Esercizio 22nucleo, immagine, antimmagine e restrizione (compitino 12/4/2025)
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Testo (1° compitino del 12 aprile 2025, esercizio 3). Sia la funzione lineare definita da
(a) Scrivere la matrice di nella base canonica del dominio e del codominio. (b) Trovare una base di e una base di . (c) Determinare l'antiimmagine del vettore (cioè ). (d) Sia il sottospazio generato da e , e sia . Sia la funzione definita da , per ogni . Scrivere la matrice di nella base di e nella base di trovata al punto (b).
(a) La matrice nelle basi canoniche
Con le basi canoniche la riga della matrice contiene i coefficienti della componente La colonna j è f(e_j); leggendo per righe si trovano i coefficienti di x_1, ..., x_4 in ciascuna componente.Matrice associata a una funzione lineare → (attenzione alle variabili che mancano: hanno coefficiente ).
- 1ª componente : riga ;
- 2ª componente : riga ;
- 3ª componente : riga ;
- 4ª componente : riga .
(b) Nucleo e immagine
Riduzione a scala
Per calcolare il rango e risolvere si riduce con l'eliminazione di GaussSi usano operazioni sulle righe (sommare a una riga un multiplo di un'altra, scambiare righe, moltiplicare per un numero non nullo) che non cambiano le soluzioni del sistema omogeneo né il rango.Eliminazione di Gauss →. Il pivot della prima colonna è l' in alto a sinistra; si annullano gli elementi sotto di esso:
- : ;
- : ;
- : .
Ora il pivot è l' della seconda riga, seconda colonna:
- : ;
- : .
Le righe non nulle (i pivot) sono 2, quindi .
Immagine
. L'immagine è generata dalle colonne di Le colonne di A sono f(e_1), ..., f(e_4), che generano Im f.Matrice associata a una funzione lineare → e basta sceglierne due indipendenti. I pivot di stanno nelle colonne 1 e 2, quindi le colonne 1 e 2 della matrice originale sono indipendenti:
(Che siano indipendenti si vede anche a occhio: ha prima componente e no, quindi non sono proporzionali.) Quindi .
Perché si guardano le colonne dei pivot. Le operazioni sulle righe non cambiano le soluzioni di , e una soluzione è proprio una relazione tra le colonne. Quindi le colonne di e quelle di soddisfano le stesse relazioni lineari. In si leggono subito: e . Le stesse valgono in : ✓ e ✓. Le colonne 3 e 4 sono superflue e restano le prime due (vedi 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 → e Matrice associata a una funzione lineareFissate una base del dominio e una del codominio, una funzione lineare si codifica in una matrice m×n la cui colonna j contiene le coordinate di f(v_j); le coordinate di f(v) si ottengono moltiplicando la matrice per le coordinate di v, e il rango di f è il numero di colonne indipendenti.Matrice associata a una funzione lineare →).
Nucleo
Per nullità + rangodim Ker f + dim Im f = dimensione del dominio.Nucleo e immagine → . Il nucleo è dato da , equivalente al sistema ridotto:
Le incognite libere sono e (quelle senza pivot). Il generico vettore del nucleo è
quindi, ponendo una volta e una volta :
I due vettori sono indipendenti perché nelle ultime due componenti hanno e . Verifica del primo: ✓.
(c) L'antimmagine di
è l'insieme delle soluzioni di . Si riduce la matrice completa con le stesse operazioni di prima (applicate anche all'ultima colonna):
Sui termini noti: dà ; dà ; dà . Poi dà e dà :
Le righe nulle hanno termine noto : niente equazioni impossibili del tipo , quindi il sistema ha soluzioni (per Rouché-CapelliIl sistema ha soluzioni se e solo se la matrice dei coefficienti e la matrice completa hanno lo stesso rango.Sistemi lineari e teorema di Rouché-Capelli → i ranghi sono entrambi 2), cioè . Il sistema ridotto è
Con si ottiene la soluzione particolare . L'antimmagine è una soluzione particolare più il nucleoSe f(v_0) = w allora f^{-1}(w) = v_0 + Ker f.Nucleo e immagine →:
Verifica: ✓.
La soluzione ufficiale scrive : è lo stesso insieme, perché (si ottiene con ). Soluzioni particolari diverse differiscono per un vettore del nucleo.
(d) La matrice della restrizione
fa la stessa cosa di , ma solo sui vettori di e con codominio . Le basi da usare sono nel dominio e (trovata in (b)) nel codominio, quindi la matrice è .
Seguendo la ricettaColonna j = coordinate di h(u_j) rispetto alla base del codominio.Matrice associata a una funzione lineare →: calcolo e e li scrivo come combinazione di .
. , quindi = (colonna 1 di ) + (colonna 3 di ):
Cerco con , cioè
Dalla prima componente ; dalla seconda , quindi . Le altre due componenti servono da controllo: ✓, ✓. Quindi : prima colonna .
. : colonna 2 + colonna 4 di :
Da : , poi , quindi . Controllo: ✓, ✓. Quindi : seconda colonna .
Osservazione. I sistemi per le coordinate hanno 4 equazioni e 2 incognite: in generale non avrebbero soluzione. Qui ce l'hanno perché stanno in per costruzione; il controllo sulle ultime due componenti verifica di non aver sbagliato i conti.
Versione ripasso
Testo. Sia la funzione lineare definita da
(a) Scrivere la matrice di nella base canonica del dominio e del codominio. (b) Trovare una base di e una base di . (c) Determinare l'antiimmagine del vettore (cioè ). (d) Sia il sottospazio generato da e , e sia . Sia la funzione definita da , per ogni . Scrivere la matrice di nella base di e nella base di trovata al punto (b).
(a) Matrice canonica
La riga della matrice contiene i coefficienti della componente La colonna j è f(e_j); leggendo per righe si trovano i coefficienti di x_1, ..., x_4 in ciascuna componente.Matrice associata a una funzione lineare →: Leggendo i coefficienti:
(b) Nucleo e Immagine
- Immagine: le colonne di corrispondenti ai pivot (1 e 2): .
- Nucleo: risolvendo . .
(c) Antimmagine
Si risolve . Dalla ridotta: . Soluzione particolare . .
(d) Matrice della restrizione
Si calcolano le immagini dei vettori della base del dominio:
Le colonne sono le coordinate di rispetto a (ricettaColonna j = coordinate di h(u_j) rispetto alla base del codominio.Matrice associata a una funzione lineare →); le ultime due componenti servono da controllo. La matrice è:
Errori tipici: sbagliare il segno dei coefficienti nella matrice; non sommare il nucleo alla soluzione particolare in (c); dimenticare che la matrice di va espressa rispetto alla base di .