Esempio. L immagine di f è l insieme dei vettori w = (w 1, w 2 ) R 2 che hanno w 1 = w 2. Quindi:

Documenti analoghi
Esempi. In R 2, le coppia (2, 5) è combinazione lineare dei vettori (0, 1) e (1, 1). Infatti:

ESEMPIO DI SISTEMA LINEARE CON SOLUZIONE. Esercizio Si consideri il sistema di equazioni lineari dipendente da un parametro λ R:

APPLICAZIONI LINEARI

Rango di una matrice e teorema di Rouché-Capelli

1. [15 punti] Calcolare il rango della seguente matrice a coefficienti reali: ( 1/2) 1 (1/2)

Note sui sistemi lineari per il Corso di Geometria per Chimica, Facoltà di Scienze MM.FF.NN., UNICAL (Dott.ssa Galati C.) Rende, 4 Maggio 2010

Esercitazione 6 - Soluzione

APPLICAZIONI. Im f = {b B a A tale che f (a) = b}.

Federica Gregorio e Cristian Tacelli

Corso di GEOMETRIA Dipartimento di Ingegneria ed Architettura Università degli Studi di Trieste Prof. Fabio Perroni. 5. Rango

Nozioni e notazioni: concetti primitivi di insieme, elemento ed appartenenza.

Corso di Geometria BIAR, BSIR Esercizi 4: soluzioni

0.1 Complemento diretto

Matrici triangolari [Abate, 3.2] Lezioni 05 e 06. Determinante di una matrice triangolare [Abate, es. 9.3] Matrici ridotte per righe.

Prima prova in itinere di Geometria (Corso di laurea in Fisica, Canali A-C e D-O) Prof. Barucci e Piccinni 29 novembre 2011

Definizione. Sia f : V V un endomorfismo e λ R. Se esiste v V non nullo tale che

Elementi di Algebra Lineare Applicazioni lineari

r 2 r 2 2r 1 r 4 r 4 r 1

Applicazioni lineari tra spazi euclidei. Cambi di base.

1 Indipendenza lineare e scrittura unica

APPLICAZIONI LINEARI O OMOMORFISMI

Matematica discreta 1 [145016]

Analisi dei dati corso integrato - Algebra lineare, e a b c 0. le soluzioni del sistema lineare omogeneo x d e f 2. a b c.

Esercizi di Geometria Spazi vettoriali e sottospazi - indipendenza lineare

Note per le esercitazioni di Geometria 1 a.a. 2007/08 A. Lotta. Metodi per il calcolo del rango di una matrice

Elementi di Algebra Lineare Applicazioni lineari

Lezione 10: Teorema di Rouchè-Capelli e la classificazione dei sistemi lineari

Registro Lezioni di Algebra lineare del 15 e 16 novembre 2016.

CORSO DI ALGEBRA LINEARE Anno Accademico 2004/2005 Appunti su SISTEMI di EQUAZIONI LINEARI

Anno Accademico 2017/2018

ESERCIZI DI MATEMATICA DISCRETA ANNO 2006/2007

1. Sistemi di equazioni lineari. 1.1 Considerazioni preliminari

Esercizi di geometria per Fisica / Fisica e Astrofisica

CORSO DI GEOMETRIA APPLICAZIONI LINEARI E MATRICI A.A. 2018/2019 PROF. VALENTINA BEORCHIA

SOTTOSPAZI E OPERAZIONI IN SPAZI DIVERSI DA R n

Algebra lineare. {ax 2 + bx + c R 2 [x] : 2a + 3b = 1} a b c d. M(2, 2) : a + c + d = 2. a b. c d

CORSO DI ALGEBRA (M-Z) Prof. A. Venezia

a + 2b + c 3d = 0, a + c d = 0 c d

Anno Accademico 2015/2016

Manlio Bordoni. APPUNTI SULLA RAPPRESENTAZIONE DEI SOTTOSPAZI VETTORIALI DI R n I MODO. v 11. v n1

GEOMETRIA 1 terza parte

Corso di Geometria BIAR, BSIR Esercizi 3: soluzioni

Anno Accademico 2016/2017

2. Determinare le dimensioni dei seguenti sottospazi W ed esibirne due basi basi diverse, quando è possibile:

Corso di Matematica Generale M-Z Dipartimento di Economia Universitá degli Studi di Foggia ALGEBRA LINEARE. Giovanni Villani

Lezione 4: Base e dimensione

Dim. Usare la chiusura rispetto al prodotto esterno (vedi appunti lezione o libri di testo).

NOTE DI ALGEBRA LINEARE v = a 1 v a n v n, w = b 1 v b n v n

Metodi per la risoluzione di sistemi lineari

Metodi per la risoluzione di sistemi lineari

Esercizi di MATEMATICA PER RCHITETTURA prima parte: Algebra Lineare e Geometria

GE110 - Geometria 1. Prova in Itinere 2 27 Maggio 2010

Sistemi Lineari. Rango di una matrice. Lezione 21, Algebra Lineare,

ESAME DI GEOMETRIA. 6 febbraio 2002 CORREZIONE QUIZ

Spazi Vettoriali ed Applicazioni Lineari

Corso di GEOMETRIA Dipartimento di Ingegneria ed Architettura Università degli Studi di Trieste Prof. Fabio Perroni. 3. Sistemi di equazioni lineari

Esercizi svolti. delle matrici

Sistemi di equazioni lineari

APPLICAZIONI LINEARI

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA EDILE/ARCHITETTURA

APPLICAZIONI LINEARI

CAPITOLO IV RISOLUZIONE DEI SISTEMI LINEARI COL METODO DEI DETERMINANTI

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI ROMA TRE Corso di Laurea in Matematica GE110 - Geometria 1 a.a Prova scritta del TESTO E SOLUZIONI

Geometria BAER A.A. Canale I Foglio esercizi 4

CORSO DI MATEMATICA II Prof. Paolo Papi ESERCIZI. 1). Stabilire quali dei seguenti sottoinsiemi di V sono sottospazi vettoriali. (a) V = R 3.

3. Elementi di Algebra Lineare.

LEZIONE 12. v = α 1 v α n v n =

Registro dell insegnamento

4. Richiami: sistemi lineari e matrici

Sistemi lineari 1 / 12

Soluzione degli esercizi di algebra lineare (del 26 ottobre 2018)

Matematica per Chimica, Chimica Industriale e Scienze dei Materiali Primo appello 7/02/2012 Tema A

Università di Modena e Reggio Emilia Facoltà di Scienze MM.FF.NN. PROVA DI ALGEBRA LINEARE (esercitazione del 18 gennaio 2011)

Insiemi di generatori, dipendenza lineare e basi

Elementi di Algebra Lineare

Geometria Prova scritta, appello unico, sessione autunnale Corso di laurea in fisica A.A 2017/2018 Canali A C, e L Pa

Equivalentemente, le colonne di A sono linearmente indipendenti se e solo se

Si consideri il sistema a coefficienti reali di m equazioni lineari in n incognite

Per le risposte utilizza gli spazi predisposti. Quando richiesto, il procedimento va esposto brevemente, ma in maniera comprensibile.

REGISTRO DELLE LEZIONI

I. Foglio di esercizi su vettori linearmente dipendenti e linearmente indipendenti. , v 2 = α v 1 + β v 2 + γ v 3. α v 1 + β v 2 + γ v 3 = 0. + γ.

Risoluzione di sistemi lineari

Soluzioni primi compitini - Geometria 1

MATEMATICA. a.a. 2014/ Sistemi di equazioni lineari

Esercizi su applicazioni lineari. Per tutto il seguito, se non specificato esplicitamente K indicherà un campo e V,W,U spazi vettoriali su K.

Esercizi 9 Rango di una matrice, sistemi lineari

Sistemi II. Sistemi II. Elisabetta Colombo

Parte 5. Sottospazi. A. Savo Appunti del Corso di Geometria

1 o ESONERO DI ALGEBRA (Studenti di Informatica canale D Andrea) 10 Novembre 2014 Soluzione

Pagine di Algebra lineare. di premessa al testo Pagine di Geometria di Sara Dragotti. Parte terza: SISTEMI LINEARI

Esercizi di Geometria

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA EDILE/ARCHITETTURA

Capitolo VI SISTEMI LINEARI

DIARIO DEL CORSO DI MATHEMATICS FOR DATA SCIENCE TRENTO, A.A. 2018/19 DOCENTI: ANDREA CARANTI, SIMONE UGOLINI

dipendenti. Cosa possiamo dire sulla dimensione di V?

e non ci possono chiaramente essere minori di ordine più grande per cui il rango per minori è 2. Rango per pivot: Svolgiamo la riduzione

Ingegneria Gestionale - Corso di Analisi II e Algebra anno accademico 2008/2009

Fondamenti di ALGEBRA LINEARE E GEOMETRIA

1 Esercizi 13. 3x + λy + 2z = 0 (1 λ)x + 5y + 3z = 0 3x + 2y + z = 0

Transcript:

Nucleo, immagine e loro proprietà [Abate, 5.2] Data una applicazione lineare f : V W, chiamiamo nucleo di f l insieme N(f) := { v V : f(v) = 0 W } Se S V è un sottoinsieme del dominio, indichiamo con f(s) il sottoinsieme di W dei vettori che sono immagine di (almeno) un vettore di S: Lezione 15 f(s) := { w W : v S tale che w = f(v) }. In particolare l insieme Im(f) = f(v) è detto immagine di f. Esercizi C. Carrara: 7. Rango: Rouché-Capelli, dimensione e basi di spazi vettoriali. 8. Applicazioni lineari. Sia f : R 2 R 2 l applicazione f(x, y) := (x + y, x + y). Il nucleo di f è l insieme delle coppie (x, y) che risolvono l equazione x + y = 0. Quindi: N(f) = { (t, t) : t R } = L ( (1, 1) ) L immagine di f è l insieme dei vettori w = (w 1, w 2 ) R 2 che hanno w 1 = w 2. Quindi: Im(f) = { (t, t) : t R } = L ( (1, 1) ) 1 / 23 Teorema (Proprietà di nucleo e immagine) Sia f : V W una applicazione lineare. Allora: 1. N(f) è un sottospazio di V; 2. se S V è un sottospazio, allora anche f(s) W è un sottospazio; (f trasforma sottospazi in sottospazi; in particolare f(v) è un sottospazio di W) 3. se I è un insieme di generatori di S, allora f(i) è un insieme di generatori di f(s). (f trasforma insiemi di generatori in insiemi di generatori) Dimostrazione punto 1. Siano a 1, a 2 R e v 1, v 2 N(f), ovvero v 1 e v 2 sono vettori di V che soddisfano f(v 1 ) = f(v 2 ) = 0 W. Dalla linearità di f segue che: f(a 1 v 1 + a 2 v 2 ) = a 1 f(v 1 ) + a 2 f(v 2 ) = a 1 0 W + a 2 0 W = 0 W, ovvero a 1 v 1 + a 2 v 2 N(f). Per il criterio c) di sottospazio, N(f) è un sottospazio di V. Teorema (Proprietà di nucleo e immagine) Sia f : V W una applicazione lineare. Allora: 1. N(f) è un sottospazio di V; 2. se S V è un sottospazio, allora anche f(s) W è un sottospazio; (f trasforma sottospazi in sottospazi; in particolare f(v) è un sottospazio di W) 3. se I è un insieme di generatori di S, allora f(i) è un insieme di generatori di f(s). (f trasforma insiemi di generatori in insiemi di generatori) Dimostrazione punto 2. Sia S V un sottospazio, w 1, w 2 f(s) e a 1, a 2 R. Per definizione esistono v 1, v 2 S tali che w 1 = f(v 1 ) w 2 = f(v 2 ) Dalla linearità di f segue che w := a 1 w 1 + a 2 w 2 = a 1 f(v 1 ) + a 2 f(v 2 ) = f(a 1 v 1 + a 2 v 2 ). Siccome S è per ipotesi un sottospazio, allora v = a 1 v 1 + a 2 v 2 S, e quindi w = f(v) appartiene f(s) (w è immagine tramite f di un vettore di S). Per il criterio c) di sottospazio, f(s) è un sottospazio di W. 2 / 23 3 / 23

Teorema (Proprietà di nucleo e immagine) Sia f : V W una applicazione lineare. Allora: 1. N(f) è un sottospazio di V; 2. se S V è un sottospazio, allora anche f(s) W è un sottospazio; (f trasforma sottospazi in sottospazi; in particolare f(v) è un sottospazio di W) 3. se I è un insieme di generatori di S, allora f(i) è un insieme di generatori di f(s). (f trasforma insiemi di generatori in insiemi di generatori) Dimostrazione punto 3. Siano v 1, v 2,..., v n dei generatori di S. Per costruzione, per ogni w f(s) esiste v S tale che f(v) = w. Possiamo scrivere v come combinazione lineare dei generatori di S: v = a 1 v 1 + a 2 v 2 +... + a n v n, con a 1,..., a n R. Dalla linearità di f ricaviamo w = f(v) = f(a 1 v 1 + a 2 v 2 +... + a n v n ) = a 1 f(v 1 ) + a 2 f(v 2 ) +... + a n f(v n ). Siccome questo vale per ogni w f(s), i vettori f(v 1 ),..., f(v n ) formano un insieme di generatori di f(s). 4 / 23 Osserviamo che per definizione f : V W è suriettiva se e solo se Im(f) = W. Proposizione Una applicazione lineare f : V W è iniettiva se e solo se N(f) = {0 V }. Dimostrazione. Ricordiamo che f è iniettiva se f(v) = f(v ) se e solo se v = v. Se N(f) contiene un vettore v non nullo, allora f(v) = 0 W = f(0 V ) ed f non è iniettiva. Viceversa se N(f) = {0 V }, allora il vettore f(v) f(v ) = f(v v ) è nullo se e solo se v v = 0 V, ovvero v = v. Questo prova l iniettività di f. L applicazione f : R 2 R, f(x, y) = x + y non è inettiva. Infatti il nucleo contiene vettori non nulli, come il vettore (1, 1). 5 / 23 Proposizione Sia f : V W applicazione lineare iniettiva. Se I = {v 1, v 2,..., v n è un insieme di vettori di V linearmente indipendenti, allora f(i) = { f(v 1 ), f(v 2 ),..., f(v n ) } è un insieme di vettori di W linearmente indipendenti. (una applicazione lineare iniettiva trasforma insiemi liberi in insiemi liberi) Dimostrazione. Indichiamo con w i l immagine del vettore v i (per ogni 1 i n): w i = f(v i ) Una immediata conseguenza delle proposizioni precedenti è: Corollario Se f : V W applicazione lineare iniettiva e B = (v 1, v 2,..., v n ) è una base di V, allora f(b) = ( f(v 1 ), f(v 2 ),..., f(v n ) ) è una base di Im(f) W. (una applicazione lineare iniettiva trasforma basi di V in basi di f(v)) Per assurdo, assumiamo che a 1 w 1 + a 2 w 2 +... + a n w n = 0 W coefficienti non tutti nulli. Dalla linearità di f segue: per qualche scelta di In particolare, se V è finitamente generato ed f : V W è una applicazione lineare iniettiva, allora: f(a 1 v 1 +... + a n v n ) = a 1 f(v 1 ) +... + a n f(v n ) = a 1 w 1 +... + a n w n = 0 W, cioè a 1 v 1 +... + a n v n N(f). Siccome N(f) = {0 V } (f è iniettiva), segue che dim Im(f) = dim(v) Se V {0 V }, questa è una conseguenza del precedente corollario. Se V = {0 V } (quindi, non esiste una base di V), allora Im(f) = {0 W } e l uguaglianza diventa un banale 0 = 0. a 1 v 1 +... + a n v n = 0 V contraddicendo l ipotesi che I fosse un insieme libero. 6 / 23 7 / 23

Teorema della dimensione [Abate, Teorema 5.7] Se V è finitamente generato ed f : V W è una applicazione lineare, allora: dim N(f) + dim Im(f) = dim(v). Teorema della dimensione [Abate, Teorema 5.7] Se V è finitamente generato ed f : V W è una applicazione lineare, allora: dim N(f) + dim Im(f) = dim(v). Dimostrazione (1a parte). Se N(f) = {0 V }, la dimostrazione è banale: dim N(f) = 0 e, poiché f è iniettiva, per quanto detto in precedenza dim Im(f) = dim(v). Supponiamo che N(f) {0 V }. Indichiamo con n la dimensione di V, k la dimensione di N(f) e sia (v 1,..., v k ) una base di N(f). Usando il metodo del completamento ad una base, possiamo completare tale insieme ad una base (v 1,..., v k, v k+1,..., v n ) di V. Osserviamo che f si annulla sui primi k vettori di base, e w 1 = f(v k+1 ) w 2 = f(v k+2 )... w n k = f(v n ) sono generatori di Im(f). Facciamo ora vedere che sono linearmente indipendenti, da cui segue che sono una base di Im(f), e quindi la tesi dim Im(f) = n k = dim(v) dim N(f). Dimostrazione (2a parte). Dalla linearità di f segue che a 1 w 1 + a 2 w 2 +... + a n k w n k = f(a 1 v k+1 + a 2 v k+2 +... + a n k v n ) per ogni a 1,..., a n R. La precedente combinazione lineare è nulla se e solo se l argomento di f è un vettore del nucleo. Poiché (v 1,..., v k ) è una base di N(f) questo vuol dire che esistono b 1,..., b k R tali che a 1 v k+1 + a 2 v k+2 +... + a n k v n = b 1 v 1 + b 2 v 2 +... + b k v k. Siccome i vettori v 1,..., v n sono linearmente indipendenti, la precedente uguaglianza si può verificare solo se tutti i coefficienti sono nulli: a 1 = a 2 =... = a n k = b 1 = b 2 =... = b k = 0 Questo prova in particolare che i vettori w 1,..., w n k sono linearmente indipendenti. 8 / 23 9 / 23 Corollari Sia f : V W una applicazione lineare fra due spazi finitamente generati. Allora: 1. f suriettiva = dim(v) dim(w) ; 2. f iniettiva = dim(v) dim(w) ; 3. f biunivoca = dim(v) = dim(w). Dimostrazione. 1. Se f è suriettiva (quindi Im(f) = W), dal teorema della dimensione segue che dim(v) = dim N(f) + dim(w) dim(w) 2. Se f è iniettiva (quindi N(f) = 0), dal teorema della dimensione segue che dim(v) = dim Im(f) dim(w) (l ultima disuguaglianza segue dal fatto che Im(f) W è un sottospazio) 3. Se f è sia iniettiva che suriettiva, chiaramente dim(v) = dim(w). Applicazioni e sistemi lineari Sia A = (a ij ) R k,n ed L A : R n R k l applicazione associata, data da L A (x) := Ax x = t (x 1,..., x n ) R n Un vettore B = t (b 1,..., b k ) R k è nell immagine di L A x R n tale che Ax = B ( ) Quindi: B Im(L A ) il sistema di matrice completa (A B) è compatibile. La soluzione generale di ( ) è data dall insieme di tutti i vettori di R n che hanno per immagine la colonna dei termini noti B. Il nucleo di L A è l insieme dei vettori x che hanno per immagine il vettore nullo: Ax = 0 Sia (e 1,..., e n ) la base canonica di R n (i cui vettori scriviamo qui in colonna). Poiché L A (e i ) = t (a 1i, a 2i,..., a ki ) è la i-esima colonna di A, e una applicazione lineare trasforma generatori in generatori: 10 / 23 L immagine di L A è generata dalle colonne della matrice A. 11 / 23

Esercizi Esercizio (C. Carrara, es. 8.8) Sia L A : R 2 R 3 l applicazione lineare associata alla matrice 1 1 A = 2 0 1 1 Rango di una matrice [Abate, 5.2] Definizione Chiamiamo rango per colonne di una matrice A la dimensione dello spazio generato dalle colonne di A, indicata con ρ colonne (A) ; chiamiamo rango per righe di una matrice A la dimensione dello spazio generato dalle righe di A, indicata con ρ righe (A). a) Determinare, se esiste, una base di nucleo e immagine di L A. b) Stabilire se t ( 3, 2, 1) Im(L A ). Quindi: ρ colonne (A) = dim Im(L A ) ρ righe (A) = ρ colonne ( t A) Esercizio (Esame del 30/01/2012) Si consideri l applicazione lineare f : R 3 R 3 data da: f(x 1, x 2, x 3 ) := ( x 1 + x 2, x 1 + x 3, x 2 x 3 ) a) Determinare una base, se esiste, del nucleo di f. b) Determinare una base, se esiste, dell immagine di f. c) Il vettore v = ( 3, 3, 3) è nel nucleo di f e/o nell immagine. Teorema [Abate, prop. 5.11(2)] Il rango per righe è uguale al rango per colonne: ρ righe (A) = ρ colonne (A) per ogni A R k,n. Tale numero sarà chiamato rango di A ed indicato con ρ(a). 12 / 23 13 / 23 Dimostrazione (ρ righe (A) = ρ colonne (A) A R k,n ). Sia A ottenuta da A con la riduzione per righe. Le righe non nulle di A, siano esse r, formano una base per lo spazio generato dalle righe di A. Quindi: ρ righe (A) = r. Il sistema omogeneo Ax = 0 è equivalente ad A x = 0. La dimensione dello spazio delle soluzioni, ovvero del nucleo di L A, è data dal numero di incognite libere: dim N(L A ) = n r Osservazione: possiamo determinare il rango di una matrice riducendola per righe e contando le righe non nulle della matrice ridotta ottenuta. Esercizio Determinare il rango della matrice: 0 1 2 1 0 1 1 1 A = 0 2 3 2. 1 2 2 1 ( n parametri liberi = n incognite n pivot = n r ). Per il teorema della dimensione: dim N(L A ) + dim Im(L A ) = dim(r n ) = n. Quindi ρ colonne (A) = dim Im(L A ) = n dim N(L A ) = n (n r) = r = ρ righe (A). Corollario Lo spazio delle soluzioni del sistema omogeneo Ax = 0 ha dimensione n ρ(a). Soluzione (per riduzione). Riducendo A si ottiene: A R 2 R 2 R 1 R 3 R 3 2R 1 R 4 R 4 R 1 Quindi ρ(a) = ρ(a ) = 3. 0 1 2 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 R 3 R 3 R 2 A = 0 1 2 1 0 0 1 0 0 0 0 0. 1 1 0 0 14 / 23 15 / 23

Proprietà del rango Osservazioni. Se A è ridotta per righe, ρ(a) è dato dal numero di righe non nulle di A. Se A R k,n è triangolare superiore completa, allora ρ(a) = min(k, n). Proposizione Se A R k,n, allora ρ(a) min(k, n). Se ρ(a) = min(k, n) diciamo che A ha rango massimo. Dimostrazione. Le righe di A generano un sottospazio di R n, la cui dimensione ρ righe (A) è al più n; le colonne di A generano un sottospazio di R k, la cui dimensione ρ colonne (A) è al più k. Da ρ(a) = ρ righe (A) = ρ colonne (A) segue la tesi. 16 / 23 Definizione [Abate, 9.4] Sia A R k,n. Un minore di ordine p di A è una matrice quadrata M di tipo p p ottenuta da A eliminando k p righe e n p colonne. Un orlato di M è un minore di A di ordine p + 1 contenente M. 1 3 1 2 1 3 1 2 [ ] 0 7 A = 1 0 3 7 M = 1 0 3 7 = 2 6 5 2 4 6 5 2 4 6 1 3 1 2 1 3 2 M = 1 0 3 7 = 1 0 7 5 2 4 6 5 2 6 M è un minore di ordine 2 di A. M è un minore di ordine 3 nonché un orlato di M. Enunciamo senza dimostrazione: Teorema degli orlati [Abate, teorema 9.13] Una matrice ha rango p se e solo se esiste un minore di ordine p il cui determinante è non nullo, e tutti i suoi orlati hanno determinante nullo. 17 / 23 Esercizio Determinare il rango della matrice 1 3 0 1 0 1 1 0 1 0 3 1 2 1 5 2 Soluzione (con il teorema degli orlati). 1 3 0 1 0 1 1 0 1 0 3 1 2 1 5 2 il minore evidenziato ha determinante diverso da zero e tutti i suoi orlati hanno determinante nullo. Per il teorema degli orlati, si ha quindi ρ(a) = 2. Soluzioni di un sistema in forma vettoriale Proposizione [Abate, teorema 5.1] Data una soluzione u di un sistema compatibile Ax = B, ( ) ogni altra soluzione di ( ) si può ottenere sommando ad u una soluzione del sistema omogeneo associato: Ax = 0. ( ) Dimostrazione. Sia v un altra soluzione di ( ). Dalla proprietà distributiva del prodotto righe per colonne segue che A(v u) = Av Au = B B = 0 ovvero v u risolve ( ). Viceversa, se w risolve ( ), cioè Aw = 0, allora detto v = u + w si ha Av = Au + Aw = B + 0 = B 18 / 23 cioè v è soluzione di ( ). 19 / 23

Corollario La soluzione generale di un sistema compatibile di matrice completa (A B) R m,n+1 si può sempre scrivere nella forma dove: k = n ρ(a), v 0 è una soluzione particolare del sistema, x = v 0 + t 1 v 1 + t 2 v 2 +... + t k v k }{{} soluzione generale sistema omogeneo associato (v 1,..., v k ) è una base dello spazio delle soluzioni del sistema omogeneo Ax = 0, t 1, t 2,..., t k sono parametri reali. La soluzione generale dell equazione (ossia y = 2x + 6) è data da: { x = t y = 2t + 6 2x + y = 6 ovvero x = v 0 + t v 1 [ ] [ ] [ ] x 0 1 = + t y 6 2 Esercizio (esame del 04/07/2011) Si consideri il seguente sistema lineare dipendente da un parametro λ R: 3x 1 + λx 3 = 0 x 1 + (λ 3)x 2 + x 3 = 0 λx 1 + 3x 3 = 0 a) dire per quali valori di λ il sistema ammette infinite soluzioni; b) per i valori di λ trovati al punto a), scrivere una base per lo spazio delle soluzioni. Soluzione. a) Calcoliamo il determinante della matrice dei coefficienti (con sviluppo di Laplace rispetto alla 2a colonna): 3 0 λ 3 0 λ A = 1 λ 3 1 = (λ 3) 1 λ 3 1 = (λ 3)(9 λ 2 ) λ 0 3 λ 0 3 Le soluzioni sono infinite se e solo se A = 0, ovvero λ = ±3. 20 / 23 21 / 23 b1) Sia W λ lo spazio delle soluzioni. Per λ = 3 il sistema diventa: 3x 1 + 3x 3 = 0 x 1 + x 3 = 0 = (x 1, x 2, x 3 ) = (t 1, t 2, t 1 ) t 1, t 2 R 3x 1 + 3x 3 = 0 Due generatori v 1, v 2 di W 3 si ottengono scegliendo (t 1, t 2 ) = (1, 0) e (t 1, t 2 ) = (0, 1): v 1 = (1, 0, 1) v 2 = (0, 1, 0) I due vettori sono linearmente indipendenti (verificare), quindi formano una base. b2) Per λ = 3 il sistema diventa: 3x 1 3x 3 = 0 x 1 6x 2 + x 3 = 0 3x 1 + 3x 3 = 0 La soluzione generale è E 2 E 2 + 1 3 E 1 E 3 E 3 +E 1 (x 1, x 2, x 3 ) = (t, 1 t, t) t R. 3 3x 1 3x 3 = 0 2x 1 6x 2 = 0 0 = 0 Teorema di Rouché-Capelli [Abate, cor. 5.9] Un sistema di matrice completa (A B) R m,n+1 è compatibile se e solo se ρ(a B) = ρ(a). Dimostrazione. Ricordiamo che un sistema di matrice completa (A B) è compatibile se e solo se il vettore colonna B appartiene all immagine dell applicazione L A : Ax = B è compatibile B Im(L A ) Due casi: B Im(L A ) (sistema compatibile): se B è combinazione lineare delle colonne di A, le colonne di A e quelle di (A B) generano lo stesso sottospazio di R m e ρ(a B) = ρ(a). B / Im(L A ) (sistema incompatibile): se B non è combinazione lineare delle colonne di A, lo spazio generato dalle colonne di (A B) ha dimensione maggiore dello spazio generato dalle colonne di A, e ρ(a B) > ρ(a). Una base di W 3 è data da una qualsiasi soluzione non nulla, ad esempio scegliendo t = 3 si ottiene il vettore (3, 1, 3). 22 / 23 Osservazione: si ha sempre ρ(a) ρ(a B) ρ(a) + 1 (poiché la matrice (A B) si ottiene da A aggiungendo una colonna). 23 / 23