1 Preliminarii. M 3, (a b) c = a (b c) (notăm a b c, obţinând astfel şi x 1 x 2... x n

Transcript

1 1 Preliminarii Fie M, A mulţimi nevide şi n N. Se muneşte operaţie n ară (sau lege de compoziţie n-ară) definită pe M orice aplicaţie τ : M n M (M n = } M {{... M } ). In cazul n = 2, obţinem operaţiile binare şi vom nota, n ori pentru τ : M 2 M, în loc de τ(a, b), aτb. Mai mult, vom nota, +,, : M 2 M, respectiv a b, a + b, a b, a b etc. 1. In cazul n = 0 se obţin operaţiile 0-are (M 0 = { } mulţimea cu un singur element, τ : M 0 M însemnând precizarea unui element din M), iar pentru n = 1 se obţin operaţiile unare. Aplicaţiile A M M(M A M) mai sunt numite operaţii externe la stânga (dreapta) pe M peste A. O mulţime nevidă înzestrată cu un număr de operaţii satisfăcând eventual anumite proprietăţi este numită structură algebrică. Numărul, tipul şi proprietăţile operaţiilor determină tipul de structură algebrică, iar mulţimea dată este numită mulţimea subiacentă structurii algebrice obţinute. Dintre problemele care apar în contextul structurilor algebrice amintim: studiul legăturilor dintre structurile algebrice de acelaşi tip, anume al aplicaţiilor ce transportă operaţiile (morfisme); studiul unor submulţimi ale mulţimilor subiacente; studiul unor elemente remarcabile; studiul aspectelor specifice ce apar în legătură cu noţiuni şi construcţii matematice, precum relaţiile de ordine sau de echivalenţă etc. Dintre proprietăţile care se impun operaţiilor se disting: asociativitatea, comutativitatea, existenţa elementului neutru, inversabilitatea elementelor, distributivitatea (în cazul a 2 operaţii) etc.. Concret (în general va fi utilizată, pentru simplitate, notaţia multiplivativă): - operaţia : M 2 M este numită operaţie asociativă dacă: (a, b, c) M 3, (a b) c = a (b c) (notăm a b c, obţinând astfel şi x 1 x 2... x n pentru x 1,..., x n M); - spunem că e M este element neutru pentru operaţia : M 2 M dacă: a M, a e = e a = a (din e 1 = e 1 e 2 = e 2 rezultă că, dacă admite element neutru, atunci acesta este unic); - operaţia : M 2 M este numită operaţie comutativă dacă: (a, b) M 2, a b = b a; - dacă : M 2 M admite elementrul neutru e, atunci spunem că x M 1 Notaţia, ( + ) este numită notaţie multiplicativă (aditivă) a operaţiei. 1

2 este inversabil dacă există x M astfel încâtx x = e = x x (x este numit inversul lui x); 2 - dacă +, : M 2 M satisfac condiţia (a, b, c) M 3, a (b+c) = a b+a c, (b + c) a = b a + c a, atunci spunem că este distributivă faţă de +. S-a remarcat anterior unicitatea elementului neutru (dacă există). In urma unui raţionament inductiv, rezultă că au loc următoarele: 1. Dacă operaţia : M 2 M este asociativă, atunci x 1,..., x n M, n N avem că (x 1... x k ) (x k+1... x n ) = (x 1... x l ) (x l+1... x n ), pentru orice k, l încât a k, l n 1 (proprietatea de asociativitate generalizată). 2. Dacă operaţia : M 2 M este comutativă, atunci: x 1,..., x n M 1 n N, pentru orice aplicaţie bijectivă τ : {1, 2,..., n} {1, 2,..., n}, avem că x 1 x 2... x n = x τ(1)... x τ(n) (propreitatea de comutativitate generalizată). Precizăm că în cazul unei operaţii : M 2 M asociative, pentru x M şi n N, se defineşte x n prin x n = x 1 x 2... x n, unde x 1 = x 2 =... = x n = x. Obţinem: i) x m x n = x m+n ; ii) (x m ) n = x mn ; iii) dacă x y = y x atunci (x y) n = x n y n. In notaţie aditivă, nx = x x, şi i) mx + nx = (m + n)x; ii) m(nx) = (mn)x; iii) dacă x + y = y + x, atunci n(x + y) = nx + ny. Definiţia 1.1. O mulţime nevidă S înzestrată cu o operaţie binară asociativă : S 2 S este numită semigrup. Notăm (S, ). Exemple: i) Mulţimea funcţiilor {f : M M}, M, împreună cu operaţia de compunere constituie un semigrup (numit semigrupul transformărilor mulţimii M); ii) Mulţimea numerelor naturale N împreună cu operaţia uzuală de adunare (sau de înmulţire) constituie un semigrup. Definiţia 1.2. Un semigrup ce admite elemente unitate mai este numit monoid. Este evident că elementul unitate este unic în cadrul unui monoid 2 In cazul notării operaţiei prin, x va mai fi notat x 1, iar e va mai fi notat 1. In cazul notaţiei + x va mai fi notat x, iar e va mai fi notat 0. 2

3 dat. Definiţia 1.3. Un monoid (G,, e) în care toate elementele sunt inversabile este numit grup. Explicitând obţinem axiomele grupului : o mulţime G este numită grup dacă: i) G este înzestrată cu o operaţie binară : G G G; ii) operaţia este asociativă: x (y z) = (x y) z, (x, y, z) G 3 ; iii) (G, ) admite element neutru: e G : x e = x = e x, x G; iv) elementele lui G sunt inversabile (relativ la ): x G, x 1 G : x x 1 = e = x 1 x. Deşi axiomele pot fi încă simplificate (de exemplu este suficient să avem x e = x sau x x 1 = e), va fi păstrată această variantă ( clasică ). Dacă, în plus: v) x y = y x, (x y) G 2, spunem că G 3 este grup comutativ (sau grup abelian). Exemple: i) Pe o mulţime cu un singur element, {a}, se poate introduce o unică structură de grup, prin a a = a = a 1 = e. Este numit grupul nul. ii) (Z, +, 0); (Q, +, 0); (Q,, 1); (R, +, 0); (R,, 1); iii) Pentru o mulţime oarecare M, mulţimea S(M) a bijecţiilor M M, împreună cu operaţia uzuală de compunere constituie un grup (este numit grupul permutărilor mulţimii M). Dacă M este o mulţime finită având n elemente (n 2) (vom alege M = {1, 2,..., n}), atunci S(M) va fi notat S n şi va fi numit grupul permutărilor de grad n. Observaţia 1.1. S n are n! = n elemente. Un element din S n va fi notat prin ( ) ( ) n n σ =, iar = ε. σ(1) σ(2)... σ(n) n In cazul unei permutări σ, dacă inversiune în σ. σ(j) σ(i) j i < 0, spunem că avem o 3 Notăm, adeseori, G în loc de (G,, e). In general, va fi folosită notaţia multiplicativă, cea aditivă va apare în unele cazuri concrete. 3

4 Notăm ε σ = 1 i<j n σ(j) σ(i) j i şi obţinem ε σ = ±1. Dacă numărul inversiunilor lui σ este par spunem că avem o permutare pară (deci ε σ = 1). In caz contrar, o vom numi permutare impară (ε σ = 1). Fie (G,, e), (G,, e ) două grupuri. Se numeşte morfism de grupuri de la G la G orice funcţie f : G G ce satisface condiţia f(a b) = f(a) f(b) (pentru orice a, b G). Rezultă imediat că f(e) = e şi f(a 1 ) = (f(a)) 1 (inversul fiind, evident, considerat în G, în membrul întâi şi, respectiv, în G ). Fie o mulţime nevidă înzestrată cu două operaţii (notate, de obicei, prin + şi ). Enunţăm următoarele condiţii: 1) Mulţimea dată are structură de grup abelian relativ la + (elementul neutru, numit şi element zero, se va nota prin 0, iar inversul unui element a va fi notat a); 2) Mulţimea dată are structură de semigrup relativ la ; 3) Operaţia este distributivă faţă de operaţia + (a (b+c) = a b+a c; (b + c) a = b a + c a); 4) Operaţia + admite element neutru (notat 1); 5) Operaţia este comutativă; 6) Orice element diferit de 0 (condiţia 4 se presupune îndeplinită) admite invers relativ la (inversul lui a este notat a 1 ). Definiţia 1.4. i) O mulţime nevidă R înzestrată cu două operaţii + şi satisfăcând 1), 2), 3) este numită inel. ii) O mulţime nevidă R înzestrată cu două operaţii + şi satisfăcând 1), 2), 3), 4) este numită inel unitar. iii) O mulţime R înzestrată cu două operaţii + şi satisfăcând 1), 2), 3), 5) este numită inel comutativ. iv) O mulţime K, având cel puţin 2 elemente, înzestrată cu două operaţii + şi satisfăcând 1), 2), 3), 4), 6) este numită corp; v) O mulţime K având cel puţin 2 elemente, înzestrată cu două operaţii + şi satisfăcând 1), 2), 3), 4), 5), 6) este numită corp comutativ (sau câmp). Observaţia 1.2. In orice inel (şi evident, în orice corp) au loc: 4

5 i) a 0 = 0 a = 0; ii) a ( b) = ( a) b = ( (a b); ( a) ( b) = a b; ) iii) a b i = a b i, a i b = a i b. Intr-adevăr, a 0 = a (0 + 0) = a 0 + a 0, deci a 0 = 0. Avem şi 0 = 0 b = (a + ( a)) b = a b + ( a) b deci ( a) b = (a b). Analog, rezultă a ( b) = (a b). ( a) ( b) = (a ( b)) = ( (a b)) = a b. Relaţia iii) se demonstrează prin inducţie matematică. Observaţia 1.3. In cazul unui corp (K, +, ) vom avea: (K, +) este grup abelian, iar (K, ) este grup (K = K \ {0}). Precizăm că operaţiile vor fi notate (pentru orice structură considerată) prin + şi/sau (înţelegânduse din context mulţimile pe care sunt definite, iar elementele neutre, dacă există, vor fi notate 0, respectiv 1). Exemple: i) inelul numerelor întregi (Z, +, ); corpul numerelor raţionale (Q, +, ); corpul numerelor reale (R, +, ); corpul numerelor complexe (C, +, ); ii) inelul întregilor lui Gauss Z[i] = {m + ni, m, n Z}, i = 1, operaţiile fiind aceleaşi ca şi în C; iii) Q( 2) = {a + b 2 a, b Q} are structură de corp faţă de operaţiile induse de operaţiile din (R, +, ); Pe o mulţime cu un singur element se poate defini o structură de inel (unitar) impunând a + a = a = a a = 0 = 1. Este numit inel nul. O astfel de construcţie nu este posibilă în cazul corpurilor. Fie R şi R două inele. Se numeşte morfism de inele de la R la R orice funcţie f : R R ce satisface condiţiile: f(a + b) = f(a) + f(b); f(a b) = f(a) f(b), oricare ar fi a, b R. Un morfism f : R R, unde R şi R sunt inele unitare, care satisface în plus condiţia f(1) = 1 este numit morfism unitar de inele unitare. Prima condiţie din definiţia noţiunii de morfism conduce la faptul că f este morfism între grupurile (R, +) şi (R, +), deci vom avea f(0) = 0 şi f( a) = f(a). In ipoteza că f este în plus bijectivă, obţinem noţiunea de izomorfism de inele. Rezultă şi că f 1 este izomorfism de inele. Pentru un morfism de inele f : R R notăm ker f = {x x R, f(x) = 0 R }, Imf = f(r). Fie K, K două corpuri. Se numeşte morfism de corpuri de la K la K orice funcţie f : K K ce satisface condiţiile: 5

6 f(a + b) = f(a) + f(b); f(a b) = f(a) f(b). Altfel spus, f este un morfism de grupuri între (K, +) şi (K, +) şi morfism de grupuri între (K, ) şi (K, ). Rezultă de aici că f(1) = 1; f(a 1 ) = (f(a)) 1. Ca şi în cazul inelelor, un morfism bijectiv de corpuri va fi numit izomorfism de corpuri. Fie R un inel comutativ şi unitar. Considerăm mulţimea şirurilor de elemente din R, (a 0, a 1,..., a n,...) cu proprietatea că numărul componentelor diferite de 0 R este finit. Pe această mulţime se introduc operaţiile: (a 0, a 1,..., a n,...)+(b 0, b 1,..., b n,...) = (a 0 +b 0, a 1 +b 1,..., a n +b n,...) şi (a 0, a 1,..., a n,...) (b 0, b 1,..., b n,...) = (c 0, c 1,..., c n,...) unde c k = a i b j, k N. i+j=k Aceste operaţii conferă mulţimii considerate structură de inel comutativ şi unitar, după cum se poate verifica uşor. Pentru α R, definind α(a 0, a 1,...) = (α a 0, α a 1,...) şi notând X = (0, 1, 0, 0...) se obţine că (a 0, a 1,..., a n,...) poate fi scris sub forma a k X k, k unde X k = X } X {{... X} (suma fiind finită). k ori Inelul construit anterior este numit inelul polinoamelor de o nedeterminată peste R şi este notat R[X]. Numărul n = max{i a i 0} este numit gradul polinomului (a 0, a 1,...), iar a n (în acest caz) este numit coeficientul dominant al polinomului. Pentru polinomul nul (0, 0,...) se convine să se considere gradul său ca fiind. Polinoamele (0, a, 0,...) a R se identifică cu a R, sunt numite polinoame constante, iar gradul lor este egal cu 0. 2 Algebră liniară Matrice. Determinanţi Fie (K, +, ) un corp comutativ şi M = {1, 2,..., m}, N = {1, 2,..., n}, m, n IN. Reamintim că se numeşte matrice de tip (m, n) peste K orice funcţie A : M N K. Precizăm că, exceptând unele rezultate privind inversabilitatea matricelor şi sistemele liniare, noţiunile şi celelalte rezultate ce vor fi date în continuare îşi păstrează valabilitatea şi în cazul în care K este inel (comutativ şi unitar). 6

7 Notând A(i, j) = a ij, i M, j N, matricea A poate fi reprezentată sub forma unui tablou a 11 a a 1n a A = 21 a a 2n a m1 a m2... a mn având m linii şi n coloane (condensat A = (a ij ) m n ). Pe mulţimea matricelor de tip (m, n) peste K, notată M(m, n, K), se defineşte operaţia de adunare a matricelor prin: dacă A, B M(m, n, K), atunci (A + B)(i, j) = A(i, j) + B(i, j), (i, j) M N, obţinându-se: (M(m, n, K), +) are structură de grup abelian. Pentru matricile A M(m, n, K), A = (a ij ) m n, B M(n, p, K), B = (b ij ) n p se defineşte o matrice C M(m, p, K) prin C = (c ij ) m p unde c ij = a ik b kj, 1 i m, 1 j p, numită produsul k=1 matricelor A şi B (notăm C = A B). In cazul m = n, mulţimea M(m, n, K) se notează prin M(n, K). Produsul definit anterior conduce la o operaţie pe M(n, K), obţinânduse: (M(n, K), +, ) are structură de inel 4 unitar. Rolul de matrice unitate este jucat de I n = , 0, 1 K Pentru A M(m, n, K), A = (a ij ) m n şi λ K, se defineşte λa M(m, n, K), λa = (λ a ij ) m n, obţinându-se o operaţie externă numită produsul matricelor (din M(m, n, K)) cu scalari (din K). Pentru A M(m, n, K), A = (a ij ) m n, matricea t A M(n, m, K) t A = ( t a ke ) n m, unde t a ke = a ek, este numită transpusa matricei A. 4 inel necomutativ 7

8 Fie A M(n, K). Elementul din K notat det A şi dat de det A = σ S n ε σ a 1σ(1)... a nσ(n) unde S n notează mulţimea permutărilor de grad n şi { 1 dacă σ este permutare pară, ε σ = 1 dacă σ este permutare impară, se numeşte determinantul matricei A 5 (se mai notează prin a 11 a a 1n det A = a n1 a n2... a nn sau a ij n n ). In vederea indicării ulterioare a unui procedeu de calcul se definesc (pentru A M(n, K)) noţiunile de minor şi complement algebric ale unui element. Suprimând linia i (anume a i1...a in ) şi coloana j (anume. ) din A, se a jn obţine o matrice i A j M(n 1, K) al cărei determinant poartă numele de minorul elementului a ij (va fi notat d ij ). Elementul δ ij = ( 1) i+j d ij va fi numit complementul algebric al elementului a ij. Au loc următoarele proprietăţi: det A = det t A; dacă într-o matrice A M(n, K), n N se schimbă două linii (coloane) între ele atunci se obţine o matrice al cărei determinant este egal cu det A; a 11 a a 1n a 11 a a 1n α a i1 α a i2... α a in = α a i1 a i2... a in, 1 i n a n1 a n2... a nm a n1 a n2... a nm (analog pentru coloane); 5 pentru A M(n, K) spunem şi că det A este determinant de ordin n. a j1 8

9 a 11 a a 1n a a 1n a i1 a i2... a in a i1 + λ a j1... a in + λ a jn = a j1 a j2... a jn a j1... a jn a n1 a n2... a nn a n1... a nn 1 i, j n, λ K (analog pentru coloane); pentru orice Pentru A M(n, K), au loc 6 : det A = a i1 δ i a in δ in, pentru orice 1 i n; det A = a 1j δ 1j a nj δ nj, pentru orice 1 j n; Pentru A, B M(n, K), n N, det A B = det A det B. Fie A Mn, K. Se spune că A este matrice inversabilă dacă există o matrice B M(n, K) astfel încâta B = B A = I n (B este numită inversa lui A). Inversa unei matrice, dacă există, este unică şi va fi notată A 1. Se cunoaşte că A M(n, K) este inversabilă dacă şi numai dacă det A 0, iar (în cazul în care există) A 1 = 1 det A δ 11 δ δ n1 δ 12 δ δ n δ 1n δ 2n... δ nn (se remarcă faptul că înlocuirea elementelor cu complemenţi algebrici se face în t A). Considerăm A M(m, n, K) şi fie k un număr natural 1 k min(m, n). Alegând, în A, k linii şi k coloane, elementele care se regăsesc la intersecţia acestor linii şi coloane formează o matrice pătratică de ordin k (submatrice a matricei A) al cărei determinant se numeşte minor de ordin k al matricei A. Dacă A M(m, n, K) are şi elemente diferite de 0 K, spunem că A are rangul r (ranga = r) dacă A admite un minor de ordin r nenul, iar toţi minorii lui A de ordin mai mare decât r (dacă există) sunt nuli 7 Evident, 6 formulele de dezvoltare după o linie, respectiv dezvoltare după o coloană. 7 Dacă A este matricea nulă (a ij = 0 K, pentru orice 1 i m, 1 j n), convenim să spunem că ranga = 0. 9

10 este suficient (şi necesar) ca toţi minorii de ordin r + 1 (dacă există) să fie nuli. Sisteme de ecuaţii liniare Fie sistemul (*) a 11 x a 1n x n = b 1... a m1 x a mn x n = b m, b i, a ij K, 1 i m, 1 j n. Prin soluţie a sistemului se înţelege o n-uplă de elemente din K, (α 1,..., α n ), care verifică ecuaţiile sistemului. Distingem: sistem incompatibil (nu admite nici o soluţie), sistem compatibil determinat (soluţie unică), sistem compatibil nedeterminat (o infinitate de soluţii). Notăm A = a a 1n a m1... a mn şi A = a a 1n b a m1... a mn b m coloană este numită coloana termenilor liberi) 8 şi se obţine: (ultima Sistemul de ecuaţii liniare (*) este compatibil dacă şi numai dacă ranga = ranga(teorema Kronecker - Capelli). Dacă ranga = r, alegând un minor de ordin r nenul (corespunzător unei submatrice a matricei A), vom numi determinant caracteristic (al sistemului dat) determinantul matricei obţinute prin bordarea submatricei alese (numită submatrice principală) cu o coloană alcătuită din elementele corespunzătoare liniilor submatricei respective din coloana termenilor liberi precum şi cu cele corespunzătoare ale uneia dintre liniile rămase (dacă există o astfel de linie). Se obţine: In ipoteza ranga < m, sistemul de ecuaţii ( ) este compatibil dacă şi numai dacă toţi determinanţii caracteristici sunt nuli (teorema Rouché). Dacă ranga = m (avem şi m n), sistemul (*) este, evident, compatibil. In cazul m = n şi det A 0, pentru rezolvare se poate aplica regula Cramer : 8 Liniile matricei A corespund ecuaţiilor sistemului, iar coloanele corespund necunoscutelor acestuia. 10

11 Dacă m = n şi det A 0, atunci ( ) admite soluţie unică dată de x 1 = d 1 d,..., x n = d n d unde d = det A, iar d i este determinantul matricei obţinute din matricea sistemului prin înlocuirea coloanei i cu coloana termenilor liberi. In celelalte cazuri (m n sau m = n şi det A = 0), dacă sistemul este compatibil, se aleg ecuaţiile ce corespund liniilor submatricei principale şi se păstrează în membrul întâi necunoscutele ce corespund coloanelor submatricei principale (celelalte fiind trecute în membrul doi), obţinându-se un sistem ce poate fi rezolvat cu ajutorul regulii lui Cramer. Precizăm că acest sistem are exact aceleaşi soluţii cu sistemul iniţial 9. Spaţii liniare Fie (K, +, ) un corp comutativ. Definiţia 2.1. Un grup comutativ (V, +) 10 înzestrat cu o operaţie externă ϕ : K V V, ϕ(α, x) = αx, astfel încât: i) α(x + y) = αx + αy; ii) (α + β)x = αx + βx; iii) (α β)x = α(βx); iv) 1x = x pentru orice α, β K(1 K) şi orice x, y V, este numit spaţiu liniar peste K (sau K spaţiu liniar). In cele ce urmează va fi considerat doar cazul netrivial V {0}. Exemple: i) Considerând, pentru cazul (K, +, ), grupul abelian (K, +) şi operaţia externă dată de, se obţine: K este spaţiu liniar peste K; ii) Definind pe K n = K K... K operaţiile (α 1,..., α n )+(β 1,..., β n ) = (α 1 + β 1,..., α n + β n ) şi λ(α 1,..., α n ) = (λ α 1,..., λ α n ), λ K, se obţine: K n este spaţiu liniar peste K; iii) M(m, n, K) este spaţiu liniar peste K (operaţiile fiind + şi produsul matricelor cu scalari); 9 Dacă două sisteme de ecuaţii au exact aceleaşi soluţii se mai spune că sunt sisteme echivalente (se admite că toate sistemele incompatibile sunt echivalente între ele). 10 Utilizarea notaţiei aditive nu poate produce confuzii (de exemplu, în ii), este evident că simbolul + din paranteză reprezintă operaţia din K, iar în membrul al doilea apare operaţia din V. 11

12 iv) Mulţimea polinoamelor de o nedeterminantă K[X] are structură de spaţiu liniar peste K ( + reprezintă suma uzuală de polinoame, iar, pentru λ K şi f = a i X i, λf = (λ a i )X i ). i=0 i=0 v) Mulţimea polinoamelor de grad cel mult n, K n [X], n N este spaţiu liniar peste K (operaţiile sunt precizate în exemplul iv)). Observaţia 2.1. Pentru un spaţiu liniar, V, peste corpul K, avem: i) αx = 0 α = 0 sau x = 0; ii) ( α)x = αx = α( x); ( α)( x) = αx; iii) αx = βx, x 0 α = β; iv) λx = λy, λ 0 x = y. Fie V un spaţiu liniar peste corpul K şi S V. Dacă S = {x 1,..., x n }, n N, şi din orice egalitate α i x i = 0, α i K, i = 1, n, rezultă α i = 0, i = 1, n, atunci spunem că elementele x 1,..., x n sunt liniar independente (sau că S este (submulţime) liniar independentă). Dacă S este infinită, atunci S va fi numită submulţime liniar independentă dacă orice submulţime finită a sa este liniar independentă. In caz contrar 11, spunem că S este liniar dependentă. Precizăm şi că expresiile de forma α i x i mai sunt numite combinaţii liniare de x 1,..., x n V. Observaţia 2.2. i) Dacă x V, x 0, atunci S = {x} este liniar independentă; ii) Dacă 0 S, atunci S este liniar dependentă; iii) Dacă S este liniar independentă, iar S S, atunci S este liniar independentă; iv) Dacă S S, iar S este liniar dependentă, atunci S este liniar dependentă. Dacă = M V, M = {x 1,..., x n }, n N, spunem că M constituie un sistem de generatori pentru V dacă orice element x V se poate exprima 11 Dacă S = {x 1,..., x n } atunci există α i K, i = 1, n şi există cel puţin un indice i, 1 i n, aşa încât α i 0 şi α i x i = 0 (în cazul infinit, există cel puţin o submulţime finită liniar dependentă). 12

13 ca o combinaţie liniară de x 1,..., x n, x = α i x i. In cazul în care M este infinită se impune ca, pentru orice x V, să existe n N şi x 1,..., x n M astfel încâtx = α i x i, α i K, i = 1, n. Observaţia 2.3. Pentru orice spaţiu liniar V, mulţimea V constituie un sistem de generatori pentru V. Definiţia 2.2. O submulţime B a spaţiului liniar V peste K este numită bază a spaţiului V dacă: i) B este liniar independentă; ii) B constituie un sistem de generatori. Distingem cazurile când B este finită, respectiv infinită. Teorema 2.1. Orice spaţiu liniar admite o bază. Demonstraţie. Pentru exemplificare, vom demonstra teorema în cazul în care spaţiul liniar considerat admite un sistem finit de generatori. Fie, atunci, spaţiul liniar V şi {x 1,..., x n } 12 un sistem de generatori pentru V. Evident că există x i 0 şi, în consecinţă, {x i } constituie o submulţime liniar independentă. Fie B 13 o submulţime liniar independentă încât B {x 1,..., x n } şi B este maximală (relativ la incluziune) cu această proprietate. Prin eventuală renumerotare, obţinem B = {x 1,..., x m }, m n. Este suficient să arătăm că B consituie un sistem de generatori. Intrucât B este maximală rezultă că, pentru orice j, m < j n, sistemul {x 1,..., x m, x j } este liniar dependent, deci există a i K, i = 1, m + 1 încât a 1 x a m x m + a m+1 x j = 0 şi a m+1 0 (altfel, se contrazice faptul că B este liniar independentă). Altfel spus, x j poate fi reprezentat ca o combinaţie liniară de elementele din B. Intrucât {x 1,..., x n } este sistem de generatori pentru V, rezultă că B satisface aceeaşi condiţie (în reprezentarea oricărui element x V se înlocuiesc x j, m < j n prin combinaţiile liniare de x 1,..., x m ). Dacă spaţiul vectorial V peste K admite o bază finită spunem că V este K-spaţiu liniar finit generat. Demonstraţia teoremei anterioare conduce imediat la: Observaţia 2.4. Intr-un K-spaţiu liniar finit generat, din orice sistem de generatori se poate extrage o bază. 12 Avem şi x i x j pentru i j, 1 i, j n. 13 Existenţa lui B pentru cazul considerat este evidentă. 13

14 Observaţia 2.5. Dacă B = {e 1,..., e n } este o bază în V atunci orice x V se exprimă în mod unic ca o combinaţie liniară de elementele e 1,..., e n. Intr-adevăr, dacă x = α i e i = β i e i, α i, b i K, i = 1, n, atunci (α i β i )e i = 0 şi deci α i = β i, i = 1, n. In acest context, dacă x = α i e i, α i K, i = 1, n, atunci elementele α 1,..., α n se numesc coordonatele lui x în raport cu baza e 1,..., e n. Remarcăm şi faptul că în ipoteza B sistem finit de generatori pentru V, condiţia de unicitate a coordonatelor este echivalentă cu condiţia ca B să fie bază. Exemple: i) (1, 0,..., 0), (0, 1,..., 0),..., (0, 0,..., 1) constituie o bază în spaţiul liniar K n ; ii) Polinoamele 1, X, X 2,... constituie o bază în spaţiul liniar K[X]; iii) Polinoamele 1, X, X 2,..., X n consituie { o bază în spaţiul liniar K n [X]; 1; i = k, j = l iv) Matricele E kl = (e ij ) m n, e ij = 1 k m, 1 0 în rest, l n constituie o bază în spaţiul liniar M(m, m, K). Bazele date în exemplele anterioare sun numite baze canonice (ale spaţiilor liniare considerate). Teorema 2.2. Intr-un K-spaţiu liniar finit generat orice două baze au acelaşi număr de elemente. Demonstraţie. Vom arăta că, dacă fiecare element al sistemului liniar independent {e 1,..., e m } este combinaţie liniară de elementele f 1,..., f n, atunci m n. Demonstraţia se face prin inducţie matematică după numărul m. Pentru m = 1, afirmaţia este evident adevărată. Presupunem afirmaţia adevărată pentru orice sitem liniar independentavând r < m elemente. Fie sistemul {e 1,..., e m }. Avem că e i = a ij f j, i = 1, m, unde a ij K, 1 i m, 1 j n şi cel puţin un element a ij 0. Presupunem (eventual renumerotând) că a Notăm atunci e i = e i (a i1 a 1 11 )e i, i = 2, m, şi obţinem sistemul {e 2,..., e m}, fiecare element al său fiind exprimat ca o combinaţie liniară de f 2,..., f n. 14

15 Dacă λ 2,..., λ m K şi λ 2 e λ m e m = 0 atunci, înlocuind e i = e i (a i1 a 1 11 )e 1, i = 2, m, se obţine din liniara independenţă a sistemului {e 1,..., e m }, λ 2 =... = λ m = 0, deci {e 2,..., e m} constituie un sistem liniar independent. Conform ipotezei inductive, rezultă m 1 n 1 deci m n. Dacă {e 1,..., e m } şi {f 1,..., f n } constituie baze, atunci m n şi n m, deci m = n. Reformulând, putem spune că, dacă spaţiul liniar V peste K admite o bază având n elemente, atunci orice altă bază va avea, de asemenea, n elemente. Teorema anterioară conduce la următoarea definiţie: Definiţia 2.3. Dacă V este un K-sistem liniar finit generat, numim dimensiune a spaţiului V (şi notăm dim V ) numărul elementelor unei baze a lui V. Dacă spaţiul liniar V peste K nu este finit generat vom scrie dim V =. Convenim şi că, pentru cazul V = {0}, dim V = 0. Exemple: i) dim K n = n; ii) dim K[X] = ; iii) dim K n [X] = n + 1; iv) dim M(m, n, K) = m n. Demonstraţia teoremei 2.2 conduce la următoarea observaţie: Observaţia 2.6. Intr-un K-spaţiu liniar finit generat orice submulţime liniar independentă se poate completa până la o bază. Demonstraţie. Remarcăm mai întâi (conform demonstraţiei teoremei 2.2) că în spaţiul liniar (V ) dat (având dimensiunea n), submulţimile liniar independente pot avea cel mult n elemente. Fie {x 1,..., x r }, r n, o submulţime liniar independentă şi e 1,..., e n o bază. Dacă r = 1, x 1 = α 1 e α n e n şi i, 1 i n încât α i 0. Presupunem (eventual renumerotând) că α 1 0. Se verifică atunci faptul că {x 1, e 2,..., e n } constituie o bază în V : e 1 se exprimă ca o combinaţie liniară de x 1, e 2,..., e n, deci {x 1, e 2,..., e n } constituie un sistem de generatori iar, dacă presupunem că {x 1, e 2,..., e n } sunt liniar dependenţi, rezultă că {e 1, e 2,..., e n } sunt liniar dependenţi, ceea ce este fals. Procedând inductiv, având {x 1,..., x r } liniar independenţi, folosind faptul că {x 1,..., x r 1 } sunt, de asemenea, liniar independenţi se obţine că {x 1,..., x r 1, e r,..., e n } constituie o bază şi apoi repetând cazul r = 1 se obţine ceea ce trebuia demonstrat. 15

16 Reformulând, putem spune că: într-un K-spaţiu liniar finit generat, dacă {x 1,..., x r } este submulţime liniar independentă, iar {y 1,..., y n } constituie un sistem de generatori, atunci r n şi, după o eventuală renumerotare, {x 1,..., x r, y r+1,..., y n } constituie un sistem de generatori. Acest enunţ este cunoscut sub numele de teorema schimbului (sau teorema Steinitz). Enunţăm fără demonstraţie (rezultă uşor din cele precedente) o propoziţie utilă în exerciţii: Propoziţia 2.1. Fie V un K-spaţiu liniar de dimensiune n şi B = {e 1,..., e n } V (submulţime având n elemente). Următoarele afirmaţii sunt echivalente: i) B este bază; ii) B este liniar independentă; iii) B constituie sistem de generatori. Fie V un spaţiu liniar de dimensiune n peste un corp K şi B = {e 1,..., e n }, B = {e 1,..., e n} două baze ale sale. Folosind faptul că B este bază, putem scrie e i = a ji e j, i = 1, n punând astfel în evidenţă o matrice 14 (unică) a 11 a a 1n A = M(n, K) a n1 a n2... a nn numită matricea de trecere de labaza B la baza B. Notând e = e 1. e n, e = e 1. e n, putem scrie (formal) e = t A e α i (această relaţie este numită formula de trecere de la baza B la baza B ). Fie x V încât x ( = α 1 e α n e n şi x = α 1e α ne n. Avem ) ( ) x = α ie i = a ji e j = α ia ji e j = α j e j = x. Coordonatele oricărui element într-o bază dată fiind unic determinate, rezultă 14 A fost folosit primul indice (pentru a ji ) ca indice de sumare, iar coloanele din A conţin coordonatele elementelor e i, i = 1, n. Rezultatele similare se obţin folosind cel de-al doilea indice ca indice de sumare. 16

17 α j = α = α ja ji, i = 1, n adică (sub formă matricială) α = A α, unde α 1. α n, α = α 1. α n. Această ultimă relaţie este numită formula de transformare a coordonatelor. Propoziţia 2.2. fie V un K-sistem liniar de dimensiune n. Pentru orice baze B şi B ale lui V, matricea de trecere de la baza B la baza B este matrice inversabilă. Demonstraţie. Remarcăm întâi (după calcule simple) că, în general, fiind date bazele B, B, B în V, având A matricea de trecere de la B la B, A matricea de trecere de la B la B şi A matricea de trecere de la B la B, obţinem A A = A. Pentru B = B, obţinem evident A = I n, deci matricea A este inversabilă. Având în vedere rezultatul anterior, putem scrie Subspaţii liniare α = A 1 α şi e = t A 1 e. Fie V un K-spaţiu liniar. O submulţime nevidă U V se numeşte subspaţiu liniar al lui V dacă i) pentru orice x, y U, x + y U; ii) pentru orice x U şi orice α K, αx U. Observaţia 2.7. Condiţiile definiţiei asigură faptul că restricţiile operaţiilor K-spaţiului liniar V determină pe U o structură de K-spaţiu liniar (U este subgrup al grupului V, iar operaţia externă este dată de asocierea corespunzătoare pentru V ). Exemple: i) {0} V constituie subspaţiu liniar (numit subspaţiul nul) al spaţiului liniar V ; ii) Submulţimile K 0 = {(x, 0) x K} şi 0 K = ((0, y) y K) sunt subspaţii liniare ale K-spaţiului liniar K 2 ; iii) Dacă {x 1,..., x n } V, atunci {a 1 x a n x n a i K, i = 1, n} constituie subspaţiu liniar (va fi notat L(x 1,..., x n )) al lui V. 17

18 Dacă e 1,..., e n este o bază a K-spaţiului liniar V, atunci L(e 1,..., e n ) = V. Folosind teorema schimbului, deducem: Propoziţia 2.3. Dacă U {0} este subspaţiu liniar al unui K-spaţiu liniar V de dimensiune n, atunci U este finit generat şi dim U n. Demonstraţie. Intr-adevăr, în V, deci şi în U, orice n + 1 elemente constituie o submulţime liniar dependentă, iar o submulţime liniar independentă maximală din U este şi bază în U. Mai mult, avem dim U = n dacă şi numai dacă U = V. Rafinând acest rezultat obţinem: Propoziţia 2.4. Dacă U 1 şi U 2 sunt subspaţii ale K-spaţiului liniar finit generat V, U 1 U 2 şi dim U 1 = dim U 2 atunci U 1 = U 2. Demonstraţie. Din U 1 U 2 şi dim U 1 = dim U 2 rezultă că orice bază din U 1 este şi bază în U 2, deci U 1 = U 2. Fie V un K-spaţiu liniar şi U 1, U 2 subspaţii ale lui V. Cu subspaţiile liniare ale unui K-spaţiu liniar se pot efectua operaţii printre care se disting intersecţia şi suma de subspaţii: Intersecţia U 1 U 2 este subspaţiu liniar în V ; U 1 + U 2 = {x + y x U 1, y U 2 } constituie un subspaţiu liniar în V. Se remarcă uşor că au loc: i) U 1 U 2 = U 2 U 1 ; ii) U 1 + U 2 = U 2 + U 1 ; iii) (U 1 U 2 ) U 3 = U 1 (U 2 U 3 ); iv) (U 1 + U 2 ) + U 3 = U 1 + (U 2 + U 3 ). Propoziţia 2.5. Dacă U 1 şi U 2 sunt subspaţii liniare ale unui K-spaţiu liniar V, finit generat, atunci dim(u 1 + U 2 ) + dim(u 1 U 2 ) = dim U 1 + dim U 2. Demonstraţie. In cazul U 1 U 2 = {0}, fie b 1,..., b m ; c 1,..., c r baze în U 1, respectiv U 2. Prin calcule simple se deduce că b 1,..., b m, c 1,..., c r constituie o bază în V. 18

19 In cazul U 1 U 2 {0}, fie a 1,..., a s o bază în U 1 U 2. Intrucât U 1 U 2 U 1, U 1 U 2 U 2, {a 1,..., a s } poate fi completată, obţinându-se a 1,..., a s, b s+1,..., b m bază în U, şi a 1,..., a s, c s+1,..., c r bază în U 2 (conform propoziţiei 2.3, m s, r s). Prin calcule simple se deduce că a 1,..., a s, b s+1,..., b m, c s+1,..., c r constituie o bază în V. In cazul în care U 1 U 2 = {0}, suma U 1 + U 2 mai este numită sumă directă a subspaţiilor liniare U 1 şi U 2 şi este notată U 1 U 2. Observaţia 2.8. i) In cazul U 1 U 2 {0}, dacă x U 1 U 2 \ {0}, atunci orice element z U 1 + U 2, z = z 1 + z 2, z U 1, z 2 U 2 poate fi scris şi sub forma z = (z 1 x) + (x + z 2 ), altfel spus, reprezentarea elementelor din U 1 + U 2 ca sumă, z = z 1 + z 2, z 1 U 1, z 2 U 2, nu este unică; ii) orice element z U 1 U 2 poate fi scris în mod unic sub forma z = z 1 + z 2, z 1 U 1, z 2 U 2. In adevăr, din z 1 + z 2 = z 1 + z 2, z 1, z 1 U, z 2, z 2 U 2 rezultă z 1 z 1 = z 2 z 2 = 0 deoarece U 1 U 2 = {0}, adică z 1 = z 1, z 2 = z 2. Observaţia 2.9. Dacă U 1, U 2 sunt subspaţii liniare ale unui K-spaţiu liniar finit generat, atunci dim U 1 U 2 = dim U 1 +dim U 2. Mai mult, U 1 +U 2 = U 1 U 2 dacă şi numai dacă dim(u 1 + U 2 ) = dim U 1 + dim U 2. In ceea ce priveşte reuniunea de subspaţii, se arată uşor că U 1 U 2 este subspaţiu liniar dacă şi numai dacă U 1 U 2 sau U 2 U 1. Operaţiile intersecţie şi sumă se pot extinde, în general, pentru familii de subspaţii liniare ale unui aceluiaşi K-spaţiu liniar. Fie {U i } i I o familie de subspaţii liniare ale K-spaţiului liniar V. i IU i este subspaţiu liniar în V ; i I U i = { }15 x αj α j I, x αj U αj, j = 1, n, n N este subspaţiu liniar în V. Verificarea condiţiilor de subspaţiu liniar este propusă ca un simplu exerciţiu. I. 15 Orice x i I U i se reprezintă ca sumă finită de elemente din subspaţiile liniare U i, i 19

20 Prima aserţiune conduce la noţiunea de subspaţiu liniar generat de o submulţime a spaţiului liniar considerat: pentru un K-spaţiu liniarv şi X V, intersecţia familiei subspaţiilor liniare ale lui V ce includ X poartă numele de subspaţiu liniar generat de X (notăm < X >). Observaţia i) L(a 1,..., a n ) =< {a 1,..., a n } >; ii) U 1 + U 2 =< U 1 U 2 >. In ceea ce priveşte i I U i, limitându-ne, pentru simplitate, la cazul I = {1, 2,..., n}, vom spune că, în cazul în care pentru orice i, 1 i n, U i U j = {0}, subspaţiul liniar U i este suma directă a familiei j i subspaţiilor U i, i = 1, n (notăm n U i ). Pentru n = 2 se obţine suma directă a subspaţiilor U 1, U 2. Mai mult se obţine inductiv, remarcând întâi că U 1 U 2 = U 2 U 1 şi (U 1 U 2 ) U 3 = U 1 (U 2 U 3 ). Propoziţia 2.6. Fie U 1,..., U n subspaţii liniare ale K-spaţiului liniar V. Următoarele afirmaţii sunt echivalente: n i) U i = U i ; ii) dacă orice i = 1, n. x i = y i, unde x i, y i U i, i = 1, n, atunci x i = y i pentru Demonstraţie. i) ii) Din iar x i y i U i, (y j x j ) j i x i = y i rezultă x i y i = n U 1 (y j x j ), j i U j deci x i = y i, i, 1 i n. j i ii) i) Presupunând că i, 1 i n, astfel încât x U i j i U j şi 20

21 x 0, atunci, din x U i, rezultă x = y y i 1 + y i y n şi j i deci y y i 1 + ( x) + y i y n = fără ca x = 0, ceea ce este fals. Observaţia {a 1,..., a n } constituie o submulţime liniar independentă a unui K-spaţiu liniarv dacă şi numai dacă L(a 1,..., a n ) = L(a i n ). Propoziţia 2.7. Dacă U 1,..., U n sunt subspaţii liniare ale K-spaţiului n liniar finit generat V, atunci U i = U i dacă şi numai dacă dim U i = dim U i. Demonstraţie. Dacă m = 2, obţinem în mod evident că U 1 + U 2 = U 1 U 2 dim(u 1 + U 2 ) = dim U 1 + dim U 2. Dacă U i U j = {0} atunci dim U i U j = 0, deci dim U i = j i dim U i + dim j i U j 16. Arătând că j i U j = j i n U j va rezulta, aplicând metoda inducţiei matematice, ceea ce trebuia demonstrat. Dar x j = y j x x i 1 +0+x i x n = y y i j i j i a i y i y n deci x j = y j pentru orice j = 1, n, j i, adică Reciproc dim U i j i 16 S-a ţinut cont că U i + U j = 0 U i U j = j i U j. U j = j i n U j. j i U j = {0}, pentru orice i = 1, n. j i 21

22 Conchidem că U i = n U i. Operatori liniari Fie V şi W spaţii liniare peste acelaşi corp comutativ K. Definiţia 2.4. O aplicaţie ϕ : V W se numeşte operator liniar (de la V la W ) dacă satisface condiţiile: i) ϕ(x + y) = ϕ(x) + ϕ(y), oricare ar fi x, y V ; ii) ϕ(xy) = αϕ(x), oricare ar fi α K şi x V. Observaţia Condiţiile din definiţie sunt, în mod clar, echivalente cu condiţia: ϕ(αx + βy) = αϕ(x) + βϕ(y) oricare ar fi α, β K şi x, y V. Exemple: i) Aplicaţia identitate 1 V : V V este operator liniar (operatorul liniar identitate); ii) Aplicaţia 0 : V W 0(x) = 0, x V, este operator liniar (operatorul liniar nul); iii) Aplicaţia ϕ : K[X] K[X], ϕ(f) = f, unde, pentru f(x) = k=0 a k X k, f (X) = k=1 (ka k )X k 1, iar ka k = a k a }{{} k, este operator liniar k ori (operatorul liniar de derivare). Observaţia i) Notând L(V, W ) = {f : V W f operator liniar} şi definind f +g, λf, (λ K) prin (f +g)(x) = f(x)+g(x), (λf)(x) = λf(x), obţinem că L(V, W ) este K-spaţiu liniar; ii) remarcând întâi că, prin compunerea a doi operatori liniari (f : V W, h : W Y, se obţine un operator liniar (h f : V Y )) şi notând L(V ) = {f : V V f operator liniar}, obţinem că L(V ) împreună cu operaţia + definită anterior şi cu operaţia de compunere are structură de inel unitar. Dacă ϕ : V W este, în plus, injectivă (surjectivă) atunci spunem că avem un operator liniar injectiv (surjectiv). Observaţia i) Dacă ϕ : V W este operator liniar, atunci submulţimea ker ϕ = {x V ϕ(x) = 0} este subspaţiu liniar în V. ϕ este operator liniar injectiv dacă şi numai dacă ker ϕ = {0}; ii) dacă ϕ : V W este operator liniar, atunci submulţimea Imϕ = {ϕ(x) x V } este subspaţiu liniar în W. ϕ este operator liniar surjectiv dacă şi numai dacă Imϕ = W. 22

23 Propoziţia 2.8. Dacă V, W sunt K-spaţii liniare finit generate, iar ϕ : V W este operator liniar atunci: dim V = dim(ker ϕ) + dim(imϕ). Demonstraţie. Propoziţia 2.3 asigură faptul că subspaţiile ker ϕ şi Imϕ sunt finit generate. Fie e 1,..., e r o bază în ker ϕ. Observaţia 2.6 asigură faptul că există e r+1,..., e n astfel încâte 1,..., e r, e r+1,..., e n să constituie o bază în V. Se arată uşor că {ϕ(e r+1 ),..., ϕ(e n )} este liniar independentă şi constituie un sistem de generatori pentru Imϕ. Avem atunci n = r + (n r) adică dim V = dim(ker ϕ) + dim(imϕ). In cazul ker ϕ = {0}, dacă e 1,..., e n este bază în V, atunci ϕ(e 1 ),..., ϕ(e n ) este bază în Imϕ. In cazul în care Im(ϕ) = {0} adică ϕ este operatorul liniar nul, este evident că V = ker ϕ. Definiţia 2.5. Un operator liniar ϕ : V W este numit izomorfism de spaţii liniare dacă există un operator liniar ϕ : W V astfel încâtϕ ϕ = 1 W, ϕ ϕ = 1 V (în acest caz spunem că V şi W sunt izomorfe şi notăm V W ). Propoziţia 2.9. Un operator liniar ϕ : V W este izomorfism dacă şi numai dacă aplicaţia ϕ este bijectivă. Demonstraţie. Este clar că în ipoteza ϕ izomorfism rezultă ϕ bijectivă. Reciproc, fie ψ inversa aplicaţiei ϕ. Este suficient să arătăm că ψ este operator liniar. Dacă y 1, y 2 W, atunci y 1 +y 2 = 1 W (y 1 +y 2 ) = ϕ(ψ(y 1 +y 2 )) şi y 1 + y 2 = 1 W (y 1 ) + 1 W (y 2 ) = ϕ(ψ(y 1 )) + ϕ(ψ(y 2 )). Rezultă ψ(y 1 + y 2 ) = ψ(y 1 ) + ψ(y 2 ). In mod analog, se arată că ψ(αy) = αψ(y). Teorema 2.3. Fie V, W două spaţii liniare finit generate. Atunci V W dim V = dim W. Demonstraţie. Dacă ϕ : V W este izomorfism atunci ker ϕ = {0} şi Imϕ = W. Conform propoziţiei 2.8, rezultă dim V = dim W. Fie e 1,..., e n bază în V şi f 1,..., f n bază în W. Definim ϕ : V W în modul următor: dacă x V, x = α 1 e α n e n atunci ϕ(x) = α 1 f α n f n. Se dovedeşte (prin verificare directă) că ϕ este operator liniar injectiv şi surjectiv deci izomorfism. Consecinţa 2.1. Orice K-spaţiu liniarde dimensiune n este izomorf cu spaţiul liniar K n. 23

24 O caracterizare a izomorfismelor de spaţii liniare de aceeaşi dimensiune finită este dată în propoziţia următoare. Propoziţia Fie V, W două K-spaţii liniare având dim V = dim W = n şi : V W un operator liniar. Următoarele condiţii sunt echivalente: i) f este injectiv; ii) f este surjectiv; iii) f este izomorfism. Demonstraţie. Conform propoziţiei 2.8, dim ker f + dimimf = dim V. Dacă f este injectiv, atunci ker f = {0} şi deci Imf = dim V = dim W. Folosind propoziţia 2.5 se deduce Imf = W, adică f este surjectiv. In acelaşi mod se arată că, dacă f este surjectiv atunci f este injectiv. Fie V, W K-spaţii liniare finit generate, dim V = m, dim W = n, f : V W un operator liniar şi B = {e 1,..., e m }, B = {f 1,..., f n } baze în V, respectiv W. Avem: iar matricea f(e 1 ) = α 11 f 1 + α 21 f α n1 f n ;... f(e m ) = α 1m f 1 + α 2m f α nm f n, M BB (f) = α 11 α α 1m α n1 α n2... α nm este numită matricea operatorului f în perechea de baze (B, B ). Având în vedere faptul că pentru x V, x = α i e 1, iar f(x) = α i f(e i ), se deduce f este unic determinat de M BB (f). In acest context se obţine: Propoziţia Fie V şi W K-spaţii liniare având dim V = m, dim W = n, m, n N. Atunci spaţiile liniare L(V, W ) şi M(n, m, K) sunt izomorfe. Demonstraţie. Considerăm baza B = {e 1,..., e m } în V şi baza B = {f 1,..., f n } în W. Definim ϕ : L(V, W ) M(n, m, K) prin ϕ(f) = M BB (f). Prin calcul se deduce că M BB (f + g) = M BB (f) + M BB (g), M BB (αf) = αm BB (f) deci ϕ este operator liniar. Dacă ϕ(f) = ϕ(g), atunci, presupunând M BB (f) = 24

25 (α ij ) n m, M BB (g) = (β ij ) n m, rezultă f(e j ) = m α ij f i = β ij f i = g(e j ), j = 1, m şi în consecinţă f(x) = g(x), x V, adică ϕ este injectivă. Dacă M = (a ij ) n m M(n, m, K), se consideră f : V W dat prin m f(e j ) = a ij f i, j = 1, m, iar pentru x V, x = η j e j, f(x) = η j f(e j ). Este clar că f este operator liniar şi M BB (f) = M, deci ϕ este surjectivă. Pe parcursul demonstraţiei anterioare a fost evidenţiat faptul că, pentru o pereche de baze precizate, matricea sumei a doi operatori f, g L(V, W ) este egală cu suma matricelor corespunzătoare operatorilor f şi respectiv g. In cazul operatorilor liniari f : V W, h : W Y unde V, W, Y sunt K- spaţii liniare, dim V = m, B este o bază în V, dim W = n, B este o bază în W, dim Y = p, B este o bază în Y, are loc 17 : Observaţia M BB (h f) = M B B (h) M BB (f). Această observaţie conduce imediat la: Propoziţia Dacă V este K-spaţiu liniarde dimensiune m, atunci există un izomorfism de inele între L(V ) şi M(m, K). Drept consecinţă se obţine: Consecinţa 2.2. Dacă V este K-spaţiu liniar finit generat, iar B este o bază în V atunci operatorul liniar f L(V ) este izomorfism dacă şi numai dacă M BB (f) este inversabilă. In consideraţiile anterioare, spaţiile liniare finit generate au fost presupuse ca fiind înzestrate cu o (anumită) bază fixată. Aceasta, nefiind supusă unor restricţii, se deduce că enunţurile date au loc pentru orice baze s-ar alege în spaţiile considerate. Pe de altă parte, apare în acest context problema schimbării matricei unui operator liniar în cazul schimbării bazelor în spaţiile considerate. Fie V şi W K-spaţii liniare având dim V = m, dim W = n, B 1 = {e 1,..., e m }, B 2 = {e 1,..., e m}, baze în V, B 1 = {f 1,..., f n }, B 2 = {f 1,..., f n}, baze în W. Notăm A = (a ij ) m n matricea de trecere de la baza B 1 la baza B 2 şi A = (a ij) n n matricea de trecere de la baza B 1 la baza B verificarea este propusă ca exerciţiu 25

26 Fie f : V W un operator liniar. Prin calcul se deduce formula de schimbare a matricei unui operator la schimbarea bazelor: M B2 B 2 (f) = (A ) 1 M B1 B 1 (f) A. Intr-adevăr, dacă M B1 B 1 (f) = (α ij) n m, M B2 B 2 (f) = (β ij) n m, ( m ) ( m m ) f(e j) = f a kj e k = a kj f(e k ) = a kj α lk f l = şi f(e j) = Rezultă: k=1 k=1 k=1 ( m ) α lk a kj f l, j = 1, m l=1 k=1 ( ) β kj f j = kj a k=1β lkf l = l=1 k=1 m α lk a kj = k=1 l=1 ( ) a lkβ kj f l, j = 1, m. l=1 k=1 a lkβ kj, l = 1, n, j = 1, m, k=1 deci A M B2 B 2 (f) = M B 1 B 1 (f) A, unde A (şi A) este inversabilă. Conexiunile dintre proprietăţile operatorilor liniari şi cele ale matricelor asociate sunt evidenţiate şi de următorul rezultat (ce se va dovedi util în paragraful următor). Propoziţia Fie V un K-spaţiu liniar, dim V = n, g : V V operator liniar astfel încât m N încât (g g... g) (x) = 0, (g }{{} m (x) = 0) m x V. Atunci există o bază B în V aşa încât M BB (g) = 0 ε ε ε n , ε k {0, 1}, k = 0, n 1. Demonstraţie. Din implicaţia g k (x) = 0 g k+1 (x) = g(g k (x)) = 0 rezultă incluziunile (*) {0} ker g ker g 2... ker g p 1 ker g p = V unde p = min{m g m (x) = 0, x V }. 26

27 Din minimalitatea lui p rezultă că incluziune ker g p 1 ker g p este strictă. Dacă avem o bază B p 1 în ker g p 1, atunci aceasta poate fi completată până la o bază B p în ker g p, anume B p = {x 1,..., x k } B p 1. Notăm S 1 = {x 1,..., x k }. Se verifică uşor că g(s 1 ) = {g(x 1 ),..., g(x k )},..., g p 1 (S 1 ) = {g p 1 (x 1 ),..., g p 1 (x k )} sunt liniar independente şi g(s 1 ) ker g p 1 \ ker g p 2... g p 1 ker g \ {0} Se deduce astfel că toate incluziunile (*) sunt stricte. In continuare, dacă avem o bază B p 2 în ker g p 2, aceasta se va completa până la o bază B p 1 în ker g p 1 luând mai întâi g(s 1 ), adică B p 1 = g(s 1 ) B p 2 S 2, unde S 2 = {y 1,..., y e } sau S 2 =. Procedeul se continuă din aproape în aproape până se ajunge la ker g unde este necesar să construim o bază B 1 = g p 1 (S 1 ) g p 2 (S 2 )... g(s p 1 ) S p unde S i, i = 2, p 1, sunt obţinute prin procedeul anterior (putem avea şi S i = ), iar S p = {v 1,..., v i } sau S p =. Se verifică faptul că B = {g p 1 (x 1 ), g p 2 (x 1 ),.., g(x 1 ), x 1, g p 2 (x 2 ),..., g(x 2 ), x 2,..., g p 1 (x k ),..., g(x k ), x k, g p 2 (y 1 ),..., g(y 1 ), y 1,.., g p 2 (y e ),..., y e,..., v 1, v 2,..., v t } constituie o bază 18 în V. Matricea lui g va avea forma din enunţ. 2.1 Subspaţii invariante Fie V un K-spaţiu liniarşi f : V V un operator liniar. Un subspaţiu liniar U al K-spaţiului liniar V este numit subspaţiu invariant relativ la operatorul liniar f dacă x U, f(x) U (astfel spus, f(u) U). Exemple: i) ker f şi Imf sunt subspaţii invariante relativ la f; ii) V şi {0} sunt subspaţii invariante faţă de orice operator liniar f : V V ; 18 In ipoteza că S i =, secvenţa corespunzătoare nu apare în mulţimea considerată. ( p 1 p 2 ) Mai putem scrie B = g j (S 1 ) g k (S 2 )... (g(s p 1 ) S p 1 ) S p unde g 0 (S i ) = S i, i = 1, 2,... j=0 k=0 27

28 iii) Orice subspaţiu este invariant faţă de operatorul nul şi faţă de operatorul identitate. De interes deosebit se bucură subspaţiile invariante de dimensiune 1. Se ajunge astfel la: Definiţia 2.6. i) Un element x V \ {0} se numeşte vector propriu al operatorului liniar f : V V dacă există λ K astfel încâtf(x) = λx. ii) Un element λ K se numeşte valoare proprie a operatorului liniar f : V V dacă x V \ {0} astfel încâtf(x) = λx. Observaţia i) Unui vector propriu îi corespunde o singură valoare proprie; ii) Unei valori proprii îi corespunde o infinitate de vectori proprii, iar U λ = {x V f(x) = λx} 19 constituie un subspaţiu liniar invariant 20 ; iii) Vectorii proprii corespunzători la valori proprii distincte (ale unui acelaşi operator liniar f : V V ) constituie o submulţime liniar independentă. Demonstraţie. i) Dacă f(x) = λ(x) şi f(x) = µx, atunci (λ µ)x = 0 şi, cum x 0, rezultă λ = µ. ii) Dacă x este vector propriu corespunzător valorii proprii λ, atunci µx, µ K, satisface, de asemenea, f(µx) = µ(λx) = (µλ)x = (λµ)x = λ(µx). Avem şi f(x) = λx, f(y) = λy f(x + y) = λ(x + y). iii) Fie x 1,..., x p asociaţi valorilor proprii λ 1,..., λ p. Dacă presupunem că β 1 x β p x p = 0 şi, de exemplu, β 1 0, atunci β 2 (λ 1 λ 2 )x β p (λ p λ 1 )x p = 0 (prima egalitate se înmulţeşte membru cu membru cu λ 1 şi se scade din β 1 λ 1 x β p λ p x p = 0). Dacă presupunem că {x 2,..., x p } constituie o submulţime liniar independentă atunci rezultă β 2 =... = β p = 0 (deoarece λ i λ j, i j, 1 i, j p). Se obţine β 1 x 1 = 0 - fals (β 1 0, x 1 0). Rezultă că are loc: {x 1,..., x p } liniar dependentă {x 2,..., x p } liniar dependentă... {x p } liniar dependent(absurd deoarece x p 0). In cele ce urmează se va indica o metodă de determinare a valorilor proprii (şi vectorilor proprii) 4n cazul unui K-spaţiu liniarde dimensiune finită. Fie un K-spaţiu liniarv, dim V = n, B o bază în V şi f : V V un 19 Este numit subspaţiul propriu asociat valorii proprii λ şi este format din 0 şi din vectorii proprii corespunzători valorii proprii λ. Dacă λ nu este valoare proprie, vom avea U λ = {0}. 20 Se va vedea ulterior că dim U λ nu este în mod obligatoriu egală cu 1. 28

29 operator liniar. Explicitând pe coordonate egalitatea f(x) = λx, se obţine: (α 11 λ)ξ + α 12 ξ α 1n ξ n = 0... α n1 ξ 1 + α n2 ξ (α nn λ)ξ n = 0 unde ξ 1,..., ξ n reprezintă coordonatele lui x în baza dată, iar A = (α ij ) n n = M BB (f) (matricea lui f în baza B). Pentru ca sistemul astfel obţinut (în necunoscutele ξ 1,..., ξ n ) să admită soluţii diferite de soluţia banală ξ 1 =... = ξ n = 0, este necesar şi suficient ca determinantul matricei sistemului să fie nul. Deducem de aici că valorile proprii ale operatorului liniar f sunt rădăcinile (din K) ale polinomului P (λ) = det(a λi n ), numit polinomul caracteristic al operatorului f. In locuind valorile găsite pentru λ în sistemul anterior, se deduc sistemele ce au ca soluţii, respectiv, vectorii proprii corespunzători valorii proprii considerate. Apare ca necesar următorul rezultat (prefigurat şi de faptul că în denumirea de polinom caracteristic nu se face referire la matricea operatorului A): Propoziţia Polinomul caracteristic al unui operator f : V V (V este K-spaţiu liniarfinit generat) este invariant 21 faţă de schimbarea bazei. Demonstraţie. Fie B şi B baze în V şi A = M BB (f), A = M B B (f). Dacă M este matricea de trecere de la baza B la baza B atunci A = M 1 AM, iar det(a λi n ) = det(m 1 AM λm M 1 ) = det M 1 (A λi n )M = det M 1 det(a λi n ) det M = det(a λi n ) (n = dim V ). Fie V un K-spaţiu liniar, dim V = n, B o bază în V, f : V V un operator liniar având polinomul caracteristic P (λ) = α n λ n + α n 1 λ n α 0 (evident α n = ( 1) n ) şi M BB (f) = A. Notăm şi f k = f f... f. }{{} k ori Propoziţia [Teorema Hamilton-Cayley] Au loc: α n A n + α n 1 A n α 0 I n = O M(n, K) (putem scrie P (A) = O M(n, K)) şi α n f n + α n 1 f n α 0 1 V = O L(V, V ) (putem scrie P (f) = O L(V, V ), unde O : V V, O(x) = 0, x V ). 21 (cu sensul că) polinoamele obţinute pentru acelaşi operator f, folosind baze diferite, au exact aceleaşi rădăcini, de aceleaşi ordine de multiplicitate 29