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Universidad · Álgebra I
Aplicaciones lineales · Transformaciones lineales

Linealidad, núcleo e imagen

Un sensor mide tres magnitudes de un sistema y devuelve un solo número. Dos estados distintos pueden dar la misma lectura, y algunas lecturas quizá no las produzca ningún estado. ¿Cuánta información se pierde y cuántas lecturas son posibles? Las aplicaciones lineales responden con dos subespacios, el núcleo y la imagen, y con una ecuación que los une.

Aplicaciones lineales

La idea: $T$ respeta las dos operaciones del espacio. Da igual sumar o escalar antes de aplicar $T$ que después. Por eso una aplicación lineal queda determinada por lo que hace con una base.

Diagrama conmutativo: sumar y luego aplicar T da lo mismo que aplicar T a cada vector y luego sumar. (u, v) (T(u), T(v)) u + v T(u + v) aplicar T aplicar T sumar sumar
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Estudia si $T:\mathbb R^2\to\mathbb R^2$, $T(x,y)=(2x-y,3y)$, es lineal y calcula $T(1,-2)$.

Estudia si $T:\mathbb R^2\to\mathbb R^2$, $T(x,y)=(2x-y,3y)$, es lineal y calcula $T(1,-2)$.

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Decide si $F:\mathbb R^2\to\mathbb R^2$, $F(x,y)=(x+1,y)$, es lineal. Justifica con una condición necesaria.

Decide si $F:\mathbb R^2\to\mathbb R^2$, $F(x,y)=(x+1,y)$, es lineal. Justifica con una condición necesaria.

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Estudia la linealidad de la conjugación $C:\mathbb C\to\mathbb C$, $C(z)=\overline z$, sobre $\mathbb R$ y sobre $\mathbb C$. En el caso lineal, da núcleo e imagen.

Estudia la linealidad de la conjugación $C:\mathbb C\to\mathbb C$, $C(z)=\overline z$, sobre $\mathbb R$ y sobre $\mathbb C$. En el caso lineal, da núcleo e imagen.

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Núcleo e imagen

El núcleo recoge los estados que el sensor registra como cero; la imagen, las lecturas que realmente pueden darse.

¿Por qué son subespacios? Si $T(u)=T(v)=0$, entonces $T(\lambda u+\mu v)=0$. Y si $w_1=T(u)$, $w_2=T(v)$, entonces $\lambda w_1+\mu w_2=T(\lambda u+\mu v)$ también está en la imagen.

La aplicación T lleva el espacio V a W; el núcleo de V se colapsa al vector cero de W y la imagen es un subespacio de W. V W ker T Im T 0
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Para $T:\mathbb R^3\to\mathbb R^2$, $T(x,y,z)=(x,y)$, determina núcleo, imagen e inyectividad. La proyección del esquema conserva las dos primeras coordenadas de cada…

Para $T:\mathbb R^3\to\mathbb R^2$, $T(x,y,z)=(x,y)$, determina núcleo, imagen e inyectividad.

La proyección del esquema conserva las dos primeras coordenadas de cada estado.

O z y x x y z₁ z₂ (x, y, 0) Q = (x, y, z₂) P = (x, y, z₁)
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Un sensor ideal da $T(x,y,z)=2x-y+z$. Describe los estados que el sensor registra como cero y decide si cualquier lectura real es posible.

Un sensor ideal da $T(x,y,z)=2x-y+z$. Describe los estados que el sensor registra como cero y decide si cualquier lectura real es posible.

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Calcula bases del núcleo y de la imagen de $T(x,y,z)=(x+y,y+z,x+2y+z)$ y verifica el teorema rango-nulidad.

Calcula bases del núcleo y de la imagen de $T(x,y,z)=(x+y,y+z,x+2y+z)$ y verifica el teorema rango-nulidad.

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Inyectividad, sobreyectividad y fibras

En el plano, el núcleo es una recta por el origen y cada fibra es una recta paralela desplazada. ker T fibras T⁻¹(w)
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Sea $T:\mathbb R^2\to\mathbb R^3$, $T(x,y)=(x,y,x+y)$. Encuentra una base de su imagen y decide si es inyectiva.

Sea $T:\mathbb R^2\to\mathbb R^3$, $T(x,y)=(x,y,x+y)$. Encuentra una base de su imagen y decide si es inyectiva.

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Para $T_a:\mathbb R^2\to\mathbb R^2$, $T_a(x,y)=(x+ay,ax+y)$, clasifica inyectividad y sobreyectividad según $a\in\mathbb R$.

Para $T_a:\mathbb R^2\to\mathbb R^2$, $T_a(x,y)=(x+ay,ax+y)$, clasifica inyectividad y sobreyectividad según $a\in\mathbb R$.

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Sea $E:\mathcal P_2(\mathbb R)\to\mathbb R^2$, $E(p)=(p(0),p(1))$. Obtén su núcleo, imagen y todas las preimágenes de $(2,3)$.

Sea $E:\mathcal P_2(\mathbb R)\to\mathbb R^2$, $E(p)=(p(0),p(1))$. Obtén su núcleo, imagen y todas las preimágenes de $(2,3)$.

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Teorema rango-nulidad

La dimensión de V se reparte en la parte que se anula, el núcleo, y la parte que sobrevive en la imagen. dim ker T dim Im T dim V lo que se pierde + lo que se conserva
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Un sistema de medición asigna $T(x,y,z)=(x+y,2x+2y,z)$. Identifica la redundancia de las lecturas y el grado de libertad del estado que no se puede recuperar. El…

Un sistema de medición asigna $T(x,y,z)=(x+y,2x+2y,z)$. Identifica la redundancia de las lecturas y el grado de libertad del estado que no se puede recuperar.

El diagrama organiza las entradas y las tres lecturas del sistema.

x y z T x + y 2x + 2y z
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Demuestra el teorema rango-nulidad para $T:V\to W$ con $V$ de dimensión finita completando una base de $\ker T$ a una de $V$.

Demuestra el teorema rango-nulidad para $T:V\to W$ con $V$ de dimensión finita completando una base de $\ker T$ a una de $V$.

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Sean $V,W$ reales de dimensiones cuatro y tres. ¿Existe una aplicación lineal $T:V\to W$ con núcleo de dimensión cero? ¿Y de dimensión dos? Razona y construye un ejemplo…

Sean $V,W$ reales de dimensiones cuatro y tres. ¿Existe una aplicación lineal $T:V\to W$ con núcleo de dimensión cero? ¿Y de dimensión dos? Razona y construye un ejemplo del segundo caso en coordenadas.

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Más allá de $\mathbb R^n$: polinomios, matrices y definición por bases

El núcleo y la imagen se definen igual en polinomios o matrices: se escoge una base, se calculan las imágenes de sus elementos y se razona con coordenadas.

La derivada lleva los polinomios de grado menor o igual que dos a los de grado menor o igual que uno, y las constantes forman el núcleo. P₂: 1, x, x² P₁: 1, x D ker D = constantes Im D = P₁
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Considera la derivación $D:\mathcal P_2(\mathbb R)\to\mathcal P_1(\mathbb R)$. Comprueba que es lineal y calcula su núcleo e imagen.

Considera la derivación $D:\mathcal P_2(\mathbb R)\to\mathcal P_1(\mathbb R)$. Comprueba que es lineal y calcula su núcleo e imagen.

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Determina la aplicación lineal $T:\mathbb R^2\to\mathbb R^2$ que cumple $T(1,1)=(2,0)$ y $T(1,-1)=(0,4)$, y calcula su núcleo.

Determina la aplicación lineal $T:\mathbb R^2\to\mathbb R^2$ que cumple $T(1,1)=(2,0)$ y $T(1,-1)=(0,4)$, y calcula su núcleo.

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Sea $T_a:\mathcal P_2(\mathbb R)\to\mathcal P_2(\mathbb R)$, $T_a(p)=p''+a p'$. Clasifica núcleo e imagen para $a\in\mathbb R$.

Sea $T_a:\mathcal P_2(\mathbb R)\to\mathcal P_2(\mathbb R)$, $T_a(p)=p''+a p'$. Clasifica núcleo e imagen para $a\in\mathbb R$.

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Núcleos con estructura: matrices y factorización por el núcleo

Hay transformaciones cuyo núcleo tiene un significado propio. Para $T(X)=AX-XA$ el núcleo es el conjunto de matrices que conmutan con $A$.

Dos aplicaciones lineales con el mismo núcleo se relacionan por un isomorfismo A de la imagen de una a la imagen de la otra. V W W T S A
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Sea $T:M_2(\mathbb R)\to\mathbb R^2$, $T(A)=(\operatorname{tr}A,A_{12}-A_{21})$. Calcula una base del núcleo y justifica si es sobreyectiva.

Sea $T:M_2(\mathbb R)\to\mathbb R^2$, $T(A)=(\operatorname{tr}A,A_{12}-A_{21})$. Calcula una base del núcleo y justifica si es sobreyectiva.

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Sea $T:\mathcal P_2(\mathbb R)\to\mathcal P_2(\mathbb R)$, $T(p)=p-xp'$. Calcula núcleo e imagen.

Sea $T:\mathcal P_2(\mathbb R)\to\mathcal P_2(\mathbb R)$, $T(p)=p-xp'$. Calcula núcleo e imagen.

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Sea $T:V\to W$ lineal. Demuestra que toda fibra no vacía $T^{-1}(w)$ es una traslación de $\ker T$ y precisa cuándo dicha fibra es subespacio de $V$.

Sea $T:V\to W$ lineal. Demuestra que toda fibra no vacía $T^{-1}(w)$ es una traslación de $\ker T$ y precisa cuándo dicha fibra es subespacio de $V$.

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Vuelve al principio: la información que pierde el sensor es exactamente su núcleo, las lecturas posibles son su imagen, y las dos cantidades suman la dimensión del espacio de estados.

Resumen

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