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Universidad · Álgebra I
Espacios vectoriales · Estructura vectorial

Independencia, generadores y bases

Dos fuerzas en el plano, $u=(2,0)$ N y $v=(1,3)$ N, ¿bastan para fabricar cualquier otra fuerza combinándolas? Y si añadimos una tercera, ¿estamos aportando información nueva o solo repitiendo lo que ya teníamos? Este apartado da respuesta exacta a ambas preguntas: «suficientes» se llama generar, «sin repeticiones» se llama independencia, y las dos cosas a la vez forman una base.

Combinaciones lineales y generadores

La idea es geométrica: un vector genera una recta; dos vectores no alineados generan un plano; si el segundo ya estaba en la recta del primero, no añade nada.

Plano con las fuerzas u=(2,0) y v=(1,3) y una malla de combinaciones lineales que cubre todo el plano. u = (2, 0) v = (1, 3) u + v

Para decidir si un vector $w$ está en $\operatorname{span}\{v_1,\ldots,v_k\}$ hay que resolver el sistema $\lambda_1v_1+\cdots+\lambda_kv_k=w$. Es siempre un sistema lineal: las columnas son los $v_j$.

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Sean fuerzas planas $u=(2,0)$ y $v=(1,3)$ en newtons. ¿Se puede obtener cualquier fuerza del plano combinando $u$ y $v$ con coeficientes reales? El dibujo sitúa las dos…

Sean fuerzas planas $u=(2,0)$ y $v=(1,3)$ en newtons. ¿Se puede obtener cualquier fuerza del plano combinando $u$ y $v$ con coeficientes reales?

El dibujo sitúa las dos fuerzas disponibles en el plano.

1 2 3 4 1 2 3 0 Fₓ (N) Fᵧ (N) u v
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Decide si $(1,2)$ y $(2,4)$ son linealmente independientes y determina el subespacio que generan.

Decide si $(1,2)$ y $(2,4)$ son linealmente independientes y determina el subespacio que generan.

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Independencia lineal

¿Por qué esta definición? Si hay una relación $\sum\lambda_jv_j=0$ con $\lambda_m\ne0$, se despeja $v_m$ como combinación de los demás: es redundante. Independencia significa que ningún vector sobra.

A la izquierda dos vectores alineados, dependientes; a la derecha dos vectores no alineados, independientes. dependientes: sobre la misma recta independientes
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Estudia la independencia de $1$, $e^x$ y $e^{2x}$ como funciones reales de variable real.

Estudia la independencia de $1$, $e^x$ y $e^{2x}$ como funciones reales de variable real.

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Practica★★☆Sin empezar
Sean $u=(1,i)$ y $v=(i,-1)$ en $\mathbb C^2$. Estudia su independencia sobre $\mathbb C$ y sobre $\mathbb R$.

Sean $u=(1,i)$ y $v=(i,-1)$ en $\mathbb C^2$. Estudia su independencia sobre $\mathbb C$ y sobre $\mathbb R$.

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Demuestra que, si $v_1,\ldots,v_n$ es una base y $w_j=v_1+\cdots+v_j$, entonces $w_1,\ldots,w_n$ también es una base.

Demuestra que, si $v_1,\ldots,v_n$ es una base y $w_j=v_1+\cdots+v_j$, entonces $w_1,\ldots,w_n$ también es una base.

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Bases y dimensión

Cuadrícula del plano con la base (1,1), (1,-1) y un vector expresado como combinación de ambos. (1, 1) (1, −1) (2, 0) (2, 0) = (1,1) + (1,−1)

Las bases usuales son la referencia: $\mathbb K^n$ tiene la base canónica $(e_1,\ldots,e_n)$ y dimensión $n$; $\mathcal P_n(\mathbb R)$ tiene $(1,x,\ldots,x^n)$ y dimensión $n+1$; $\mathcal M_{2\times2}(\mathbb R)$ tiene las cuatro matrices con un único $1$ y dimensión $4$. Un espacio complejo de dimensión $n$ tiene dimensión $2n$ como espacio real.

Practica★☆☆Sin empezar
Comprueba que $B=((1,1),(1,-1))$ es una base de $\mathbb R^2$.

Comprueba que $B=((1,1),(1,-1))$ es una base de $\mathbb R^2$.

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¿Cuál es el máximo número de vectores linealmente independientes en $\mathbb C^3$ sobre $\mathbb C$? Justifica si cuatro vectores pueden formar una base.

¿Cuál es el máximo número de vectores linealmente independientes en $\mathbb C^3$ sobre $\mathbb C$? Justifica si cuatro vectores pueden formar una base.

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Determina para qué $a\in\mathbb R$ los vectores $(1,0,1),(0,1,1),(1,1,a)$ forman base de $\mathbb R^3$.

Determina para qué $a\in\mathbb R$ los vectores $(1,0,1),(0,1,1),(1,1,a)$ forman base de $\mathbb R^3$.

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Extraer y ampliar bases

Esquema de extracción de una base: de una familia generadora con vectores redundantes se descartan los combinación de los anteriores. v₁ v₂ v₃ v₄ v₃ = v₁ + v₂ v₄ = 2v₂ se conserva (v₁, v₂): base del subespacio

En $\mathbb K^n$ el método práctico es escalonar la matriz con los vectores por columnas: las columnas de la matriz original que contienen pivote forman una base del subespacio generado.

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Extrae una base de la familia $(1,0,1),(0,1,1),(1,1,2)$ en $\mathbb R^3$.

Extrae una base de la familia $(1,0,1),(0,1,1),(1,1,2)$ en $\mathbb R^3$.

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Amplía $u=(1,1,0)$ y $v=(0,1,1)$ a una base de $\mathbb R^3$ con un vector de la base usual. El esquema representa los dos vectores que deben conservarse al ampliar la…

Amplía $u=(1,1,0)$ y $v=(0,1,1)$ a una base de $\mathbb R^3$ con un vector de la base usual.

El esquema representa los dos vectores que deben conservarse al ampliar la familia.

O x y z 1 1 1 u = (1, 1, 0) v = (0, 1, 1) plano gen(u, v)
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Una familia $S$ genera un espacio real de dimensión cinco y contiene siete vectores. Una subfamilia de tres de ellos es independiente. Demuestra que se puede extraer de…

Una familia $S$ genera un espacio real de dimensión cinco y contiene siete vectores. Una subfamilia de tres de ellos es independiente. Demuestra que se puede extraer de $S$ una base que contenga esos tres, e indica cuántos vectores hay que añadir.

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Bases en polinomios, matrices, funciones y parámetros

El método es siempre el mismo: expresar los elementos mediante coordenadas respecto a una base conocida y reducir el problema a $\mathbb K^n$.

Correspondencia entre un polinomio de grado dos y su vector de coordenadas en la base 1, x, x al cuadrado. 3 − 2x + 5x² (3, −2, 5) base usual (1, x, x²): coeficientes = coordenadas independiente ⇔ columnas de coordenadas independientes
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Da la base usual de $\mathcal P_2(\mathbb R)$ y expresa $3-2x+5x^2$ como combinación de sus elementos.

Da la base usual de $\mathcal P_2(\mathbb R)$ y expresa $3-2x+5x^2$ como combinación de sus elementos.

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Practica★★☆Sin empezar
Encuentra una base del espacio de matrices reales $2\times2$ de traza cero y calcula su dimensión.

Encuentra una base del espacio de matrices reales $2\times2$ de traza cero y calcula su dimensión.

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Para $a\in\mathbb R$, determina la dimensión y una base de $U_a=\operatorname{span}\{(1,a,0),(0,1,a),(a,0,1)\}$.

Para $a\in\mathbb R$, determina la dimensión y una base de $U_a=\operatorname{span}\{(1,a,0),(0,1,a),(a,0,1)\}$.

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Resumen

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