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Note per Studenti Esercizio 26 · nucleo, immagine e matrice di una restrizione (appello 3/2/2026)

Esercizio 26nucleo, immagine e matrice di una restrizione (appello 3/2/2026)

Esame
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Testo (4° appello del 3 febbraio 2026, esercizio 2). Sia f:R4→R4f: \mathbb{R}^4 \to \mathbb{R}^4 la funzione lineare definita da

f(x1,x2,x3,x4)=(x1+2x2−x4, −4x2+x3+2x4, −2x1−x3, x1+2x2−x4).f(x_1, x_2, x_3, x_4) = (x_1 + 2x_2 - x_4, \ -4x_2 + x_3 + 2x_4, \ -2x_1 - x_3, \ x_1 + 2x_2 - x_4).

(a) Scrivere la matrice AA di ff rispetto alla base canonica di R4\mathbb{R}^4, ridurla in forma a scala e trovare il rango. (b) Trovare una base di Ker⁡f\operatorname{Ker} f, una base di Im⁡f\operatorname{Im} f e dire per quale valore di α\alpha il vettore (1,1,−3,α)(1, 1, -3, \alpha) appartiene a Im⁡f\operatorname{Im} f. (c) Verificare che la prima colonna c1c_1 di AA appartiene a Ker⁡f\operatorname{Ker} f. Possiamo dire che Ker⁡f+Im⁡f=R4\operatorname{Ker} f + \operatorname{Im} f = \mathbb{R}^4? Perché? (d) Sia U⊂R4U \subset \mathbb{R}^4 il sottospazio generato dai vettori e1,e2e_1, e_2 della base canonica. Sia W⊂R4W \subset \mathbb{R}^4 il sottospazio generato dalle prime due colonne c1,c2c_1, c_2 di AA. Indichiamo con g:U→Wg: U \to W la restrizione di ff, cioè g(u)=f(u)g(u) = f(u) per ogni u∈Uu \in U. Scrivere la matrice di gg rispetto alle basi {e1,e2}\{e_1, e_2\} di UU e {c1,c2}\{c_1, c_2\} di WW.

Teoria usata: 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 e immagineIl nucleo (vettori mandati in 0) e l'immagine (vettori raggiunti) di una funzione lineare sono sottospazi; f è iniettiva se e solo se Ker f = {0}; dim Ker f + dim Im f = dim V (nullità + rango); l'antimmagine di un vettore è una soluzione particolare più il nucleo.Nucleo e immagine →, 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 →, Formula di Grassmann e somma direttaFormula di Grassmann: dim(U + W) = dim U + dim W − dim(U ∩ W), come contare gli elementi di un'unione senza contare due volte quelli comuni. Se U ∩ W = {0} la somma è diretta, U ⊕ W, e ogni vettore si scrive in modo unico come u + w.Formula di Grassmann e somma diretta →.


(a) Matrice, forma a scala, rango

La riga ii di AA contiene i coefficienti della componente ii di ff (nell'ordine x1,x2,x3,x4x_1, x_2, x_3, x_4; un'incognita che manca ha coefficiente 00). Equivalentemente, la colonna jj è f(ej)f(e_j):

A=(120−10−412−20−10120−1)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & -1 \\ 0 & -4 & 1 & 2 \\ -2 & 0 & -1 & 0 \\ 1 & 2 & 0 & -1 \end{pmatrix}

Controllo sulla prima colonna: f(e1)=f(1,0,0,0)=(1,0,−2,1)f(e_1) = f(1, 0, 0, 0) = (1, 0, -2, 1) ✓.

Riduzione a scala. Il pivot della prima colonna è a11=1a_{11} = 1; si annullano gli elementi sotto:

  • R3←R3+2R1R_3 \leftarrow R_3 + 2R_1: (−2,0,−1,0)+(2,4,0,−2)=(0,4,−1,−2)(-2, 0, -1, 0) + (2, 4, 0, -2) = (0, 4, -1, -2);
  • R4←R4−R1R_4 \leftarrow R_4 - R_1: la quarta riga è uguale alla prima, quindi diventa (0,0,0,0)(0, 0, 0, 0).

Ora la terza riga (0,4,−1,−2)(0, 4, -1, -2) è l'opposta della seconda (0,−4,1,2)(0, -4, 1, 2): R3←R3+R2R_3 \leftarrow R_3 + R_2 la annulla.

A ⟶ (120−10−41200000000)A \ \longrightarrow\ \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & -1 \\ 0 & -4 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}

Due pivot (in colonna 1 e 2): rango⁡(A)=2\operatorname{rango}(A) = 2.

(b) Nucleo, immagine, valore di α\alpha

Dimensioni. dim⁡Im⁡f=rango⁡(A)=2\dim \operatorname{Im} f = \operatorname{rango}(A) = 2 e, per nullità + rangodim Ker f + dim Im f = dim del dominio.Nucleo e immagine →, dim⁡Ker⁡f=4−2=2\dim \operatorname{Ker} f = 4 - 2 = 2.

Base dell'immagine. Im⁡f\operatorname{Im} f è generata dalle colonne di AA; una base è data dalle colonne dove la forma a scala ha i pivot (le operazioni sulle righe non cambiano le relazioni di dipendenza tra le colonne). Pivot in colonna 1 e 2:

Im⁡f=⟨c1,c2⟩,c1=(1,0,−2,1),c2=(2,−4,0,2).\operatorname{Im} f = \langle c_1, c_2 \rangle, \qquad c_1 = (1, 0, -2, 1), \quad c_2 = (2, -4, 0, 2).

Attenzione: si prendono le colonne della matrice originale AA, non quelle della forma a scala (quelle hanno la terza e quarta componente nulle, mentre i vettori dell'immagine no).

Base del nucleo. Il sistema AX=0AX = 0 equivale al sistema ridotto:

{x1+2x2−x4=0−4x2+x3+2x4=0\begin{cases} x_1 + 2x_2 - x_4 = 0 \\ -4x_2 + x_3 + 2x_4 = 0 \end{cases}

Le incognite senza pivot sono x3x_3 e x4x_4, ma si possono tenere libere anche x2x_2 e x4x_4: va bene qualunque scelta che permetta di ricavare le altre due incognite, e qui x1x_1 e x3x_3 compaiono con coefficiente 11, così non si hanno frazioni. Dalla seconda equazione x3=4x2−2x4x_3 = 4x_2 - 2x_4; dalla prima x1=−2x2+x4x_1 = -2x_2 + x_4. Il vettore generico del nucleo è

(−2x2+x4, x2, 4x2−2x4, x4)=x2(−2,1,4,0)+x4(1,0,−2,1).(-2x_2 + x_4, \ x_2, \ 4x_2 - 2x_4, \ x_4) = x_2(-2, 1, 4, 0) + x_4(1, 0, -2, 1).

Ker⁡f=⟨(−2,1,4,0), (1,0,−2,1)⟩.\operatorname{Ker} f = \langle (-2, 1, 4, 0), \ (1, 0, -2, 1) \rangle .

Verifica del primo: A(−2,1,4,0)T=(−2+2, −4+4, 4−4, −2+2)=(0,0,0,0)A(-2, 1, 4, 0)^T = (-2 + 2, \ -4 + 4, \ 4 - 4, \ -2 + 2) = (0, 0, 0, 0) ✓.

Il valore di α\alpha. (1,1,−3,α)∈Im⁡f(1, 1, -3, \alpha) \in \operatorname{Im} f se e solo se esistono a,ba, b con ac1+bc2=(1,1,−3,α)a c_1 + b c_2 = (1, 1, -3, \alpha):

{a+2b=1−4b=1−2a=−3a+2b=α\begin{cases} a + 2b = 1 \\ -4b = 1 \\ -2a = -3 \\ a + 2b = \alpha \end{cases}

Dalla seconda b=−14b = -\frac14, dalla terza a=32a = \frac32; la prima è verificata (32−12=1\frac32 - \frac12 = 1). La quarta ha lo stesso primo membro della prima, quindi impone α=1\alpha = 1.

Scorciatoia. La prima e la quarta componente di ff sono uguali, quindi ogni vettore dell'immagine ha prima e quarta componente uguali: serve α=1\alpha = 1. Per essere sicuri che basti, serve anche l'altra equazione cartesianaUn sottospazio di dimensione 2 in R^4 è descritto da 4 − 2 = 2 equazioni lineari omogenee indipendenti.Metodo - basi, equazioni cartesiane, intersezione e somma di sottospazi → di Im⁡f\operatorname{Im} f (le equazioni sono 4−2=24 - 2 = 2, e y1−y4=0y_1 - y_4 = 0 è una delle due). Si cerca un'equazione ay1+by2+cy3=0a y_1 + b y_2 + c y_3 = 0 soddisfatta da c1=(1,0,−2,1)c_1 = (1, 0, -2, 1) e c2=(2,−4,0,2)c_2 = (2, -4, 0, 2):

{a−2c=0(c1)2a−4b=0(c2)⟹a=2c,b=a2=c.\begin{cases} a - 2c = 0 & (c_1) \\ 2a - 4b = 0 & (c_2) \end{cases} \quad\Longrightarrow\quad a = 2c, \quad b = \frac a2 = c .

Con c=1c = 1: 2y1+y2+y3=02y_1 + y_2 + y_3 = 0. Quindi Im⁡f: y1−y4=0, 2y1+y2+y3=0\operatorname{Im} f : \ y_1 - y_4 = 0, \ 2y_1 + y_2 + y_3 = 0, e per (1,1,−3,α)(1, 1, -3, \alpha) la seconda dà 2+1−3=02 + 1 - 3 = 0 ✓ (sempre vera), la prima 1−α=01 - \alpha = 0: di nuovo α=1\alpha = 1.

Risposta: α=1\alpha = 1.

(c) c1∈Ker⁡fc_1 \in \operatorname{Ker} f; è vero che Ker⁡f+Im⁡f=R4\operatorname{Ker} f + \operatorname{Im} f = \mathbb{R}^4?

c1=(1,0,−2,1)c_1 = (1, 0, -2, 1) è proprio il secondo vettore della base del nucleo trovata sopra, quindi sta in Ker⁡f\operatorname{Ker} f. Verifica diretta: Ac1=(1+0+0−1, 0+0−2+2, −2+0+2+0, 1+0+0−1)=(0,0,0,0)A c_1 = (1 + 0 + 0 - 1, \ 0 + 0 - 2 + 2, \ -2 + 0 + 2 + 0, \ 1 + 0 + 0 - 1) = (0, 0, 0, 0) ✓.

Ma c1c_1 sta anche in Im⁡f\operatorname{Im} f (è f(e1)f(e_1)). Quindi c1∈Ker⁡f∩Im⁡fc_1 \in \operatorname{Ker} f \cap \operatorname{Im} f e dim⁡(Ker⁡f∩Im⁡f)≥1\dim(\operatorname{Ker} f \cap \operatorname{Im} f) \ge 1. Per la formula di GrassmannFormula di Grassmann: dim(U + W) = dim U + dim W − dim(U ∩ W), come contare gli elementi di un'unione senza contare due volte quelli comuni. Se U ∩ W = {0} la somma è diretta, U ⊕ W, e ogni vettore si scrive in modo unico come u + w.Formula di Grassmann e somma diretta →:

dim⁡(Ker⁡f+Im⁡f)=dim⁡Ker⁡f⏟2+dim⁡Im⁡f⏟2−dim⁡(Ker⁡f∩Im⁡f)⏟≥1≤3<4.\dim(\operatorname{Ker} f + \operatorname{Im} f) = \underbrace{\dim \operatorname{Ker} f}_{2} + \underbrace{\dim \operatorname{Im} f}_{2} - \underbrace{\dim(\operatorname{Ker} f \cap \operatorname{Im} f)}_{\ge 1} \le 3 < 4 .

No: Ker⁡f+Im⁡f\operatorname{Ker} f + \operatorname{Im} f ha dimensione al massimo 33, quindi non è R4\mathbb{R}^4.

(Le dimensioni di nucleo e immagine sommano sempre a 44, ma questo non basta perché la somma dei due sottospazi sia tutto lo spazio: serve anche che l'intersezione sia nulla. Qui non lo è. Si vede che anzi Ker⁡f∩Im⁡f=⟨c1⟩\operatorname{Ker} f \cap \operatorname{Im} f = \langle c_1 \rangle: c2c_2 non sta nel nucleo, perché Ac2=(2−8+0−2, 16+0+4, −4+0+0+0, 2−8+0−2)=(−8,20,−4,−8)≠0A c_2 = (2 - 8 + 0 - 2,\ 16 + 0 + 4,\ -4 + 0 + 0 + 0,\ 2 - 8 + 0 - 2) = (-8, 20, -4, -8) \ne 0, quindi l'intersezione, che contiene c1c_1, non è tutto Im⁡f\operatorname{Im} f e ha dimensione esattamente 11. Allora dim⁡(Ker⁡f+Im⁡f)=2+2−1=3\dim(\operatorname{Ker} f + \operatorname{Im} f) = 2 + 2 - 1 = 3.)

(d) La matrice della restrizione g:U→Wg: U \to W

Ricetta (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 →): la colonna jj della matrice è la colonna delle coordinate, rispetto alla base del codominio, dell'immagine del jj-esimo vettore della base del dominio.

  • g(e1)=f(e1)=c1g(e_1) = f(e_1) = c_1 (la prima colonna di AA è per definizione f(e1)f(e_1)). Rispetto alla base {c1,c2}\{c_1, c_2\} di WW: c1=1⋅c1+0⋅c2c_1 = 1 \cdot c_1 + 0 \cdot c_2, coordinate (1,0)(1, 0).
  • g(e2)=f(e2)=c2=0⋅c1+1⋅c2g(e_2) = f(e_2) = c_2 = 0 \cdot c_1 + 1 \cdot c_2, coordinate (0,1)(0, 1).

M{c1,c2}{e1,e2}(g)=(1001).M^{\{e_1, e_2\}}_{\{c_1, c_2\}}(g) = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}.

Perché è così semplice. Si è scelta come base del codominio proprio la coppia delle immagini dei vettori della base del dominio. Questo è possibile perché c1,c2c_1, c_2 sono indipendenti (sono una base di Im⁡f\operatorname{Im} f), e quindi gg è un isomorfismo tra UU e WW. La matrice è 2×22 \times 2 (non 4×44 \times 4) perché UU e WW hanno dimensione 22: le coordinate si prendono rispetto alle loro basi, non rispetto alla base canonica di R4\mathbb{R}^4.

Errori comuni

  • Prendere come base dell'immagine le colonne della forma a scala: vanno prese le colonne di AA nelle posizioni dei pivot.
  • Pensare che dim⁡Ker⁡f+dim⁡Im⁡f=4\dim \operatorname{Ker} f + \dim \operatorname{Im} f = 4 implichi Ker⁡f⊕Im⁡f=R4\operatorname{Ker} f \oplus \operatorname{Im} f = \mathbb{R}^4: vale solo se l'intersezione è nulla.
  • Scrivere in (d) una matrice 4×24 \times 2 con le componenti di c1,c2c_1, c_2: la matrice di gg usa le coordinate rispetto alla base {c1,c2}\{c_1, c_2\} di WW.

Versione ripasso

Testo. Sia f:R4→R4f: \mathbb{R}^4 \to \mathbb{R}^4 la funzione lineare definita da

f(x1,x2,x3,x4)=(x1+2x2−x4, −4x2+x3+2x4, −2x1−x3, x1+2x2−x4).f(x_1, x_2, x_3, x_4) = (x_1 + 2x_2 - x_4, \ -4x_2 + x_3 + 2x_4, \ -2x_1 - x_3, \ x_1 + 2x_2 - x_4).

(a) Scrivere la matrice AA di ff rispetto alla base canonica di R4\mathbb{R}^4, ridurla in forma a scala e trovare il rango. (b) Trovare una base di Ker⁡f\operatorname{Ker} f, una base di Im⁡f\operatorname{Im} f e dire per quale valore di α\alpha il vettore (1,1,−3,α)(1, 1, -3, \alpha) appartiene a Im⁡f\operatorname{Im} f. (c) Verificare che la prima colonna c1c_1 di AA appartiene a Ker⁡f\operatorname{Ker} f. Possiamo dire che Ker⁡f+Im⁡f=R4\operatorname{Ker} f + \operatorname{Im} f = \mathbb{R}^4? Perché? (d) Sia U⊂R4U \subset \mathbb{R}^4 il sottospazio generato dai vettori e1,e2e_1, e_2 della base canonica. Sia W⊂R4W \subset \mathbb{R}^4 il sottospazio generato dalle prime due colonne c1,c2c_1, c_2 di AA. Indichiamo con g:U→Wg: U \to W la restrizione di ff, cioè g(u)=f(u)g(u) = f(u) per ogni u∈Uu \in U. Scrivere la matrice di gg rispetto alle basi {e1,e2}\{e_1, e_2\} di UU e {c1,c2}\{c_1, c_2\} di WW.

(a) Matrice, forma a scala, rango

Con le basi canoniche la riga ii contiene i coefficienti della componente iiLa colonna j è f(e_j); un'incognita che manca ha coefficiente 0.Matrice associata a una funzione lineare →: A=(120−10−412−20−10120−1)⟶(120−10−41200000000)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & -1 \\ 0 & -4 & 1 & 2 \\ -2 & 0 & -1 & 0 \\ 1 & 2 & 0 & -1 \end{pmatrix} \longrightarrow \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & -1 \\ 0 & -4 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} rango⁡(A)=2\operatorname{rango}(A) = 2.

(b) Nucleo, immagine, valore di α\alpha

  • Immagine: Base formata dalle prime due colonne di AA (posizioni dei pivot): Im⁡f=⟨(1,0,−2,1),(2,−4,0,2)⟩\operatorname{Im} f = \langle (1, 0, -2, 1), (2, -4, 0, 2) \rangle.
  • Nucleo: Risolvendo AX=0AX=0, si ottiene Ker⁡f=⟨(−2,1,4,0), (1,0,−2,1)⟩\operatorname{Ker} f = \langle (-2, 1, 4, 0), \ (1, 0, -2, 1) \rangle.
  • Valore di α\alpha: Poiché f1=f4f_1 = f_4, ogni vettore in Im⁡f\operatorname{Im} f deve avere prima e quarta componente uguali. Per (1,1,−3,α)(1, 1, -3, \alpha) si ha α=1\alpha = 1; basta, perché (1,1,−3,1)=ac1+bc2(1, 1, -3, 1) = a c_1 + b c_2 con a=32a = \frac32, b=−14b = -\frac14 (dalla seconda e dalla terza componente, e la prima torna: 32−12=1\frac32 - \frac12 = 1).

(c) c1∈Ker⁡fc_1 \in \operatorname{Ker} f; Ker⁡f+Im⁡f=R4\operatorname{Ker} f + \operatorname{Im} f = \mathbb{R}^4?

c1=(1,0,−2,1)c_1 = (1, 0, -2, 1) è in Im⁡f\operatorname{Im} f (è f(e1)f(e_1)) e in Ker⁡f\operatorname{Ker} f: Ac1=(1−1, −2+2, −2+2, 1−1)=0⃗Ac_1 = (1 - 1, \ -2 + 2, \ -2 + 2, \ 1 - 1) = \vec 0. Quindi c1∈Ker⁡f∩Im⁡fc_1 \in \operatorname{Ker} f \cap \operatorname{Im} f. Poiché l'intersezione non è nulla, per la formula di GrassmannFormula di Grassmann: dim(U + W) = dim U + dim W − dim(U ∩ W), come contare gli elementi di un'unione senza contare due volte quelli comuni. Se U ∩ W = {0} la somma è diretta, U ⊕ W, e ogni vettore si scrive in modo unico come u + w.Formula di Grassmann e somma diretta →: dim⁡(Ker⁡f+Im⁡f)=2+2−dim⁡(Ker⁡f∩Im⁡f)≤3<4.\dim(\operatorname{Ker} f + \operatorname{Im} f) = 2 + 2 - \dim(\operatorname{Ker} f \cap \operatorname{Im} f) \le 3 < 4. Quindi la somma non è diretta né coincide con R4\mathbb{R}^4.

(d) Matrice della restrizione g:U→Wg: U \to W

Con base {e1,e2}\{e_1, e_2\} per UU e {c1,c2}\{c_1, c_2\} per WW:

  • g(e1)=f(e1)=c1=1⋅c1+0⋅c2g(e_1) = f(e_1) = c_1 = 1 \cdot c_1 + 0 \cdot c_2
  • g(e2)=f(e2)=c2=0⋅c1+1⋅c2g(e_2) = f(e_2) = c_2 = 0 \cdot c_1 + 1 \cdot c_2 M=(1001)M = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}

Errori comuni

  • Prendere le colonne della forma a scala invece che della matrice originale per la base di Im⁡f\operatorname{Im} f.
  • Confondere la somma dei sottospazi con la somma diretta: V=U⊕W  ⟺  U∩W={0}V = U \oplus W \iff U \cap W = \{0\}.
  • Sbagliare la base del codominio in (d): la matrice va scritta rispetto a {c1,c2}\{c_1, c_2\}, non alla base canonica.

Teoria collegata