Argomenti: Proprietà dei spazi vettoriali; Sottospazi vettoriali; Combinazioni lineari; Span: sottospazio generato.
6 min di lettura
1 Proprietà dei spazi vettoriali
1.1 Unicità dell’elemento opposto
Proposizione 1. In uno spazio vettoriale V sul campo K, ogni vettore v∈V possiede un unico elemento opposto, indicato con −v.
Esempio 2. Per i vettori v=(12),w=(−1−2), si ha v+w=(00). Pertanto w è l’opposto di v.
Dimostrazione. Supponiamo per assurdo che v abbia due opposti distinti w e w′. Allora v+w=0 e v+w′=0. Usando l’associatività e la commutatività della somma, si ottiene w=w+0=w+(v+w′)=(w+v)+w′=0+w′=w′. Ciò contraddice l’ipotesi che i due opposti siano distinti. ◻
1.2 Legge di cancellazione
Proposizione 3. Sia V uno spazio vettoriale sul campo K. Per ogni x,y,z∈V, x+y=x+z⟹y=z.
Dimostrazione. Sia −x l’opposto di x, così che x+(−x)=0. Allora y=0+y=(x+(−x))+y=(x+y)+(−x)=(x+z)+(−x)=(x+(−x))+z=0+z=z. ◻
1.3 Prodotto per lo scalare zero
Proposizione 4. Per ogni v∈V, si ha 0⋅v=0.
Dimostrazione. Per la proprietà distributiva, 0⋅v=(0+0)⋅v=0⋅v+0⋅v. Poiché 0⋅v=0⋅v+0, segue che 0⋅v+0=0⋅v+0⋅v. Applicando la legge di cancellazione, si ottiene 0=0⋅v. ◻
Esercizio 5. Dimostrare le seguenti proprietà:
(−1)v=−v, dove −v è l’elemento opposto di v;
se λv=0, allora λ=0 oppure v=0.
2 Sottospazi vettoriali
Definizione 6. Sia V uno spazio vettoriale sul campo K e sia U⊆V un sottoinsieme non vuoto. U è un sottospazio vettoriale di V se sono soddisfatte le seguenti proprietà:
Chiusura rispetto alla somma:∀u,v∈U:u+v∈U.∀u,v∈U:u+v∈U.
Chiusura rispetto al prodotto per uno scalare:∀u∈U∀λ∈K:λu∈U.∀u∈U∀λ∈K:λu∈U.
Per verificare che un sottoinsieme non vuoto U sia un sottospazio vettoriale di V, basta verificare queste due proprietà: le altre proprietà si ereditano dallo spazio vettoriale V.
Osservazione. Se 0∈/U, allora U non è un sottospazio vettoriale di V.
2.1 Esempi di verifica
Esempio 7. Verificare se U=⎩⎨⎧ab2ba,b∈R⎭⎬⎫⊆R3 è un sottospazio vettoriale di R3.
L’inclusione U⊆R3 non basta, da sola, a garantire che U sia un sottospazio. Verifichiamo le due proprietà.
Somma. Siano u=a1b12b1,v=a2b22b2,a1,a2,b1,b2∈R. Allora u+v=a1+a2b1+b22(b1+b2)=a3b32b3∈U, dove a3=a1+a2∈R e b3=b1+b2∈R.
Prodotto per uno scalare. Siano u=ab2b∈U e λ∈R. Si ha λu=λaλb2λb=a4b42b4∈U, dove a4=λa∈R e b4=λb∈R.
Inoltre 0∈U, scegliendo a=b=0. Le due proprietà sono verificate, quindi U è un sottospazio vettoriale di R3.
Esercizio 8. Verificare se U=⎩⎨⎧a2aba,b∈Q⎭⎬⎫⊆R3 è un sottospazio vettoriale di R3 sul campo R.
Somma. Presi v1=a12a1b1,v2=a22a2b2,a1,a2,b1,b2∈Q, si ottiene v1+v2=a1+a22(a1+a2)b1+b2=a32a3b3∈U, poiché a3=a1+a2∈Q e b3=b1+b2∈Q.
Prodotto per uno scalare. La chiusura deve valere per ogni λ∈R. Scegliendo v=120∈U,λ=2, si ha λv=2220∈/U, poiché 2∈/Q. Pertanto U non è un sottospazio vettoriale di R3 sul campo R.
Esempio 9. Consideriamo U={(xy)∈R2x+y=1}. Il vettore 0=(00) non appartiene a U, poiché 0+0=1. Dunque U non è un sottospazio vettoriale di R2.
2.2 Soluzioni di un sistema omogeneo
Proposizione 10. L’insieme S delle soluzioni di un sistema lineare omogeneo in n incognite a coefficienti reali è un sottospazio vettoriale di Rn.
Dimostrazione. Scriviamo l’i-esima equazione del sistema nella forma ai1x1+ai2x2+⋯+ainxn=0.Vettore nullo. Sostituendo x1=⋯=xn=0, ogni equazione diventa 0=0. Quindi 0=0⋮0∈S.
Chiusura rispetto alla somma. Siano x=x1⋮xn∈S,y=y1⋮yn∈S. Per ogni equazione del sistema si ha ai1x1+⋯+ainxnai1y1+⋯+ainyn=0,=0. Sostituendo le componenti di x+y=x1+y1⋮xn+yn, si ottiene ai1(x1+y1)+⋯+ain(xn+yn)=(ai1x1+⋯+ainxn)+(ai1y1+⋯+ainyn)=0+0=0. Pertanto x+y∈S.
Chiusura rispetto al prodotto per uno scalare. Siano x∈S e λ∈R. Per ogni equazione, ai1(λx1)+⋯+ain(λxn)=λ(ai1x1+⋯+ainxn)=λ⋅0=0. Quindi λx∈S. Le proprietà richieste sono verificate. ◻
Osservazione 11 (Sottospazio banale). L’insieme {0}, contenente soltanto il vettore nullo, è un sottospazio vettoriale, detto sottospazio banale.
Attenzione. L’insieme delle soluzioni di un sistema lineare non omogeneo non è un sottospazio vettoriale di Rn. Infatti esiste almeno un’equazione ai1x1+⋯+ainxn=bi,bi=0.ai1x1+⋯+ainxn=bi,bi=0. Il vettore nullo non soddisfa questa equazione; pertanto non appartiene all’insieme delle soluzioni.
3 Combinazioni lineari
Definizione 12. Sia V uno spazio vettoriale sul campo K. Dati m vettori v1,…,vm∈V e m scalari λ1,…,λm∈K, il vettore w=λ1v1+λ2v2+⋯+λmvm=i=1∑mλivi si dice combinazione lineare dei vettori v1,…,vm con coefficienti λ1,…,λm.
Esempio 13. Consideriamo i vettori di R5v1=12046,v2=41310,v3=00110 e i coefficienti λ1=1, λ2=2, λ3=−1. La combinazione lineare corrispondente è w=v1+2v2−v3=12046+241310−00110=94556.
4 Span: sottospazio generato
Definizione 14. Sia V uno spazio vettoriale sul campo K e siano v1,…,vm∈V. Si dice span di v1,…,vm, o sottospazio vettoriale generato da tali vettori, l’insieme di tutte le loro combinazioni lineari: Span(v1,…,vm)={λ1v1+⋯+λmvm∣λ1,…,λm∈K}.
Esempio 15. Siano v1=123,v2=010. Allora Span(v1,v2)=⎩⎨⎧λ123+β010λ,β∈R⎭⎬⎫.
Proposizione 16. Se v1,…,vm∈V, allora W=Span(v1,…,vm) è un sottospazio vettoriale di V.
Dimostrazione.Vettore nullo. Scegliendo tutti i coefficienti uguali a zero, si ottiene 0v1+⋯+0vm=0∈W.
Chiusura rispetto alla somma. Siano w1,w2∈W. Esistono coefficienti λ1,…,λm∈K e β1,…,βm∈K tali che w1w2=λ1v1+⋯+λmvm,=β1v1+⋯+βmvm. Pertanto w1+w2=(λ1v1+⋯+λmvm)+(β1v1+⋯+βmvm)=(λ1+β1)v1+⋯+(λm+βm)vm=γ1v1+⋯+γmvm∈W, dove γi=λi+βi∈K per ogni i.
Chiusura rispetto al prodotto per uno scalare. Siano w∈W e k∈K. Scrivendo w=λ1v1+⋯+λmvm, si ha kw=(kλ1)v1+⋯+(kλm)vm∈W, poiché kλi∈K per ogni i. Quindi W è un sottospazio vettoriale di V. ◻