displaystyle f(\mathbf {0} _{V})=f(0\mathbf {v} )=0f(\mathbf {v} )=\mathbf {0} _{W}.}

Un mapa linealVK{\displaystyle V\to K}conK{\displaystyle K}visto como un espacio vectorial unidimensional sobre sí mismo se denomina funcional lineal . [ 4 ]

Estas afirmaciones se generalizan a cualquier módulo izquierdo.RMETRO{\textstyle {}_{R}M}sobre un anilloR{\displaystyle R}sin modificación, y a cualquier módulo derecho al invertir la multiplicación escalar.

Ejemplos

  • El mapa único de la formaT:{0}{0}{\displaystyle T:\{{\vec {0}}\}\a \{{\vec {0}}\}}es lineal.
  • Un ejemplo prototípico que da nombre a los mapas lineales es una función .F:RR:incógnitadoincógnita{\displaystyle f:\mathbb {R} \to \mathbb {R} :x\mapsto cx} , 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 homoteciavdov{\textstyle \mathbf {v} \mapsto c\mathbf {v} }Una aplicación lineal (donde c es un escalar) centrada en el origen de un espacio vectorial.
  • El mapa ceroincógnita0{\textstyle \mathbf {x} \mapsto \mathbf {0} }La 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 mapaincógnitaincógnita2{\textstyle x\mapsto x^{2}}no es lineal.
  • Para números reales, el mapaincógnitaincógnita+1{\textstyle x\mapsto x+1}no es lineal (pero es una transformación afín ).
  • SiA{\displaystyle A}es unmetro×norte{\displaystyle m\times n}matriz real , entoncesA{\displaystyle A}define un mapa lineal desdeRnorte{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}aRmetro{\displaystyle \mathbb {R} ^{m}}enviando un vector columnaincógnitaRnorte{\displaystyle \mathbf {x} \in \mathbb {R} ^{n}}al vector columna AincógnitaRmetro{\displaystyle A\mathbf {x} \in \mathbb {R} ^{m}} . Por el contrario, cualquier aplicación lineal entre espacios vectoriales de dimensión finita puede representarse de esta manera; véase §  Matrices , más adelante.
  • SiF:VW{\textstyle f:V\to W}es una isometría entre espacios normados reales tal queF(0)=0{\textstyle f(0)=0}entoncesF{\displaystyle f}es 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,ddincógnita(aF(incógnita)+bgramo(incógnita))=adF(incógnita)dincógnita+bdgramo(incógnita)dincógnita.{\displaystyle {\frac {d}{dx}}\left(af(x)+bg(x)\right)=a{\frac {df(x)}{dx}}+b{\frac {dg(x)}{dx}}.}
  • Una integral definida sobre algún intervalo I es una aplicación lineal del espacio de todas las funciones integrables de valor real en I a R{\displaystyle \mathbb {R} } . En efecto,v(aF(incógnita)+bgramo(incógnita))dincógnita=avF(incógnita)dincógnita+bvgramo(incógnita)dincógnita.{\displaystyle \int _{u}^{v}\left(af(x)+bg(x)\right)dx=a\int _{u}^{v}f(x)dx+b\int _{u}^{v}g(x)dx.}
  • 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 enR{\displaystyle \mathbb {R} }al espacio de todas las funciones diferenciables de valor real en R{\displaystyle \mathbb {R} }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.
  • SiV{\displaystyle V}yW{\displaystyle W}son espacios vectoriales de dimensión finita sobre un campo F , de dimensiones respectivas m y n , entonces la función que mapea mapeos linealesF:VW{\textstyle f:V\to W}a 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 aleatoriasincógnita{\displaystyle X}yY{\displaystyle Y}tenemosmi[incógnita+Y]=mi[incógnita]+mi[Y]{\displaystyle E[X+Y]=E[X]+E[Y]}ymi[aincógnita]=ami[incógnita]{\displaystyle E[aX]=aE[X]} . La esperanza condicional también lo es. Pero la varianza de una variable aleatoria no es lineal, porque, por ejemplo , ⁠Var(aincógnita)=a2Var(incógnita){\displaystyle {\text{Var}}(aX)=a^{2}{\text{Var}}(X)}.

Endomorfismos e isomorfismos lineales

Si una aplicación lineal es una biyección , entonces se llamaisomorfismo lineal . En el caso dondeV=W{\displaystyle V=W} , 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. Supongamosincógnita{\displaystyle X}yY{\displaystyle Y}son espacios vectoriales yF:SY{\displaystyle f:S\to Y}es una función definida en algún subconjuntoSincógnita{\displaystyle S\subseteq X} . Luego unextensión lineal deF{\displaystyle f}aincógnita,{\displaystyle X,}Si existe, es un mapa lineal.F:incógnitaY{\displaystyle F:X\to Y}definido enincógnita{\displaystyle X}que se extiendeF{\displaystyle f}[ nota 3 ] (lo que significa queF(s)=F(s){\displaystyle F(s)=f(s)}para todossS{\displaystyle s\in S}) y toma sus valores del codominio deF{\displaystyle f} . [ 8 ] Cuando el subconjuntoS{\displaystyle S}es un subespacio vectorial deincógnita{\displaystyle X}entonces un ( Y{\displaystyle Y}extensión lineal de valoresF{\displaystyle f}a todosincógnita{\displaystyle X}Se garantiza que existirá si (y solo si)F:SY{\displaystyle f:S\to Y}es una aplicación lineal. [ 8 ] En particular, siF{\displaystyle f}tiene una extensión lineal adurarS,{\displaystyle \operatorname {span} S,}entonces tiene una extensión lineal a todo incógnita{\displaystyle X}.

El mapaF:SY{\displaystyle f:S\to Y}se puede extender a un mapa linealF:durarSY{\displaystyle F:\operatorname {span} S\to Y}si y solo si siemprenorte>0{\displaystyle n>0}es un número entero,do1,,donorte{\displaystyle c_{1},\ldots ,c_{n}}son escalares ys1,,snorteS{\displaystyle s_{1},\ldots ,s_{n}\in S}son vectores tales que0=do1s1++donortesnorte{\displaystyle 0=c_{1}s_{1}+\cdots +c_{n}s_{n}} , entonces necesariamente0=do1F(s1)++donorteF(snorte){\displaystyle 0=c_{1}f\left(s_{1}\right)+\cdots +c_{n}f\left(s_{n}\right)} . [ 9 ] Si una extensión lineal deF:SY{\displaystyle f:S\to Y}Entonces existe la extensión linealF:durarSY{\displaystyle F:\operatorname {span} S\to Y}es único y F(do1s1+donortesnorte)=do1F(s1)++donorteF(snorte){\displaystyle F\left(c_{1}s_{1}+\cdots c_{n}s_{n}\right)=c_{1}f\left(s_{1}\right)+\cdots +c_{n}f\left(s_{n}\right)} Se aplica a todosnorte,do1,,donorte{\displaystyle n,c_{1},\ldots ,c_{n}}ys1,,snorte{\displaystyle s_{1},\ldots ,s_{n}}como se indicó anteriormente. [ 9 ] SiS{\displaystyle S}es linealmente independiente entonces cada funciónF:SY{\displaystyle f:S\to Y}en cualquier espacio vectorial tiene una extensión lineal a una aplicación (lineal).durarSY{\displaystyle \operatorname {span} S\to Y}(Lo contrario también es cierto).

Por ejemplo, siincógnita=R2{\displaystyle X=\mathbb {R} ^{2}}yY=R{\displaystyle Y=\mathbb {R} }luego la tarea(1,0)1{\displaystyle (1,0)\to -1}y(0,1)2{\displaystyle (0,1)\to 2}puede extenderse linealmente a partir del conjunto de vectores linealmente independientesS:={(1,0),(0,1)}{\displaystyle S:=\{(1,0),(0,1)\}}a un mapa lineal en durar{(1,0),(0,1)}=R2{\displaystyle \operatorname {span} \{(1,0),(0,1)\}=\mathbb {R} ^{2}} . La extensión lineal únicaF:R2R{\displaystyle F:\mathbb {R} ^{2}\to \mathbb {R} }es el mapa que envía(incógnita,y)=incógnita(1,0)+y(0,1)R2{\displaystyle (x,y)=x(1,0)+y(0,1)\in \mathbb {R} ^{2}}a F(incógnita,y)=incógnita(1)+y(2)=incógnita+2y.{\displaystyle F(x,y)=x(-1)+y(2)=-x+2y.}

Cada funcional lineal (con valores escalares)F{\displaystyle f}definido en un subespacio vectorial de un espacio vectorial real o complejoincógnita{\displaystyle X}tiene una extensión lineal a todo incógnita{\displaystyle X} . De hecho, el teorema de extensión dominada de Hahn-Banach incluso garantiza que cuando este funcional linealF{\displaystyle f}está dominado por alguna seminorma dadapag:incógnitaR{\displaystyle p:X\to \mathbb {R} }(lo que significa que|F(metro)|pag(metro){\displaystyle |f(m)|\leq p(m)}se aplica a todosmetro{\displaystyle m}en el dominio deF{\displaystyle f}) entonces existe una extensión lineal aincógnita{\displaystyle X}que también está dominado porpag{\displaystyle p}.

Matrices

SiV{\displaystyle V}yW{\displaystyle W}son espacios vectoriales de dimensión finita y se define una base para cada espacio vectorial, entonces cada aplicación lineal deV{\displaystyle V}aW{\displaystyle W}puede representarse mediante una matriz . [ 10 ] Esto es útil porque permite realizar cálculos concretos. Las matrices proporcionan ejemplos de aplicaciones lineales: siA{\displaystyle A}es un realmetro×norte{\displaystyle m\times n}matriz, entoncesF(incógnita)=Aincógnita{\displaystyle f(\mathbf {x} )=A\mathbf {x} }describe un mapa linealRnorteRmetro{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} ^{m}}(véase espacio euclidiano ).

Dejar{v1,,vnorte}{\displaystyle \{\mathbf {v} _{1},\ldots ,\mathbf {v} _{n}\}}ser una base paraV{\displaystyle V} . Entonces cada vectorvV{\displaystyle \mathbf {v} \in V}está determinado de forma única por los coeficientesdo1,,donorte{\displaystyle c_{1},\ldots ,c_{n}}en el campoR{\displaystyle \mathbb {R} }:v=do1v1++donortevnorte.{\displaystyle \mathbf {v} =c_{1}\mathbf {v} _{1}+\cdots +c_{n}\mathbf {v} _{n}.}

SiF:VW{\textstyle f:V\to W}es un mapa lineal, F(v)=F(do1v1++donortevnorte)=do1F(v1)++donorteF(vnorte),{\displaystyle f(\mathbf {v} )=f(c_{1}\mathbf {v} _{1}+\cdots +c_{n}\mathbf {v} _{n})=c_{1}f(\mathbf {v} _{1})+\cdots +c_{n}f\left(\mathbf {v} _{n}\right),}

lo que implica que la función f está completamente determinada por los vectores F(v1),,F(vnorte){\displaystyle f(\mathbf {v} _{1}),\ldots ,f(\mathbf {v} _{n})} . Ahora dejemos{w1,,wmetro}{\displaystyle \{\mathbf {w} _{1},\ldots ,\mathbf {w} _{m}\}}ser una base paraW{\displaystyle W} . Entonces podemos representar cada vectorF(vj){\displaystyle f(\mathbf {v} _{j})}como F(vj)=a1jw1++ametrojwmetro.{\displaystyle f\left(\mathbf {v} _{j}\right)=a_{1j}\mathbf {w} _{1}+\cdots +a_{mj}\mathbf {w} _{m}.}

Por lo tanto, la funciónF{\displaystyle f}está totalmente determinado por los valores de aij{\displaystyle a_{ij}} . Si ponemos estos valores en unmetro×norte{\displaystyle m\times n}matrizMETRO{\displaystyle M} , entonces podemos usarlo convenientemente para calcular la salida vectorial deF{\displaystyle f}para cualquier vector enV{\displaystyle V} . Para obtenerMETRO{\displaystyle M}, cada columnaj{\displaystyle j}deMETRO{\displaystyle M}es un vector (a1jametroj){\displaystyle {\begin{pmatrix}a_{1j}\\\vdots \\a_{mj}\end{pmatrix}}} correspondiente aF(vj){\displaystyle f(\mathbf {v} _{j})}como se definió anteriormente. Para definirlo más claramente, para alguna columnaj{\displaystyle j}que corresponde al mapeoF(vj){\displaystyle f(\mathbf {v} _{j})} , METRO=( a1j ametroj){\displaystyle \mathbf {M} ={\begin{pmatrix}\ \cdots &a_{1j}&\cdots \ \\&\vdots &\\&a_{mj}&\end{pmatrix}}} dóndeMETRO{\displaystyle M}es la matriz deF{\displaystyle f} . En otras palabras, cada columnaj=1,,norte{\displaystyle j=1,\ldots ,n}tiene un vector correspondienteF(vj){\displaystyle f(\mathbf {v} _{j})}cuyas coordenadasa1j,,ametroj{\displaystyle a_{1j},\cdots ,a_{mj}}son los elementos de la columnaj{\displaystyle j}Una 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:

  1. Matriz paraT{\textstyle T}relativo aB{\displaystyle B}:A{\textstyle A}
  2. Matriz paraT{\textstyle T}relativo aB{\displaystyle B'}:A{\textstyle A'}
  3. Matriz de transición desdeB{\textstyle B'}aB{\displaystyle B}:PAG{\textstyle P}
  4. Matriz de transición desdeB{\textstyle B}aB{\displaystyle B'}:PAG1{\textstyle P^{-1}}
La relación entre matrices en una transformación lineal

De tal manera que comenzando en la esquina inferior izquierda[v]B{\textstyle \left[\mathbf {v} \right]_{B'}}y buscando la esquina inferior derecha[T(v)]B{\displaystyle \textstyle \left[T\left(\mathbf {v} \right)\right]_{B'}} , se multiplicaría por la izquierda, es decir,A[v]B=[T(v)]B{\displaystyle \textstyle A'\left[\mathbf {v} \right]_{B'}=\left[T\left(\mathbf {v} \right)\right]_{B'}} . El método equivalente sería el método "más largo" que va en sentido horario desde el mismo punto, de manera que[v]B{\textstyle \left[\mathbf {v} \right]_{B'}}se multiplica por la izquierda con PAG1APAG{\displaystyle P^{-1}AP}, oPAG1APAG[v]B=[T(v)]B{\displaystyle \textstyle P^{-1}AP\left[\mathbf {v} \right]_{B'}=\left[T\left(\mathbf {v} \right)\right]_{B'}}.

Ejemplos en dos dimensiones

En el espacio bidimensional , 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:A=(0110){\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}}}
    • por un ángulo θ en sentido antihorario:A=(porqueθpecadoθpecadoθporqueθ){\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}\cos \theta &-\sin \theta \\\sin \theta &\cos \theta \end{pmatrix}}}
  • reflexión
    • a través del eje x :A=(1001){\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}}}
    • a través del eje y :A=(1001){\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}-1&0\\0&1\end{pmatrix}}}
    • a través de una línea que forma un ángulo θ con el origen:A=(porque2θpecado2θpecado2θporque2θ){\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}\cos 2\theta &\sin 2\theta \\\sin 2\theta &-\cos 2\theta \end{pmatrix}}}
  • escalado por 2 en todas las direcciones:A=(2002)=2I{\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}2&0\\0&2\end{pmatrix}}=2\mathbf {I} }
  • Mapeo de la cizalladura horizontal :A=(1metro01){\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}1&m\\0&1\end{pmatrix}}}
  • desviación del eje y por un ángulo θ :A=(1pecadoθ0porqueθ){\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}1&-\sin \theta \\0&\cos \theta \end{pmatrix}}}
  • mapeo de compresión :A=(k001k){\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}k&0\\0&{\frac {1}{k}}\end{pmatrix}}}
  • proyección sobre el eje y :A=(0001).{\displaystyle \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}0&0\\0&1\end{pmatrix}}.}

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: siF:VW{\displaystyle f:V\to W}ygramo:WZ{\textstyle g:W\to Z}Si son lineales, entonces también lo es su composición .gramoF:VZ{\displaystyle g\circ f:V\to Z} . 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.

SiF1:VW{\textstyle f_{1}:V\to W}yF2:VW{\textstyle f_{2}:V\to W}Si son lineales, entonces también lo es su suma puntual .F1+F2{\displaystyle f_{1}+f_{2}} , que se define por(F1+F2)(incógnita)=F1(incógnita)+F2(incógnita){\displaystyle (f_{1}+f_{2})(\mathbf {x} )=f_{1}(\mathbf {x} )+f_{2}(\mathbf {x} )}.

SiF:VW{\textstyle f:V\to W}es lineal yα{\textstyle \alpha }es un elemento del campo terrestreK{\displaystyle K} , luego el mapaαF{\displaystyle \alpha f} , definido por(αF)(incógnita)=α(F(incógnita)){\displaystyle (\alpha f)(\mathbf {x} )=\alpha (f(\mathbf {x} ))} , también es lineal.

Por lo tanto, el conjuntoL(V,W){\textstyle {\mathcal {L}}(V,W)}de mapas lineales deV{\textstyle V}aW{\textstyle W}forma en sí mismo un espacio vectorial sobre K{\displaystyle K} , [ 11 ] a veces denotadoInicio(V,W){\displaystyle \operatorname {Hom} (V,W)} . [ 12 ] Además, en el caso de queV=W{\displaystyle V=W} , este espacio vectorial, denotadoFin(V){\displaystyle \operatorname {End} (V)} , 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 linealF:VV{\textstyle f:V\to V}es un endomorfismo deV{\textstyle V}; el conjunto de todos esos endomorfismosFin(V){\textstyle \operatorname {End} (V)} 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.K{\textstyle K}(y en particular un anillo ). El elemento identidad multiplicativo de esta álgebra es la aplicación identidad .identificación:VV{\displaystyle \operatorname {id} :V\to V}.

Un endomorfismo deV{\textstyle V}que también es un isomorfismo se llama automorfismo deV{\displaystyle V} . La composición de dos automorfismos es nuevamente un automorfismo, y el conjunto de todos los automorfismos deV{\textstyle V}forma un grupo , el grupo de automorfismos deV{\textstyle V}que se denota porAutomático(V){\textstyle \operatorname {Aut} (V)}oGL(V){\displaystyle \operatorname {GL} (V)} . Dado que los automorfismos son precisamente aquellos endomorfismos que poseen inversos bajo composición,Automático(V){\textstyle \operatorname {Aut} (V)}es el grupo de unidades en el anilloFin(V){\displaystyle \operatorname {End} (V)}.

SiV{\textstyle V}tiene dimensión finitanorte{\displaystyle n}, entoncesFin(V){\textstyle \operatorname {End} (V)}es isomorfo al álgebra asociativa de todosnorte×norte{\textstyle n\times n}matrices con entradas en K{\displaystyle K} . El grupo de automorfismos deV{\textstyle V}es isomorfo al grupo lineal generalGL(norte,K){\textstyle \operatorname {GL} (n,K)}de todosnorte×norte{\textstyle n\times n}matrices invertibles con entradas enK{\displaystyle K}.

Núcleo, imagen y el teorema de rango-nulidad

SiF:VW{\textstyle f:V\to W}es lineal, definimos el núcleo y la imagen o rango deF{\textstyle f}por ker(F)={incógnitaV:F(incógnita)=0}soy(F)={wW:w=F(incógnita),incógnitaV}{\displaystyle {\begin{aligned}\ker(f)&=\{\,\mathbf {x} \in V:f(\mathbf {x} )=\mathbf {0} \,\}\\\operatorname {im} (f)&=\{\,\mathbf {w} \in W:\mathbf {w} =f(\mathbf {x} ),\mathbf {x} \in V\,\}\end{aligned}}}

ker(F){\textstyle \ker(f)}es un subespacio deV{\textstyle V}ysoy(F){\textstyle \operatorname {im} (f)}es un subespacio deW{\displaystyle W} . La siguiente fórmula de dimensión se conoce como el teorema de rango-nulidad : [ 13 ]oscuro(ker(F))+oscuro(soy(F))=oscuro(V).{\displaystyle \dim(\ker(f))+\dim(\operatorname {im} (f))=\dim(V).}

El númerooscuro(soy(F)){\textstyle \dim(\operatorname {im} (f))}También se le llama rango deF{\textstyle f}y escrito comorango(F){\displaystyle \operatorname {rank} (f)} , o a veces,ρ(F){\displaystyle \rho (f)}; [ 14 ] [ 15 ] el númerooscuro(ker(F)){\textstyle \dim(\ker(f))}se llama la nulidad deF{\textstyle f}y escrito comonulo(F){\textstyle \operatorname {null} (f)}oν(F){\displaystyle \nu (f)} . [ 14 ] [ 15 ] SiV{\textstyle V}yW{\textstyle W}son de dimensión finita, se han elegido bases yF{\textstyle f}está representada por la matriz A{\displaystyle A} , entonces el rango y la nulidad deF{\textstyle f}son iguales al rango y la nulidad de la matriz .A{\displaystyle A}, respectivamente.

Cokernel

Un invariante más sutil de una transformación linealF:VW{\textstyle f:V\to W}es el co núcleo , que se define como coquería(F):=W/F(V)=W/soy(F).{\displaystyle \operatorname {coker} (f):=W/f(V)=W/\operatorname {im} (f).}

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 exacta0ker(F)VWcoquería(F)0.{\displaystyle 0\to \ker(f)\to V\to W\to \operatorname {coker} (f)\to 0.}

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 2R 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 WR , (a,b)(a){\displaystyle (a,b)\mapsto (a)} : 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 ,{anorte}{bnorte}{\textstyle \left\{a_{n}\right\}\mapsto \left\{b_{n}\right\}}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 ( 0+0=0+1{\displaystyle \aleph _{0}+0=\aleph _{0}+1} ), 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 ,{anorte}{donorte}{\textstyle \left\{a_{n}\right\}\mapsto \left\{c_{n}\right\}}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: Indiana(F):=oscuro(ker(F))oscuro(coquería(F)),{\displaystyle \operatorname {ind} (f):=\dim(\ker(f))-\dim(\operatorname {coker} (f)),} 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 → VW → 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  : VW una aplicación lineal.

Monomorfismo

Se dice que T es inyectivo o un monomorfismo si se cumple alguna de las siguientes condiciones equivalentes:

  1. T es biyectivo como una aplicación de conjuntos .
  2. ker T = {0 V }
  3. dim(ker T ) = 0
  4. T es mónico o cancelable por la izquierda, lo que significa que, para cualquier espacio vectorial U y cualquier par de aplicaciones lineales R : UV y S  : UV , la ecuación TR = TS implica R = S .
  5. 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:

  1. T se representa como un mapa de conjuntos.
  2. coque T = {0 W }
  3. T es épico o cancelable por la derecha, lo que significa que, para cualquier espacio vectorial U y cualquier par de aplicaciones lineales R  : WU y S  : WU , la ecuación RT = ST implica R = S .
  4. T es invertible por la derecha , lo que significa que existe una aplicación lineal S  : WV 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  : VV 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 B[v]=AB[]{\displaystyle B\left[v'\right]=AB\left[u'\right]} por eso [v]=B1AB[]=A[].{\displaystyle \left[v'\right]=B^{-1}AB\left[u'\right]=A'\left[u'\right].}

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

Notas

  1. 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 .
  2. Aunque se utilice el mismo símbolo +, la operación definida enV{\displaystyle V}y la definida enW{\displaystyle W}no son necesariamente lo mismo.
  3. Un mapaF{\displaystyle F}Se dice que extiende otro mapaF{\displaystyle f}si cuandoF{\displaystyle f}se define en un puntos{\displaystyle s} , entonces también lo esF{\displaystyle F}yF(s)=F(s).{\displaystyle F(s)=f(s).}

Referencias

  1. Rudin 1991 , pág. 14 Aquí hay algunas propiedades de las aplicaciones lineales Λ:incógnitaY{\textstyle \Lambda :X\to Y}cuyas pruebas son tan fáciles que las omitimos; se supone queAincógnita{\textstyle A\subset X}yBY{\textstyle B\subset Y}:
    1. Λ0=0.{\textstyle \Lambda 0=0.}
    2. Si A es un subespacio (o un conjunto convexo , o un conjunto equilibrado ), lo mismo es cierto paraΛ(A){\textstyle \Lambda (A)}
    3. Si B es un subespacio (o un conjunto convexo, o un conjunto equilibrado), lo mismo es cierto paraΛ1(B){\textstyle \Lambda ^{-1}(B)}
    4. En particular, el conjunto:Λ1({0})={incógnitaincógnita:Λincógnita=0}=norte(Λ){\displaystyle \Lambda ^{-1}(\{0\})=\{\mathbf {x} \in X:\Lambda \mathbf {x} =0\}={N}(\Lambda )}es un subespacio de X , llamado espacio nulo de Λ{\displaystyle \Lambda }
  2. Rudin 1991 , p. 14. Supongamos ahora que X e Y son espacios vectoriales sobre el mismo campo escalar . Una aplicación Λ:incógnitaY{\textstyle \Lambda :X\to Y}Se dice que es lineal siΛ(αincógnita+βy)=αΛincógnita+βΛy{\textstyle \Lambda (\alpha \mathbf {x} +\beta \mathbf {y} )=\alpha \Lambda \mathbf {x} +\beta \Lambda \mathbf {y} }a pesar deincógnita,yincógnita{\textstyle \mathbf {x} ,\mathbf {y} \in X}y todos los escalaresα{\textstyle \alpha }yβ{\displaystyle \beta } . Nótese que a menudo se escribeΛincógnita{\displaystyle \Lambda \mathbf {x} } , en lugar deΛ(incógnita){\displaystyle \Lambda (\mathbf {x} )} , cuandoΛ{\textstyle \Lambda }es lineal.
  3. 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(incógnita1+incógnita2)=Aincógnita1+Aincógnita2, A(doincógnita)=doAincógnita{\textstyle A\left(\mathbf {x} _{1}+\mathbf {x} _{2}\right)=A\mathbf {x} _{1}+A\mathbf {x} _{2},\ A(c\mathbf {x} )=cA\mathbf {x} }a pesar deincógnita,incógnita1,incógnita2incógnita{\textstyle \mathbf {x} ,\mathbf {x} _{1},\mathbf {x} _{2}\in X}y todos los escalares c . Nótese que a menudo se escribeAincógnita{\textstyle A\mathbf {x} }en lugar deA(incógnita){\textstyle A(\mathbf {x} )}si A es lineal.
  4. Rudin 1991 , p. 14. Las aplicaciones lineales de X sobre su campo escalar se denominan funcionales lineales . 
  5. "terminología - ¿Qué significa 'lineal' en álgebra lineal?" . Mathematics Stack Exchange . Consultado el 17 de febrero de 2021 .
  6. Wilansky 2013 , págs. 21–26.
  7. "Las transformaciones lineales de V en V se denominan a menudo operadores lineales en V. " Rudin 1976 , p. 207 
  8. 1 2 Kubrusly 2001 , pág. 57.
  9. ^ Schechter 1996 , págs. 277–280.
  10. Rudin 1976 , pág. 210 
  11. Axler (2015) pág. 52, § 3.3
  12. Martes 2011 , pág. 19, § 3.1 
  13. Horn & Johnson 2013 , 0.2.3 Espacios vectoriales asociados a una transformación matricial o lineal, pág. 6
  14. ^ Katznelson y Katznelson (2008) pág. 52, § 2.5.1
  15. ^ Halmos (1974) pág. 90, artículo 50
  16. 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."
  17. Rudin 1991 , pág. 15 1.18 Teorema Sea Λ{\textstyle \Lambda }Sea un funcional lineal en un espacio vectorial topológico X. Supongamos queΛincógnita0{\displaystyle \Lambda \mathbf {x} \neq 0}para algunosincógnitaincógnita{\displaystyle \mathbf {x} \in X} . Entonces, cada una de las siguientes cuatro propiedades implica las otras tres:
    1. Λ{\textstyle \Lambda }es continuo
    2. El espacio nulonorte(Λ){\textstyle N(\Lambda )}Está cerrado.
    3. norte(Λ){\textstyle N(\Lambda )}no es denso en X.
    4. Λ{\textstyle \Lambda }está delimitado en algún entorno V de 0 .

Bibliografía