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Note per Studenti Esercizio 1 · dipendenza lineare di vettori in R2 e R3

Esercizio 1dipendenza lineare di vettori in R2 e R3

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Testo. Stabilire se i seguenti vettori sono linearmente dipendenti o indipendenti.

  1. In R2\mathbb{R}^2: v1=(3,1)v_1 = (3, 1), v2=(2,5)v_2 = (2, 5).
  2. In R2\mathbb{R}^2: v1=(3,−2)v_1 = (3, -2), v2=(4,1)v_2 = (4, 1), v3=(1,3)v_3 = (1, 3).
  3. In R3\mathbb{R}^3: v1=(2,0,1)v_1 = (2, 0, 1), v2=(−1,1,0)v_2 = (-1, 1, 0), v3=(3,3,1)v_3 = (3, 3, 1).
  4. In R3\mathbb{R}^3: v1=(2,−1,0)v_1 = (2, -1, 0), v2=(1,−3,2)v_2 = (1, -3, 2), v3=(3,1,−2)v_3 = (3, 1, -2).

Il metodo (uguale per tutti e quattro)

Per la definizione di indipendenza lineareI vettori sono indipendenti se l'unica combinazione lineare uguale al vettore nullo è quella con tutti i coefficienti nulli.Combinazioni lineari e dipendenza lineare →:

  1. si scrive a1v1+a2v2+⋯=0⃗a_1 v_1 + a_2 v_2 + \dots = \vec 0 con i coefficienti aia_i incogniti;
  2. si sostituiscono le componenti (in colonna) e si ottiene un sistema lineare omogeneo, una equazione per ogni componente: due vettori di Rn\mathbb{R}^n sono uguali se e solo se sono uguali componente per componenteIn K^n somma e prodotto per uno scalare si fanno componente per componente, e due n-uple sono uguali quando coincidono tutte le componenti.Spazi vettoriali →;
  3. solo la soluzione nulla → indipendenti; infinite soluzioni → dipendenti.

Un sistema omogeneo (tutti i termini noti nulli) ha sempre almeno la soluzione nulla a1=a2=⋯=0a_1 = a_2 = \dots = 0; la domanda è se ne ha altre. Se ne ha una non nulla ne ha infinite, perché i suoi multipli sono ancora soluzioni (vedi struttura delle soluzioniLe soluzioni di un sistema omogeneo formano un sottospazio: o c'è solo il vettore nullo, o ce ne sono infinite.Sistemi lineari e teorema di Rouché-Capelli →).

I sistemi si risolvono per sostituzione: si ricava un'incognita da un'equazione e la si sostituisce nelle altre. Il sistema che si ottiene ha le stesse soluzioni di quello di partenza, perché l'equazione usata resta nel sistema (serve poi a calcolare l'incognita ricavata).


1. (3,1)(3, 1) e (2,5)(2, 5)

a1(31)+a2(25)=(3a1+2a2a1+5a2)=(00)  ⟺  {3a1+2a2=0a1+5a2=0a_1 \begin{pmatrix} 3 \\ 1 \end{pmatrix} + a_2 \begin{pmatrix} 2 \\ 5 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3a_1 + 2a_2 \\ a_1 + 5a_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \end{pmatrix} \iff \begin{cases} 3a_1 + 2a_2 = 0 \\ a_1 + 5a_2 = 0 \end{cases}

Dalla seconda equazione a1=−5a2a_1 = -5a_2 (si sceglie di ricavare a1a_1 da lì perché ha coefficiente 11, così non compaiono frazioni). Sostituendo nella prima: 3(−5a2)+2a2=−13a2=03(-5a_2) + 2a_2 = -13a_2 = 0, quindi a2=0a_2 = 0 e poi a1=−5⋅0=0a_1 = -5 \cdot 0 = 0.

Unica soluzione a1=a2=0a_1 = a_2 = 0: linearmente indipendenti.

Controllo geometrico. Per due vettoriDue vettori sono dipendenti se e solo se uno è multiplo dell'altro, cioè se sono paralleli (o uno è nullo).Combinazioni lineari e dipendenza lineare →, indipendenti significa non paralleli: (2,5)(2, 5) non è multiplo di (3,1)(3, 1) (servirebbe il fattore 23\frac23 per la prima componente e 55 per la seconda) ✓.

Grafico interattivo: v₁ = (3, 1) e v₂ = (2, 5) non stanno sulla stessa retta per l'origine: sono indipendenti

Controllo con il determinante (strumento del capitolo Determinanten vettori di K^n sono indipendenti se e solo se la matrice che li ha in colonna ha determinante diverso da 0.Proprietà del determinante, Binet e Laplace →, visto più avanti nel corso): det⁡(3215)=3⋅5−2⋅1=13≠0\det \begin{pmatrix} 3 & 2 \\ 1 & 5 \end{pmatrix} = 3 \cdot 5 - 2 \cdot 1 = 13 \ne 0 ✓. Il numero 1313 è lo stesso che compariva in −13a2=0-13a_2 = 0.


2. (3,−2)(3, -2), (4,1)(4, 1), (1,3)(1, 3)

a1(3−2)+a2(41)+a3(13)=0⃗  ⟺  {3a1+4a2+a3=0−2a1+a2+3a3=0a_1 \begin{pmatrix} 3 \\ -2 \end{pmatrix} + a_2 \begin{pmatrix} 4 \\ 1 \end{pmatrix} + a_3 \begin{pmatrix} 1 \\ 3 \end{pmatrix} = \vec 0 \iff \begin{cases} 3a_1 + 4a_2 + a_3 = 0 \\ -2a_1 + a_2 + 3a_3 = 0 \end{cases}

Prima di fare conti: ci sono 2 equazioni e 3 incognite. Ogni equazione permette di ricavare un'incognita, quindi una delle tre resterà libera e le soluzioni saranno infinite. Ci si aspetta "dipendenti".

Dalla prima a3=−3a1−4a2a_3 = -3a_1 - 4a_2. Nella seconda:

−2a1+a2+3(−3a1−4a2)=−2a1+a2−9a1−12a2=−11a1−11a2=0  ⟺  a2=−a1-2a_1 + a_2 + 3(-3a_1 - 4a_2) = -2a_1 + a_2 - 9a_1 - 12a_2 = -11a_1 - 11a_2 = 0 \iff a_2 = -a_1

(si è diviso per −11-11: a1+a2=0a_1 + a_2 = 0).

Poi a3=−3a1−4(−a1)=a1a_3 = -3a_1 - 4(-a_1) = a_1. Le soluzioni sono (a1,a2,a3)=(t,−t,t)(a_1, a_2, a_3) = (t, -t, t) per ogni t∈Rt \in \mathbb{R}: infinite. Linearmente dipendenti.

Una relazione esplicita (con t=1t = 1): v1−v2+v3=0⃗v_1 - v_2 + v_3 = \vec 0. Verifica: (3−4+1,−2−1+3)=(0,0)(3 - 4 + 1, -2 - 1 + 3) = (0, 0) ✓. Quindi, per esempio, v2=v1+v3v_2 = v_1 + v_3.

Grafico interattivo: v₂ = v₁ + v₃: (4, 1) è la diagonale del parallelogramma di lati v₁ = (3, −2) e v₃ = (1, 3), quindi v₁ − v₂ + v₃ = 0

Osservazione. I tre vettori sono a due a due non paralleli, eppure sono dipendenti: "indipendenti = non paralleli" vale solo per due vettori. In R2\mathbb{R}^2 tre vettori sono sempre dipendenti (vedi il lemma dello scambioIn uno spazio i vettori indipendenti non sono mai più dei generatori: in R^2 la base canonica ha 2 vettori, quindi 3 vettori sono sempre dipendenti.Generatori e basi →).


3. (2,0,1)(2, 0, 1), (−1,1,0)(-1, 1, 0), (3,3,1)(3, 3, 1)

a1(201)+a2(−110)+a3(331)=0⃗  ⟺  {2a1−a2+3a3=0a2+3a3=0a1+a3=0a_1 \begin{pmatrix} 2 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} + a_2 \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} + a_3 \begin{pmatrix} 3 \\ 3 \\ 1 \end{pmatrix} = \vec 0 \iff \begin{cases} 2a_1 - a_2 + 3a_3 = 0 \\ a_2 + 3a_3 = 0 \\ a_1 + a_3 = 0 \end{cases}

Si parte dalle equazioni più semplici: dalla terza a1=−a3a_1 = -a_3, dalla seconda a2=−3a3a_2 = -3a_3. Sostituendo nella prima:

2(−a3)−(−3a3)+3a3=−2a3+3a3+3a3=4a3=0  ⟺  a3=0,2(-a_3) - (-3a_3) + 3a_3 = -2a_3 + 3a_3 + 3a_3 = 4a_3 = 0 \iff a_3 = 0,

e quindi a1=0a_1 = 0, a2=0a_2 = 0. Solo la soluzione nulla: linearmente indipendenti.

Significato geometrico. v1v_1 e v2v_2 individuano un piano per l'origine, e v3v_3 non sta su quel piano.

Controllo con il determinante (vettori in colonna, sviluppo di LaplaceIl determinante si calcola sviluppando lungo una riga: somma degli elementi per i loro complementi algebrici, con segni alterni.Proprietà del determinante, Binet e Laplace → lungo la terza riga, che ha uno zero):

det⁡(2−13013101)=1⋅det⁡(−1313)−0+1⋅det⁡(2−101)=1⋅(−3−3)+1⋅(2−0)=−4≠0 ✓\det \begin{pmatrix} 2 & -1 & 3 \\ 0 & 1 & 3 \\ 1 & 0 & 1 \end{pmatrix} = 1 \cdot \det \begin{pmatrix} -1 & 3 \\ 1 & 3 \end{pmatrix} - 0 + 1 \cdot \det \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = 1 \cdot (-3 - 3) + 1 \cdot (2 - 0) = -4 \ne 0 \ \checkmark


4. (2,−1,0)(2, -1, 0), (1,−3,2)(1, -3, 2), (3,1,−2)(3, 1, -2)

{2a1+a2+3a3=0−a1−3a2+a3=02a2−2a3=0\begin{cases} 2a_1 + a_2 + 3a_3 = 0 \\ -a_1 - 3a_2 + a_3 = 0 \\ 2a_2 - 2a_3 = 0 \end{cases}

Dalla terza, divisa per 22: a2−a3=0a_2 - a_3 = 0, cioè a2=a3a_2 = a_3. Nella seconda: −a1−3a3+a3=−a1−2a3=0-a_1 - 3a_3 + a_3 = -a_1 - 2a_3 = 0, cioè a1=−2a3a_1 = -2a_3. Nella prima:

2(−2a3)+a3+3a3=−4a3+4a3=0.2(-2a_3) + a_3 + 3a_3 = -4a_3 + 4a_3 = 0.

La prima equazione è diventata 0=00 = 0: è vera ma non determina a3a_3. Quindi a3a_3 è libero e le soluzioni sono (a1,a2,a3)=(−2t,t,t)(a_1, a_2, a_3) = (-2t, t, t): infinite. Linearmente dipendenti, anche se le equazioni erano tante quante le incognite.

Relazione (con t=1t = 1): −2v1+v2+v3=0⃗-2v_1 + v_2 + v_3 = \vec 0, cioè v3=2v1−v2v_3 = 2v_1 - v_2. Verifica: 2(2,−1,0)−(1,−3,2)=(4−1,−2+3,0−2)=(3,1,−2)=v32(2, -1, 0) - (1, -3, 2) = (4 - 1, -2 + 3, 0 - 2) = (3, 1, -2) = v_3 ✓.

Significato geometrico. v3=2v1−v2v_3 = 2v_1 - v_2 è la diagonale del parallelogramma di lati 2v12v_1 e −v2-v_2, che sta sul piano di v1v_1 e v2v_2: i tre vettori sono complanari.

Lo stesso con l'Eliminazione di GaussCon tre operazioni elementari sulle righe (scambio, moltiplicazione per uno scalare non nullo, somma di un multiplo di un'altra riga) ogni matrice si riduce a scala senza cambiare il rango; serve a calcolare ranghi, risolvere sistemi, trovare relazioni di dipendenza e matrici che riducono a scala.Eliminazione di Gauss → (metodo del capitolo sui sistemi lineari). Si mettono i vettori in riga e si riduce a scala: il numero di righe non nulle è la dimensione di ⟨v1,v2,v3⟩\langle v_1, v_2, v_3 \rangle.

(2−101−3231−2)→R1↔R2(1−322−1031−2)→R3→R3−3R1R2→R2−2R1(1−3205−4010−8)→R3→R3−2R2(1−3205−4000)\begin{pmatrix} 2 & -1 & 0 \\ 1 & -3 & 2 \\ 3 & 1 & -2 \end{pmatrix} \xrightarrow{R_1 \leftrightarrow R_2} \begin{pmatrix} 1 & -3 & 2 \\ 2 & -1 & 0 \\ 3 & 1 & -2 \end{pmatrix} \xrightarrow[R_3 \to R_3 - 3R_1]{R_2 \to R_2 - 2R_1} \begin{pmatrix} 1 & -3 & 2 \\ 0 & 5 & -4 \\ 0 & 10 & -8 \end{pmatrix} \xrightarrow{R_3 \to R_3 - 2R_2} \begin{pmatrix} 1 & -3 & 2 \\ 0 & 5 & -4 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}

Lo scambio iniziale porta in alto la riga con pivot 11, così non compaiono frazioni; poi si annullano gli elementi sotto i pivot (2−2⋅1=02 - 2 \cdot 1 = 0, 3−3⋅1=03 - 3 \cdot 1 = 0, poi 10−2⋅5=010 - 2 \cdot 5 = 0). Restano 2 righe non nulle: i tre vettori generano un piano, quindi sono dipendenti. Coerentemente, il determinante della matrice è 00.


Caso Spazio Soluzioni del sistema Risultato
1 R2\mathbb{R}^2, 2 vettori solo nulla indipendenti
2 R2\mathbb{R}^2, 3 vettori (t,−t,t)(t, -t, t) dipendenti: v1−v2+v3=0⃗v_1 - v_2 + v_3 = \vec 0
3 R3\mathbb{R}^3, 3 vettori solo nulla indipendenti
4 R3\mathbb{R}^3, 3 vettori (−2t,t,t)(-2t, t, t) dipendenti: v3=2v1−v2v_3 = 2v_1 - v_2

Errori comuni

  • Fermarsi alla soluzione nulla: anche nel caso 4 la soluzione nulla c'è (t=0t = 0), ma non è l'unica.
  • Pensare che con 3 equazioni e 3 incognite la soluzione sia sempre unica: nel caso 4 un'equazione è "superflua" (diventa 0=00 = 0).

Versione ripasso

Testo. Stabilire se i seguenti vettori sono linearmente dipendenti o indipendenti: (1) in R2\mathbb{R}^2 v1=(3,1)v_1 = (3, 1), v2=(2,5)v_2 = (2, 5); (2) in R2\mathbb{R}^2 v1=(3,−2)v_1 = (3, -2), v2=(4,1)v_2 = (4, 1), v3=(1,3)v_3 = (1, 3); (3) in R3\mathbb{R}^3 v1=(2,0,1)v_1 = (2, 0, 1), v2=(−1,1,0)v_2 = (-1, 1, 0), v3=(3,3,1)v_3 = (3, 3, 1); (4) in R3\mathbb{R}^3 v1=(2,−1,0)v_1 = (2, -1, 0), v2=(1,−3,2)v_2 = (1, -3, 2), v3=(3,1,−2)v_3 = (3, 1, -2).

Metodo. Per la definizione di indipendenza lineareI vettori sono indipendenti se l'unica combinazione lineare uguale al vettore nullo è quella con tutti i coefficienti nulli.Combinazioni lineari e dipendenza lineare →:

  1. Si scrive a1v1+a2v2+⋯=0⃗a_1 v_1 + a_2 v_2 + \dots = \vec 0.
  2. Si ottiene un sistema lineare omogeneo.
  3. Solo soluzione nulla →\rightarrow indipendenti; infinite soluzioni →\rightarrow dipendenti.

1. v1=(3,1)v_1 = (3, 1), v2=(2,5)v_2 = (2, 5)

Sistema: {3a1+2a2=0a1+5a2=0\begin{cases} 3a_1 + 2a_2 = 0 \\ a_1 + 5a_2 = 0 \end{cases}

  1. a1=−5a2a_1 = -5a_2 dalla seconda.
  2. 3(−5a2)+2a2=−13a2=0⇒a2=0,a1=03(-5a_2) + 2a_2 = -13a_2 = 0 \Rightarrow a_2=0, a_1=0. Risultato: Linearmente indipendenti.

2. v1=(3,−2)v_1 = (3, -2), v2=(4,1)v_2 = (4, 1), v3=(1,3)v_3 = (1, 3)

Sistema: {3a1+4a2+a3=0−2a1+a2+3a3=0\begin{cases} 3a_1 + 4a_2 + a_3 = 0 \\ -2a_1 + a_2 + 3a_3 = 0 \end{cases}

  1. 2 equazioni, 3 incognite ⇒\Rightarrow infinite soluzioni.
  2. Ricavando a3=−3a1−4a2a_3 = -3a_1 - 4a_2 dalla prima e sostituendo nella seconda si ha a2=−a1a_2 = -a_1, a3=a1a_3 = a_1, cioè (a1,a2,a3)=(t,−t,t)(a_1, a_2, a_3) = (t, -t, t). Risultato: Linearmente dipendenti (v1−v2+v3=0⃗v_1 - v_2 + v_3 = \vec 0). Nota: in R2\mathbb{R}^2 tre vettori sono sempre dipendenti per il lemma dello scambioIn uno spazio i vettori indipendenti non sono mai più dei generatori.Generatori e basi →.

3. v1=(2,0,1)v_1 = (2, 0, 1), v2=(−1,1,0)v_2 = (-1, 1, 0), v3=(3,3,1)v_3 = (3, 3, 1)

Sistema: {2a1−a2+3a3=0a2+3a3=0a1+a3=0\begin{cases} 2a_1 - a_2 + 3a_3 = 0 \\ a_2 + 3a_3 = 0 \\ a_1 + a_3 = 0 \end{cases}

  1. Dalle ultime due: a1=−a3a_1 = -a_3, a2=−3a3a_2 = -3a_3.
  2. Sostituendo nella prima: 2(−a3)−(−3a3)+3a3=4a3=0⇒a3=02(-a_3) - (-3a_3) + 3a_3 = 4a_3 = 0 \Rightarrow a_3 = 0. Risultato: Linearmente indipendenti.

4. v1=(2,−1,0)v_1 = (2, -1, 0), v2=(1,−3,2)v_2 = (1, -3, 2), v3=(3,1,−2)v_3 = (3, 1, -2)

Sistema: {2a1+a2+3a3=0−a1−3a2+a3=02a2−2a3=0\begin{cases} 2a_1 + a_2 + 3a_3 = 0 \\ -a_1 - 3a_2 + a_3 = 0 \\ 2a_2 - 2a_3 = 0 \end{cases}

  1. Dalla terza a2=a3a_2 = a_3, dalla seconda a1=−2a3a_1 = -2a_3.
  2. Sostituendo nella prima: 2(−2a3)+a3+3a3=0⇒0=02(-2a_3) + a_3 + 3a_3 = 0 \Rightarrow 0=0. Risultato: Linearmente dipendenti (v3=2v1−v2v_3 = 2v_1 - v_2). I vettori sono complanari.

Caso Vettori Risultato
1 2 in R2\mathbb{R}^2 indipendenti
2 3 in R2\mathbb{R}^2 dipendenti
3 3 in R3\mathbb{R}^3 indipendenti
4 3 in R3\mathbb{R}^3 dipendenti

Errori comuni: fermarsi alla soluzione nulla (c'è sempre: per l'indipendenza deve essere l'unica); credere che con 3 equazioni in 3 incognite la soluzione sia sempre unica (nel caso 4 un'equazione diventa 0=00 = 0); dire "indipendenti = non paralleli" con più di due vettori.

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