Argomenti: Basi di uno spazio vettoriale; Base canonica di ℝ^(n); Unicità delle coordinate; Esercizio: una base di un sottospazio di ℝ³.
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1 Basi di uno spazio vettoriale
Definizione 1 (Base). Sia V uno spazio vettoriale sul campo K. I vettori v1,v2,…,vn∈V costituiscono una base di V se:
sono generatori di V, cioè V=span{v1,…,vn};
sono linearmente indipendenti, ossia ∀(α1,…,αn)∈Kn:α1v1+⋯+αnvn=0⟹α1=⋯=αn=0.∀(α1,…,αn)∈Kn:α1v1+⋯+αnvn=0⟹α1=⋯=αn=0.
Una base è dunque un sistema di generatori linearmente indipendenti. Le due condizioni devono valere entrambe: indicando con B la famiglia dei vettori, Beˋ una base di V⟺(V=spanB)∧(Beˋ linearmente indipendente).
2 Base canonica di Rn
Nello spazio vettoriale Rn si considera la base canonicaE={e1,e2,…,en}, dove ei ha la i-esima componente uguale a 1 e tutte le altre nulle: e1=10⋮0,e2=01⋮0,…,en=00⋮1. In particolare, in R2 la base canonica è {(10),(01)}, mentre in R3 è ⎩⎨⎧100,010,001⎭⎬⎫. La matrice che ha per colonne i vettori della base canonica è la matrice identità: In=10⋮001⋮0⋯⋯⋱⋯00⋮1=[e1e2⋯en].
2.1 Dimostrazione che la base canonica è una base
Dimostrazione. Verifichiamo le due condizioni della definizione.
1. I vettori canonici generano Rn. Sia v=x1x2⋮xn∈Rn. Cerchiamo α1,…,αn∈R tali che α1e1+α2e2+⋯+αnen=v. Sostituendo le componenti dei vettori canonici, otteniamo α1α2⋮αn=x1x2⋮xn, da cui αi=xi per ogni i=1,…,n. Pertanto ogni vettore di Rn è combinazione lineare dei vettori canonici, quindi Rn=span{e1,…,en}.
2. I vettori canonici sono linearmente indipendenti. Consideriamo α1e1+⋯+αnen=0. Per confronto delle componenti, α1⋮αn=0⋮0⟹α1=⋯=αn=0. L’indipendenza si riconosce anche dalla matrice identità: rg(In)=n e il sistema omogeneo Inα=0 ha la sola soluzione nulla.
Le due condizioni sono soddisfatte: E è una base di Rn. ◻
3 Unicità delle coordinate
Proposizione 2 (Unicità delle coordinate rispetto a una base). Sia B={v1,…,vn} una base di uno spazio vettoriale V su K. Per ogni v∈V esistono unici scalari α1,…,αn∈K tali che v=α1v1+⋯+αnvn. Gli scalari α1,…,αn sono le coordinate di v rispetto alla base B.
Dimostrazione. Poiché B è un insieme di generatori, per ogni v∈V esiste almeno una rappresentazione v=α1v1+⋯+αnvn.(1) Supponiamo che esista un’altra rappresentazione dello stesso vettore: v=β1v1+⋯+βnvn.(2) Sottraendo (2) da (1), si ottiene 0=(α1−β1)v1+⋯+(αn−βn)vn. Poiché i vettori della base sono linearmente indipendenti, tutti i coefficienti devono essere nulli: αi−βi=0(i=1,…,n).αi−βi=0(i=1,…,n). Ne segue αi=βi per ogni i: le coordinate sono uniche. ◻
4 Esercizio: una base di un sottospazio di R3
Esempio 3. Consideriamo il sottospazio vettoriale G=⎩⎨⎧aa+bb:a,b∈R⎭⎬⎫⊆R3 e i vettori v1=121,v2=−112. Verifichiamo che {v1,v2} è una base di G.
Indipendenza lineare. Consideriamo λ1v1+λ2v2=0. Il sistema associato è ⎩⎨⎧λ1−λ2=0,2λ1+λ2=0,λ1+2λ2=0. Le prime due equazioni implicano λ1=λ2=0, dunque i vettori sono linearmente indipendenti.
Generazione di G. Per ogni v∈G cerchiamo λ1,λ2 tali che λ1121+λ2−112=aa+bb. Il sistema è ⎩⎨⎧λ1−λ2=a,2λ1+λ2=a+b,λ1+2λ2=b. La matrice completa si riduce come segue: 121−112aa+bbR2←R2−2R1R3←R3−R1100−133ab−ab−aR3←R3−R2100−130ab−a0. Per ogni a,b∈R si ha rg(A)=rg(A∣v)=2: il sistema ammette un’unica soluzione, λ2=3b−a,λ1=32a+b.λ2=3b−a,λ1=32a+b. Quindi ogni vettore di G è combinazione lineare di v1 e v2. Essendo anche linearmente indipendenti, essi costituiscono una base di G: BG=⎩⎨⎧121,−112⎭⎬⎫.