Mathematics · Libro 3 · Bachelor Year 1

Matemáticas universitarias — Grado 1

Matemáticas universitarias — Grado 1 · Bachelor Year 1

20Aplicaciones lineales

Las aplicaciones que merece la pena estudiar entre espacios vectoriales son las compatibles con la estructura: las aplicaciones lineales. Sus dos subespacios fundamentales —núcleo e imagen— miden la inyectividad y la sobreyectividad y, en dimensión finita, el teorema del rango ata sus tamaños en una sola ley de conservación. Las proyecciones y las simetrías, y después las formas lineales y los hiperplanos, cierran el capítulo.

20.1 Definiciones y primeras propiedades

Definición 20.1

Sean E,FE, F espacios vectoriales sobre KK. Una aplicación u ⁣:EFu \colon E \to F es lineal cuando

x,yE, λK,u(x+λy)=u(x)+λu(y).\forall x, y \in E,\ \forall \lambda \in K, \qquad u(x + \lambda y) = u(x) + \lambda u(y).

Entonces u(0)=0u(0) = 0 y u(λixi)=λiu(xi)u(\sum \lambda_i x_i) = \sum \lambda_i u(x_i). El conjunto L(E,F)\mathcal{L}(E, F) de las aplicaciones lineales es él mismo un espacio vectorial; la composición de aplicaciones lineales es lineal, y bilineal en la pareja. Un endomorfismo es una aplicación lineal EEE \to E; un isomorfismo es una aplicación lineal biyectiva (cuya inversa es entonces automáticamente lineal); y u1u^{-1} de un isomorfismo, así como las composiciones de isomorfismos, son isomorfismos.

Demostración de que la inversa es lineal. Sea uu lineal y biyectiva, sean y,yFy, y' \in F y λK\lambda \in K. Póngase x=u1(y)x = u^{-1}(y) y x=u1(y)x' = u^{-1}(y'). Entonces

u(x+λx)=u(x)+λu(x)=y+λy,u\bigl(x + \lambda x'\bigr) = u(x) + \lambda u(x') = y + \lambda y' ,

y, aplicando u1u^{-1} a los dos extremos: u1(y+λy)=x+λx=u1(y)+λu1(y)u^{-1}(y + \lambda y') = x + \lambda x' = u^{-1}(y) + \lambda\,u^{-1}(y'). No se ha calculado nada de u1u^{-1}: la linealidad se transporta solo por la propiedad que define uu — un patrón que conviene recordar, pues la estructura suele viajar gratis a lomos de las biyecciones.

Proposición 20.2 (Una aplicación lineal se conoce en una base)

Sea (e1,,en)(e_1, \dots, e_n) una base de EE y sean (v1,,vn)(v_1, \dots, v_n) vectores arbitrarios de FF. Hay exactamente una aplicación lineal u ⁣:EFu \colon E \to F con u(ei)=viu(e_i) = v_i para todo ii. Además:

u inyectiva    (vi) libre;u sobreyectiva    (vi) genera F.u \text{ inyectiva} \iff (v_i) \text{ libre}; \qquad u \text{ sobreyectiva} \iff (v_i) \text{ genera } F .

Demostración. Existencia y unicidad: todo xx tiene coordenadas únicas x=λieix = \sum \lambda_i e_i (Proposición 18.15); la linealidad fuerza u(x)=λiviu(x) = \sum \lambda_i v_i, y esa fórmula sí define una aplicación lineal.

Inyectividad: por la Proposición 20.5 de más abajo, uu es inyectiva si y solo si su núcleo es trivial. Ahora bien, u(λiei)=0u\bigl(\sum\lambda_i e_i\bigr) = 0 significa exactamente λivi=0\sum\lambda_i v_i = 0. Si (vi)(v_i) es libre, esto fuerza que todos los λi=0\lambda_i = 0, es decir, que el núcleo se reduzca a 00: inyectiva. Y si (vi)(v_i) es ligada, una relación no trivial λivi=0\sum\lambda_i v_i = 0 produce el vector no nulo λiei\sum\lambda_i e_i en el núcleo ((ei)(e_i) es libre): no inyectiva. Las dos condiciones se corresponden término a término.

Sobreyectividad: la imagen de uu es el conjunto de todos los λivi\sum\lambda_i v_i, es decir, exactamente Vect(v1,,vn)\operatorname{Vect}(v_1, \dots, v_n), que es igual a FF si y solo si la familia genera.

Definición 20.3 (Núcleo e imagen)

Para uL(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F):

keru={xE:u(x)=0}E,imu=u(E)F,\ker u = \{x \in E : u(x) = 0\} \subseteq E, \qquad \operatorname{im} u = u(E) \subseteq F ,

los dos subespacios (comprobación directa con el criterio).

Método 20.4 (Núcleo e imagen, en la práctica)

Núcleo: escríbase u(x)=0u(x) = 0 como un sistema sobre las coordenadas (o los coeficientes) de xx, resuélvase y parametrícese — el núcleo sale con una base incorporada (Método 19.10). Imagen: es el subespacio generado por las imágenes de cualquier familia generadora de EE —normalmente una base, con lo que imu=Vect(u(e1),,u(en))\operatorname{im} u = \operatorname{Vect}\bigl(u(e_1), \dots, u(e_n)\bigr)—; elimínense después las imágenes redundantes para extraer una base. Atajo: calcúlese el más fácil de los dos y obténgase gratis la dimensión del otro por el teorema del rango (Teorema 20.7); y cuando se conoce un subespacio candidato plausible para la imagen, comparar dimensiones eleva la inclusión fácil a igualdad (Teorema 19.14). Los dos atajos se usan en el Ejemplo 20.11 de más abajo.

Proposición 20.5

uu es inyectiva     \iff keru={0}\ker u = \{0\}; y uu es sobreyectiva     \iff imu=F\operatorname{im} u = F.

Demostración. Como en los grupos (Proposición 7.11): u(x)=u(y)    u(xy)=0    xykeruu(x) = u(y) \iff u(x - y) = 0 \iff x - y \in \ker u. El segundo punto es la definición.

20.2 El teorema del rango

Definición 20.6

El rango de uL(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) (con EE de dimensión finita) es rku=dimimu\operatorname{rk} u = \dim \operatorname{im} u — también el rango de la familia (u(e1),,u(en))\bigl(u(e_1), \dots, u(e_n)\bigr) para cualquier base (ei)(e_i) de EE.

Teorema 20.7 (Teorema del rango)

Sea EE de dimensión finita y uL(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F). Entonces

dimE=dimkeru+rku.\dim E = \dim \ker u + \operatorname{rk} u .

Con más precisión: si SS es un subespacio suplementario cualquiera de keru\ker u en EE, entonces uu se restringe a un isomorfismo de SS sobre imu\operatorname{im} u.

Demostración. Sea SS tal que E=keruSE = \ker u \oplus S (Teorema 19.14) y sea v ⁣:Simuv \colon S \to \operatorname{im} u la restricción de uu.

vv es inyectiva: kerv=Skeru={0}\ker v = S \cap \ker u = \{0\}.

vv es sobreyectiva: cualquier u(x)u(x) con x=k+sx = k + s (kkeruk \in \ker u, sSs \in S) es igual a u(s)=v(s)u(s) = v(s).

Luego vv es un isomorfismo; y un isomorfismo lleva una base a una base (Proposición 20.2), de modo que dimS=dimimu\dim S = \dim\operatorname{im} u, y dimE=dimkeru+dimS\dim E = \dim\ker u + \dim S concluye.

Ejemplo 20.8 (Construir una aplicación a medida)

Constrúyase uL(R3)u \in \mathcal{L}(\R^3) con keru=Vect(1,1,1)\ker u = \operatorname{Vect}(1,1,1) y imu={z=0}\operatorname{im} u = \{z = 0\}. Primero, coherencia: el teorema del rango exige 1+2=31 + 2 = 3 — cuadra, así que puede existir solución. Elíjase una base adaptada al núcleo, digamos ((1,1,1), e1, e2)\bigl((1,1,1),\ e_1,\ e_2\bigr) (Ejemplo 19.7), y prescríbanse las imágenes (Proposición 20.2):

u(1,1,1)=0,u(e1)=e1,u(e2)=e2.u(1,1,1) = 0, \qquad u(e_1) = e_1, \qquad u(e_2) = e_2 .

Entonces keruVect(1,1,1)\ker u \supseteq \operatorname{Vect}(1,1,1) y imu=Vect(e1,e2)={z=0}\operatorname{im} u = \operatorname{Vect}(e_1, e_2) = \{z = 0\}; y el teorema del rango fuerza dimkeru=1\dim\ker u = 1, de modo que el núcleo es exactamente la recta prescrita. Explícitamente, descomponiendo (x,y,z)=z(1,1,1)+(xz)e1+(yz)e2(x, y, z) = z(1,1,1) + (x - z)e_1 + (y - z)e_2:

u(x,y,z)=(xz, yz, 0).u(x, y, z) = (x - z,\ y - z,\ 0).

La receta se generaliza: existe una aplicación lineal con núcleo prescrito NN e imagen prescrita II exactamente cuando dimN+dimI=dimE\dim N + \dim I = \dim E — la necesidad es el teorema del rango y la suficiencia es esta construcción.

Corolario 20.9

Si dimE=dimF\dim E = \dim F (finita), entonces, para uL(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F):

u inyectiva    u sobreyectiva    u biyectiva.u \text{ inyectiva} \iff u \text{ sobreyectiva} \iff u \text{ biyectiva}.

En particular, esto vale para los endomorfismos en dimensión finita. (Falla en dimensión infinita: en K[X]K[X], la derivada es sobreyectiva pero no inyectiva, y PXPP \mapsto XP es inyectiva pero no sobreyectiva.)

Demostración. Inyectiva     dimkeru=0    rku=dimE=dimF    imu=F\iff \dim\ker u = 0 \iff \operatorname{rk} u = \dim E = \dim F \iff \operatorname{im} u = F (un subespacio de dimensión máxima lo es todo, Teorema 19.14)     \iff sobreyectiva.

Ejemplo 20.10 (La interpolación, estructuralmente)

Fíjense x0,,xnx_0, \dots, x_n distintos y sea u ⁣:Rn[X]Rn+1u \colon \R_n[X] \to \R^{n+1}, P(P(x0),,P(xn))P \mapsto (P(x_0), \dots, P(x_n)): lineal. Su núcleo es {P:degPn, n+1 raıˊces}={0}\{P : \deg P \leq n,\ n+1 \text{ raíces}\} = \{0\} (Corolario 8.8). Dimensiones iguales n+1n + 1: uu es un isomorfismo — la existencia y la unicidad del interpolador de Lagrange (Teorema 8.23) en una línea.

El mismo patrón de una línea trata datos que mezclan valores y derivadas: v ⁣:R3[X]R4v \colon \R_3[X] \to \R^4, P(P(0),P(0),P(1),P(1))P \mapsto \bigl(P(0), P'(0), P(1), P'(1)\bigr) es lineal, y su núcleo consta de los polinomios de grado 3\leq 3 con raíces dobles en 00 y en 11, es decir, divisibles por X2(X1)2X^2(X-1)^2, de grado 44: solo P=0P = 0. Otra vez dimensiones iguales: cada cuádrupla de datos (P(0),P(0),P(1),P(1))(P(0), P'(0), P(1), P'(1)) la realiza exactamente una cúbica — la interpolación de Hermite, concedida por un cálculo de núcleo antes de escribir ninguna fórmula (el problema del fin de semana del Capítulo 22 se encuentra con su determinante).

Ejemplo 20.11 (El teorema del rango en acción: el operador de diferencias)

Sea Δ ⁣:Rn[X]Rn[X]\Delta \colon \R_n[X] \to \R_n[X], PP(X+1)P(X)P \mapsto P(X+1) - P(X): lineal. Núcleo: si ΔP=0\Delta P = 0, entonces P(0)=P(1)=P(2)=P(0) = P(1) = P(2) = \dots, luego PP(0)P - P(0) tiene infinitas raíces y se anula (Corolario 8.8): kerΔ\ker\Delta es la recta de las constantes. Teorema del rango: rkΔ=(n+1)1=n\operatorname{rk}\Delta = (n + 1) - 1 = n. Y como degΔP<degP\deg \Delta P < \deg P para PP no constante (los términos de cabeza se cancelan), imΔRn1[X]\operatorname{im}\Delta \subseteq \R_{n-1}[X], que tiene dimensión exactamente nn: la inclusión es una igualdad. Conclusión, sin calcular ninguna imagen recíproca: todo polinomio QQ de grado n1\leq n - 1 es una diferencia Q=P(X+1)P(X)Q = P(X+1) - P(X) — la primitiva discreta existe. (Compárese con el problema del fin de semana del Capítulo 18, donde Δ\Delta se invirtió explícitamente en la base binomial.)

Ejemplo 20.12 (Contabilidad del rango a lo largo de una composición)

En R2[X]\R_2[X], compóngase la derivada D(P)=PD(P) = P' (de rango 22: imagen R1[X]\R_1[X], núcleo las constantes) consigo misma. Entonces DD=D2D \circ D = D^2 lleva PPP \mapsto P'', con imagen R0[X]\R_0[X]: rango 11. Compárese con las cotas generales: la tosca da rkD2min(2,2)=2\operatorname{rk} D^2 \leq \min(2, 2) = 2; y la fórmula exacta del Ejercicio 20.12 explica la pérdida con precisión,

rkD2=rkDdim(kerDimD)=21=1,\operatorname{rk} D^2 = \operatorname{rk} D - \dim\bigl(\ker D \cap \operatorname{im} D\bigr) = 2 - 1 = 1 ,

ya que las constantes (núcleo del DD exterior) están dentro de R1[X]\R_1[X] (imagen del DD interior) con dimensión 11. El rango se pierde exactamente donde el núcleo exterior embosca a la imagen interior — la frase que hay que recordar cuando los rangos de una composición se portan mal.

Ejemplo 20.13 (Núcleo e imagen del operador de Euler)

En Rn[X]\R_n[X], sea u(P)=XPu(P) = X\,P' (lineal: lo son derivar y multiplicar por XX). Núcleo: XP=0XP' = 0 fuerza P=0P' = 0 (un producto de polinomios se anula solo si lo hace un factor), luego keru\ker u es la recta de las constantes. Imagen: sobre la base monomial,

u(Xk)=kXk(k=0,1,,n),u(X^k) = k\,X^{k} \qquad (k = 0, 1, \dots, n),

luego imu=Vect(X,2X2,,nXn)=Vect(X,X2,,Xn)\operatorname{im} u = \operatorname{Vect}(X, 2X^2, \dots, nX^n) = \operatorname{Vect}(X, X^2, \dots, X^n): los polinomios con término constante nulo. Comprobación con el teorema del rango: rku=(n+1)1=n\operatorname{rk} u = (n + 1) - 1 = n, que es en efecto la dimensión hallada. Dos observaciones que conviene guardar. Primera: aquí imukeru=Rn[X]\operatorname{im} u \oplus \ker u = \R_n[X] — pero eso es un feliz accidente de este operador, no un teorema: para el v(P)=Pv(P) = P', de tipo desplazamiento, en R1[X]\R_1[X] se tiene kerv=imv=R0[X]\ker v = \operatorname{im} v = \R_0[X] y la suma no es directa. Segunda: la relación u(Xk)=kXku(X^k) = kX^k dice que cada monomio simplemente se reescala con uu — una base adaptada a la aplicación, el germen de la idea de valor propio que se desarrolla en el volumen del segundo año.

20.3 Proyecciones y simetrías

Definición 20.14

Sea E=FGE = F \oplus G. La proyección sobre FF paralelamente a GG lleva x=f+gx = f + g (descomposición única) a p(x)=fp(x) = f; la simetría asociada es s(x)=fgs(x) = f - g. Las dos son lineales, y s=2pids = 2p - \mathrm{id}.

Teorema 20.15 (Algebraic characterization)

  1. Un endomorfismo pp es una proyección (sobre cierto FF paralelamente a cierto GG) si y solo si pp=pp \circ p = p; y entonces F=imp=ker(pid)F = \operatorname{im} p = \ker(p - \mathrm{id}) y G=kerpG = \ker p.
  2. Un endomorfismo ss es una simetría si y solo si ss=ids \circ s = \mathrm{id}; y entonces E=ker(sid)ker(s+id)E = \ker(s - \mathrm{id}) \oplus \ker(s + \mathrm{id}).

Demostración. (1) Una proyección cumple p(f+g)=fp(f + g) = f y p(f)=fp(f) = f: p2=pp^2 = p. Recíprocamente, sea p2=pp^2 = p; póngase F=impF = \operatorname{im} p, G=kerpG = \ker p. Todo xx se escribe x=p(x)+(xp(x))x = p(x) + (x - p(x)) con p(x)Fp(x) \in F y p(xp(x))=p(x)p2(x)=0p\bigl(x - p(x)\bigr) = p(x) - p^2(x) = 0: E=F+GE = F + G. Si yFGy \in F \cap G: y=p(z)y = p(z) y p(y)=0p(y) = 0, luego y=p(z)=p2(z)=p(y)=0y = p(z) = p^2(z) = p(y) = 0: suma directa, y pp es la proyección sobre FF paralelamente a GG. Por último, en FF: y=p(z)y = p(z) da p(y)=yp(y) = y, luego Fker(pid)F \subseteq \ker(p - \mathrm{id}); y, recíprocamente, p(y)=yp(y) = y mete a yy en la imagen.

(2) La correspondencia s=2pids = 2p - \mathrm{id}, p=s+id2p = \frac{s + \mathrm{id}}2 es una biyección entre endomorfismos, y mediante ella

s2=4p24p+id=id    4p2=4p    p2=p:s^2 = 4p^2 - 4p + \mathrm{id} = \mathrm{id} \iff 4p^2 = 4p \iff p^2 = p :

las simetrías se corresponden exactamente con las proyecciones. Traduciendo los subespacios: s(x)=x    p(x)=xs(x) = x \iff p(x) = x, luego ker(sid)=imp=F\ker(s - \mathrm{id}) = \operatorname{im} p = F; y s(x)=x    2p(x)=0    xkerp=Gs(x) = -x \iff 2p(x) = 0 \iff x \in \ker p = G, luego ker(s+id)=G\ker(s + \mathrm{id}) = G. La suma directa E=FGE = F \oplus G del punto (1) se convierte en la descomposición anunciada en los vectores fijos y los vectores invertidos por ss.

Ejemplo 20.16 (Una proyección y su simetría, explícitamente)

En R2\R^2, proyéctese sobre F=Vect(1,1)F = \operatorname{Vect}(1,1) paralelamente a G=Vect(0,1)G = \operatorname{Vect}(0,1). Descompóngase (x,y)=a(1,1)+b(0,1)(x, y) = a(1,1) + b(0,1): la primera coordenada da a=xa = x y la segunda, b=yxb = y - x. Por tanto,

p(x,y)=(x,x),s(x,y)=2p(x,y)(x,y)=(x, 2xy).p(x, y) = (x, x), \qquad s(x, y) = 2p(x,y) - (x,y) = (x,\ 2x - y).

Compruébese el álgebra: p(p(x,y))=p(x,x)=(x,x)p(p(x,y)) = p(x,x) = (x,x) y s(s(x,y))=s(x,2xy)=(x,2x(2xy))=(x,y)s(s(x,y)) = s(x, 2x - y) = (x, 2x - (2x - y)) = (x, y). Geométricamente, ss es la «reflexión oblicua» respecto de la recta y=xy = x en la dirección vertical: deja FF fijo punto a punto e invierte GG. Si hubiéramos proyectado sobre el mismo FF pero paralelamente a G=Vect(1,1)G' = \operatorname{Vect}(1,-1), la fórmula cambiaría a p(x,y)=(x+y2,x+y2)p'(x,y) = \bigl(\frac{x+y}2, \frac{x+y}2\bigr): una proyección queda determinada por su imagen y su núcleo, nunca por la imagen sola.

La proyección sobre F = Vect(1,1) paralelamente a G = Vect(0,1) y su simetría, sobre el punto M = (2,\ 0.5): deslizándose verticalmente, M llega a F en p(M) = (2,2) y aterriza en s(M) = 2p(M) - M = (2,\ 3.5), tan por encima de F (medido a lo largo de G) como M estaba por debajo.
La proyección sobre F=Vect(1,1)F = \operatorname{Vect}(1,1) paralelamente a G=Vect(0,1)G = \operatorname{Vect}(0,1) y su simetría, sobre el punto M=(2, 0.5)M = (2,\ 0.5): deslizándose verticalmente, MM llega a FF en p(M)=(2,2)p(M) = (2,2) y aterriza en s(M)=2p(M)M=(2, 3.5)s(M) = 2p(M) - M = (2,\ 3.5), tan por encima de FF (medido a lo largo de GG) como MM estaba por debajo.

20.4 Formas lineales e hiperplanos

Definición 20.17

Una forma lineal en EE es una aplicación lineal φ ⁣:EK\varphi \colon E \to K. Un hiperplano de EE (dimE=n\dim E = n) es un subespacio de dimensión n1n - 1.

Ejemplo 20.18 (Una forma de evaluación y su hiperplano)

En R2[X]\R_2[X], la evaluación φ(P)=P(2)\varphi(P) = P(2) es una forma lineal no nula (φ(1)=1\varphi(1) = 1). Su núcleo es el hiperplano de los polinomios que se anulan en 22, es decir (teorema del factor, Teorema 8.7), los múltiplos de X2X - 2 dentro de R2[X]\R_2[X]:

kerφ=Vect(X2, X(X2)),dim=2.\ker\varphi = \operatorname{Vect}\bigl(X - 2,\ X(X - 2)\bigr), \qquad \dim = 2 .

En coordenadas sobre (1,X,X2)(1, X, X^2), φ(a+bX+cX2)=a+2b+4c\varphi(a + bX + cX^2) = a + 2b + 4c: toda forma lineal en un espacio de dimensión finita es, una vez fijada una base, una expresión lineal fija en las coordenadas — las formas son «vectores fila», como el Capítulo 21 volverá literal, y la fila de coeficientes de aquí, (1,2,4)(1, 2, 4), es una fila de Vandermonde: las formas de evaluación son la puerta por la que entra en el álgebra lineal la teoría de interpolación del problema del fin de semana del Capítulo 22.

Teorema 20.19

Los hiperplanos de EE son exactamente los núcleos de las formas lineales no nulas. Y dos formas no nulas tienen el mismo núcleo si y solo si son proporcionales.

Demostración. Si φ0\varphi \neq 0: rkφ=1\operatorname{rk}\varphi = 1 (la imagen es un subespacio no nulo de KK), luego dimkerφ=n1\dim\ker\varphi = n - 1: un hiperplano. Recíprocamente, sea HH un hiperplano y (e1,,en1)(e_1, \dots, e_{n-1}) una base de HH completada por ene_n: la forma «última coordenada» tiene núcleo HH.

Dos formas proporcionales comparten su núcleo. Recíprocamente, supóngase kerφ=kerψ=H\ker\varphi = \ker\psi = H y tómese aHa \notin H: todo xx se escribe x=h+λax = h + \lambda a (pues E=HKaE = H \oplus Ka), y

φ(x)=λφ(a),ψ(x)=λψ(a):\varphi(x) = \lambda \varphi(a), \qquad \psi(x) = \lambda\psi(a):

luego φ=φ(a)ψ(a)ψ\varphi = \frac{\varphi(a)}{\psi(a)}\,\psi.

Ejemplo 20.20

En KnK^n, un hiperplano es un conjunto de soluciones {a1x1++anxn=0}\{a_1 x_1 + \dots + a_n x_n = 0\} con los aia_i no todos nulos — la conocida ecuación de un plano que pasa por el origen en R3\R^3. En los espacios de funciones, las formas de evaluación PP(1)P \mapsto P(1) o f01ff \mapsto \int_0^1 f definen hiperplanos de Rn[X]\R_n[X] y de C([0,1])C(\intcc{0}{1}) (cf. Ejercicio 19.6).

Ejemplo 20.21 (Un hiperplano, trabajado de tres maneras)

Tómense φ(x,y,z)=x2y+3z\varphi(x, y, z) = x - 2y + 3z en R3\R^3 y H=kerφH = \ker\varphi. Base: resuélvase x=2y3zx = 2y - 3z:

(2y3z, y, z)=y(2,1,0)+z(3,0,1),(2y - 3z,\ y,\ z) = y\,(2, 1, 0) + z\,(-3, 0, 1),

dos vectores libres: dimH=2\dim H = 2, un hiperplano, como predice el Teorema 20.19 a partir de φ0\varphi \neq 0. Recta suplementaria: cualquier vector fuera de HH genera una, por ejemplo a=(1,0,0)a = (1, 0, 0) (φ(a)=10\varphi(a) = 1 \neq 0); y la descomposición de un vv arbitrario es explícita:

v=(vφ(v)a)H+φ(v)aVect(a),v = \underbrace{\bigl(v - \varphi(v)\,a\bigr)}_{\in\,H} + \underbrace{\varphi(v)\,a}_{\in\,\operatorname{Vect}(a)},

ya que φ(vφ(v)a)=φ(v)φ(v)φ(a)=0\varphi\bigl(v - \varphi(v)a\bigr) = \varphi(v) - \varphi(v)\varphi(a) = 0. Proporcionalidad: si ψ(x,y,z)=2x+4y6z\psi(x,y,z) = -2x + 4y - 6z, entonces ψ=2φ\psi = -2\varphi y las dos tienen núcleo HH; recíprocamente, toda forma que se anule en HH es múltiplo de φ\varphi (Ejercicio 20.8) — la ecuación de un hiperplano es única salvo escala, hecho que se usa constantemente para los planos en geometría.

Observación 20.22 (Errores frecuentes)

El núcleo y la imagen viven en espacios distintos: keruE\ker u \subseteq E, imuF\operatorname{im} u \subseteq F; la suma keru+imu\ker u + \operatorname{im} u solo tiene sentido para endomorfismos y, aun así, no tiene por qué ser directa (u(x,y)=(y,0)u(x, y) = (y, 0) tiene keru=imu\ker u = \operatorname{im} u; el Ejercicio 20.7 caracteriza cuándo sí lo es). u2=0u^2 = 0 no significa u=0u = 0: ese mismo u(x,y)=(y,0)u(x,y) = (y, 0) tiene cuadrado nulo sin anularse — lo que u2=0u^2 = 0 dice de verdad es imukeru\operatorname{im} u \subseteq \ker u (Ejercicio 20.5). Inyectiva     \iff sobreyectiva exige dimensiones finitas iguales: en K[X]K[X], la derivada es sobreyectiva y no inyectiva, y PXPP \mapsto XP es inyectiva y no sobreyectiva (Corolario 20.9); y entre espacios de dimensiones distintas, una de las dos implicaciones es sencillamente imposible (rkumin(dimE,dimF)\operatorname{rk} u \leq \min(\dim E, \dim F)). Prescribir imágenes funciona sobre una base, no sobre una familia cualquiera: exigir u(1,0)=au(1, 0) = a, u(0,1)=bu(0, 1) = b, u(1,1)=cu(1, 1) = c sobredetermina uu salvo que c=a+bc = a + b; una aplicación lineal es libre en una base y esclava en todo lo demás. El rango no se conserva al componer: solo puede bajar, rk(vu)min(rku,rkv)\operatorname{rk}(vu) \leq \min(\operatorname{rk} u, \operatorname{rk} v) (Ejercicio 20.4), con la pérdida exacta medida en el Ejercicio 20.12.

Observación 20.23 (Adónde van estas aplicaciones)

Las aplicaciones lineales están a punto de convertirse en matrices: una vez fijadas las bases, el Capítulo 21 codifica cada uL(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) mediante una tabla rectangular, y la composición pasa a ser el producto de matrices — y el teorema del rango dirige después la teoría de los sistemas lineales en el Capítulo 22. Las proyecciones vuelven en el Capítulo 23 en su caso particular más útil, la proyección ortogonal, donde el núcleo se elige perpendicular a la imagen. El problema del fin de semana de más abajo lleva el álgebra de proyectores tan lejos como alcanzan las herramientas de primer año, hasta el lema de Fitting; y el volumen del segundo año va más allá, con la traza y con la teoría de valores propios, para la que los proyectores sobre subespacios estables son las piezas básicas.

Observación 20.24 (Perspectivas dentro del libro 3: el teorema del rango tres veces más)

La ley de conservación dimE=dimkeru+rku\dim E = \dim\ker u + \operatorname{rk} u se releerá tres veces antes de que acabe el volumen. En el Capítulo 22 se convierte en la forma de los conjuntos de soluciones: un sistema compatible con pp incógnitas y rango rr tiene un conjunto de soluciones de dimensión prp - r — la dimensión del núcleo disfrazada. En el Capítulo 23 se parte de forma ortogonal, dimF+dimF=dimE\dim F + \dim F^\perp = \dim E, y mueve todo cálculo de distancias. Y en el problema del fin de semana del Capítulo 25 es el contable de los mínimos cuadrados: nn observaciones, 22 parámetros ajustados, n2n - 2 dimensiones de residuo, y la identidad pitagórica b2=p2+bp2\norm b^2 = \norm p^2 + \norm{b - p}^2 es la sombra euclídea del teorema del rango. Un teorema, cuatro disfraces.

20.5 Ejercicios

Ejercicio 20.1

¿Qué aplicaciones son lineales?

  1. R2R2\R^2 \to \R^2, (x,y)(x+y,x2y)(x, y) \mapsto (x + y, x - 2y);
  2. R2R\R^2 \to \R, (x,y)xy(x, y) \mapsto xy;
  3. R[X]R[X]\R[X] \to \R[X], PP+XPP \mapsto P' + XP;
  4. F(R,R)R\mathcal{F}(\R,\R) \to \R, ff(3)f \mapsto f(3).
Solución

Solución de Ejercicio 20.1.

(1) Lineal: las coordenadas son expresiones lineales. (2) No lineal: u(2(1,1))=42=2u(1,1)u(2(1,1)) = 4 \neq 2 = 2u(1,1). (3) Lineal: lo son derivar y multiplicar por XX, y las sumas de aplicaciones lineales también. (4) Lineal: la evaluación respeta las operaciones punto a punto.

Ejercicio 20.2

Sea u ⁣:R3R3u \colon \R^3 \to \R^3, (x,y,z)(x+yz,  2x+y+z,  3x+2y)(x,y,z) \mapsto (x + y - z,\; 2x + y + z,\; 3x + 2y). Determínense keru\ker u (base y dimensión), rku\operatorname{rk} u y una base de imu\operatorname{im} u. ¿Es uu inyectiva? ¿sobreyectiva?

Solución

Solución de Ejercicio 20.2.

Núcleo: resuélvase x+yz=0x + y - z = 0, 2x+y+z=02x + y + z = 0, 3x+2y=03x + 2y = 0. De la tercera, y=3x2y = -\frac{3x}{2}; la primera da z=x+y=x2z = x + y = -\frac x2; y compruébese en la segunda: 2x3x2x2=02x - \frac{3x}{2} - \frac x2 = 0: se cumple. Luego keru=Vect((2,3,1))\ker u = \operatorname{Vect}\bigl((2, -3, -1)\bigr) (tomando x=2x = 2), de dimensión 11.

Teorema del rango: rku=31=2\operatorname{rk} u = 3 - 1 = 2. Imagen: generada por las imágenes de la base canónica, u(e1)=(1,2,3)u(e_1) = (1,2,3), u(e2)=(1,1,2)u(e_2) = (1,1,2), u(e3)=(1,1,0)u(e_3) = (-1,1,0); las dos primeras son libres y el rango es 22: base ((1,2,3),(1,1,2))\bigl((1,2,3), (1,1,2)\bigr).

No es inyectiva (ker{0}\ker \neq \{0\}) ni sobreyectiva (rango 2<32 < 3): coherente con el Corolario 20.9.

Ejercicio 20.3

Sea u ⁣:Rn[X]Rn[X]u \colon \R_n[X] \to \R_n[X], PPPP \mapsto P - P'. Demuéstrese que uu es un isomorfismo: una vez por keru\ker u y otra exhibiendo la inversa (considérese P+P+P+P + P' + P'' + \dots).

Solución

Solución de Ejercicio 20.3.

Núcleo: P=PP = P' fuerza degP=degP\deg P = \deg P' salvo que P=0P = 0; pero degP<degP\deg P' < \deg P para P0P \neq 0: luego keru={0}\ker u = \{0\} y uu, endomorfismo inyectivo del Rn[X]\R_n[X] de dimensión finita, es un isomorfismo (Corolario 20.9).

Inversa: sea v(P)=P+P+P++P(n)v(P) = P + P' + P'' + \dots + P^{(n)} (suma finita en Rn[X]\R_n[X]). Entonces

v(u(P))=k=0n(PP)(k)=k=0nP(k)k=0nP(k+1)=PP(n+1)=P,v\bigl(u(P)\bigr) = \sum_{k=0}^{n} (P - P')^{(k)} = \sum_{k=0}^{n} P^{(k)} - \sum_{k=0}^{n} P^{(k+1)} = P - P^{(n+1)} = P ,

telescopando, ya que P(n+1)=0P^{(n+1)} = 0. Luego v=u1v = u^{-1}.

Ejercicio 20.4

Sean uL(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) y vL(F,G)v \in \mathcal{L}(F, G), con los espacios de dimensión finita. Demuéstrese:

rk(vu)min(rku, rkv).\operatorname{rk}(v \circ u) \leq \min\bigl(\operatorname{rk} u,\ \operatorname{rk} v\bigr).
Solución

Solución de Ejercicio 20.4.

im(vu)=v(imu)imv\operatorname{im}(v \circ u) = v(\operatorname{im} u) \subseteq \operatorname{im} v: rango rkv\leq \operatorname{rk} v. Y vv restringida a imu\operatorname{im} u tiene imagen im(vu)\operatorname{im}(vu); con el teorema del rango dentro de imu\operatorname{im} u: rk(vu)dimimu=rku\operatorname{rk}(vu) \leq \dim\operatorname{im} u = \operatorname{rk} u.

Ejercicio 20.5 ★★

Sea uu un endomorfismo de EE (de dimensión finita) con u2=0u^2 = 0. Demuéstrese que imukeru\operatorname{im} u \subseteq \ker u y, por tanto, que rkudimE2\operatorname{rk} u \leq \frac{\dim E}{2}. Para E=R2E = \R^2, dese un ejemplo con igualdad.

Solución

Solución de Ejercicio 20.5.

u2=0u^2 = 0 significa u(u(x))=0u(u(x)) = 0 para todo xx: todo u(x)u(x) está en keru\ker u, es decir, imukeru\operatorname{im} u \subseteq \ker u. Y entonces el teorema del rango:

dimE=dimkeru+rku2rku.\dim E = \dim\ker u + \operatorname{rk} u \geq 2\operatorname{rk} u .

Ejemplo con igualdad en R2\R^2: u(x,y)=(y,0)u(x, y) = (y, 0): u2=0u^2 = 0 y rku=1=dimE2\operatorname{rk} u = 1 = \frac{\dim E}{2}.

Ejercicio 20.6 ★★

Sean p,qp, q proyecciones de EE con pq=qpp \circ q = q \circ p. Demuéstrese que pqp \circ q es una proyección, con

im(pq)=impimq,ker(pq)=kerp+kerq.\operatorname{im}(pq) = \operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q , \qquad \ker (pq) = \ker p + \ker q .
Solución

Solución de Ejercicio 20.6.

(pq)2=pqpq=ppqq=pq(pq)^2 = pqpq = ppqq = pq (por la conmutación): una proyección (Teorema 20.15).

Imagen: im(pq)imp\operatorname{im}(pq) \subseteq \operatorname{im} p y =im(qp)imq= \operatorname{im}(qp) \subseteq \operatorname{im} q: está contenida en la intersección. Recíprocamente, si ximpimqx \in \operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q, entonces p(x)=xp(x) = x y q(x)=xq(x) = x (los puntos fijos caracterizan la imagen de una proyección), luego pq(x)=xpq(x) = x: xim(pq)x \in \operatorname{im}(pq).

Núcleo: kerpker(qp)=ker(pq)\ker p \subseteq \ker(qp) = \ker(pq) y, análogamente, kerqker(pq)\ker q \subseteq \ker(pq): la suma está contenida. Recíprocamente, sea pq(x)=0pq(x) = 0 y escríbase

x=q(x)kerp+(xq(x))kerq:x = \underbrace{q(x)}_{\in\, \ker p} + \underbrace{(x - q(x))}_{\in\, \ker q} :

el primer término cumple p(q(x))=0p(q(x)) = 0, luego está en kerp\ker p; y el segundo está en kerq\ker q, ya que q(xq(x))=q(x)q2(x)=0q(x - q(x)) = q(x) - q^2(x) = 0. Por tanto, xkerp+kerqx \in \ker p + \ker q.

Ejercicio 20.7 ★★

Sea uL(E)u \in \mathcal{L}(E), con EE de dimensión finita. Demuéstrese la equivalencia de:

  1. E=keruimuE = \ker u \oplus \operatorname{im} u;
  2. keru=keru2\ker u = \ker u^2;
  3. imu=imu2\operatorname{im} u = \operatorname{im} u^2.
Solución

Solución de Ejercicio 20.7.

Nótense primero las inclusiones generales kerukeru2\ker u \subseteq \ker u^2 y imu2imu\operatorname{im} u^2 \subseteq \operatorname{im} u y, por el teorema del rango, (2)     \iff (3) (núcleos iguales     \iff rangos iguales     \iff imágenes iguales, dadas las inclusiones).

(1 \Rightarrow 2): sea u2(x)=0u^2(x) = 0; entonces u(x)keruimu={0}u(x) \in \ker u \cap \operatorname{im} u = \{0\}, luego xkerux \in \ker u.

(2 \Rightarrow 1): por Grassmann y el teorema del rango, dim(keru+imu)=dimkeru+rkudim(keruimu)=dimEdim(keruimu)\dim(\ker u + \operatorname{im} u) = \dim\ker u + \operatorname{rk} u - \dim(\ker u \cap \operatorname{im} u) = \dim E - \dim(\ker u \cap \operatorname{im} u): la suma es EE si y solo si la intersección es {0}\{0\}. Sea ykeruimuy \in \ker u \cap \operatorname{im} u: y=u(x)y = u(x) y u(y)=0u(y) = 0, luego u2(x)=0u^2(x) = 0 y, por (2), u(x)=0u(x) = 0: y=0y = 0. Por tanto, E=keruimuE = \ker u \oplus \operatorname{im} u.

Ejercicio 20.8 ★★

Sean φ,ψ\varphi, \psi formas lineales en EE con kerφkerψ\ker\varphi \subseteq \ker\psi. Demuéstrese que ψ=λφ\psi = \lambda\varphi para algún λK\lambda \in K (incluidos los casos degenerados).

Solución

Solución de Ejercicio 20.8.

Si φ=0\varphi = 0: entonces kerφ=Ekerψ\ker\varphi = E \subseteq \ker\psi fuerza ψ=0=0φ\psi = 0 = 0\cdot\varphi. Si φ0\varphi \neq 0: kerφ\ker\varphi es un hiperplano; tómese akerφa \notin \ker\varphi y póngase λ=ψ(a)φ(a)\lambda = \frac{\psi(a)}{\varphi(a)}. La forma ψλφ\psi - \lambda\varphi se anula en kerφ\ker\varphi (las dos lo hacen, por la inclusión) y en aa: se anula en kerφKa=E\ker\varphi \oplus Ka = E. Luego ψ=λφ\psi = \lambda\varphi.

Ejercicio 20.9 ★★★

Sea uL(E)u \in \mathcal{L}(E) con dimE=n\dim E = n, y supóngase un=0u^n = 0 pero un10u^{n-1} \neq 0 (un endomorfismo nilpotente máximo). Tómese xx con un1(x)0u^{n-1}(x) \neq 0; demuéstrese que (x,u(x),,un1(x))\bigl(x, u(x), \dots, u^{n-1}(x)\bigr) es una base de EE. (Aplíquense potencias de uu a una combinación nula, empezando por un1u^{n-1}.)

Solución

Solución de Ejercicio 20.9.

Supóngase λ0x+λ1u(x)++λn1un1(x)=0\lambda_0 x + \lambda_1 u(x) + \dots + \lambda_{n-1} u^{n-1}(x) = 0. Aplíquese un1u^{n-1}: mueren todos los términos con un factor unu^{\geq n} y queda λ0un1(x)=0\lambda_0 u^{n-1}(x) = 0, luego λ0=0\lambda_0 = 0. Aplíquese un2u^{n-2} a la relación restante: λ1un1(x)=0\lambda_1 u^{n-1}(x) = 0, luego λ1=0\lambda_1 = 0; y así sucesivamente. La familia es libre y, al ser de tamaño n=dimEn = \dim E, es una base (Proposición 19.8). (En esa base, uu actúa como un desplazamiento — el modelo de la nilpotencia máxima.)

Ejercicio 20.10 ★★★

Sea fL(Rn)f \in \mathcal{L}(\R^n) con ff=idf \circ f = -\mathrm{id}.

  1. Demuéstrese que ff es un isomorfismo y que ningún x0x \neq 0 cumple f(x)=λxf(x) = \lambda x con λR\lambda \in \R.
  2. Demuéstrese que nn es par. Indicación: tómese x10x_1 \neq 0; véase que Vect(x1,f(x1))\operatorname{Vect}(x_1, f(x_1)) es un plano estable por ff; elíjase x2x_2 fuera de él e itérese, demostrando que (x1,f(x1),x2,f(x2),)\bigl(x_1, f(x_1), x_2, f(x_2), \dots\bigr) sigue libre.
Solución

Solución de Ejercicio 20.10.

  1. ff=idf \circ f = -\mathrm{id} es biyectiva, luego ff lo es (Proposición 1.26 adaptada: ff tiene la inversa bilátera f-f). Si f(x)=λxf(x) = \lambda x con x0x \neq 0: aplicando ff, x=λ2x-x = \lambda^2 x, luego λ2=1\lambda^2 = -1: imposible en R\R.
  2. Constrúyase la familia con voracidad. Tómese x10x_1 \neq 0: (x1,f(x1))(x_1, f(x_1)) es libre por (1). Si el Vect\operatorname{Vect} de la familia en curso (x1,f(x1),,xk,f(xk))\bigl(x_1, f(x_1), \dots, x_k, f(x_k)\bigr), llamémoslo VkV_k —un subespacio estable por ff (cada generador va a otro generador o a su opuesto: f(f(xi))=xif(f(x_i)) = -x_i)—, no es todo EE, elíjase xk+1Vkx_{k+1} \notin V_k. Afirmación: la familia ampliada es libre. Supóngase αxk+1+βf(xk+1)+v=0\alpha x_{k+1} + \beta f(x_{k+1}) + v = 0 con vVkv \in V_k y (α,β)(0,0)(\alpha, \beta) \neq (0,0). Aplíquese ff: αf(xk+1)βxk+1+f(v)=0\alpha f(x_{k+1}) - \beta x_{k+1} + f(v) = 0 con f(v)Vkf(v) \in V_k. Elimínese f(xk+1)f(x_{k+1}) entre las dos relaciones (multiplíquese la primera por α\alpha, la segunda por β-\beta y súmense):

    (α2+β2)xk+1Vk,(\alpha^2 + \beta^2)\, x_{k+1} \in V_k ,

    y α2+β20\alpha^2 + \beta^2 \neq 0 fuerza xk+1Vkx_{k+1} \in V_k: contradicción. Así que la construcción continúa, añadiendo vectores de dos en dos, hasta que Vk=EV_k = E: la familia final es una base de tamaño par, y nn es par.

Ejercicio 20.11 ★★

Sean u,vL(E,F)u, v \in \mathcal{L}(E, F), con los espacios de dimensión finita. Demuéstrese la cota por los dos lados

rkurkv    rk(u+v)    rku+rkv.\abs{\operatorname{rk} u - \operatorname{rk} v} \;\leq\; \operatorname{rk}(u + v) \;\leq\; \operatorname{rk} u + \operatorname{rk} v .

(Para la cota superior, compárese im(u+v)\operatorname{im}(u+v) con imu+imv\operatorname{im} u + \operatorname{im} v; y para la inferior, aplíquese hábilmente la cota superior.)

Solución

Solución de Ejercicio 20.11.

Cota superior: para todo xx, (u+v)(x)=u(x)+v(x)imu+imv(u + v)(x) = u(x) + v(x) \in \operatorname{im} u + \operatorname{im} v, luego

rk(u+v)dim(imu+imv)rku+rkv\operatorname{rk}(u + v) \leq \dim(\operatorname{im} u + \operatorname{im} v) \leq \operatorname{rk} u + \operatorname{rk} v

(Grassmann, Teorema 19.18). Cota inferior: aplíquese la cota superior a la pareja (u+v,v)(u + v, -v), cuya suma es uu:

rkurk(u+v)+rk(v)=rk(u+v)+rkv,\operatorname{rk} u \leq \operatorname{rk}(u + v) + \operatorname{rk}(-v) = \operatorname{rk}(u + v) + \operatorname{rk} v,

luego rkurkvrk(u+v)\operatorname{rk} u - \operatorname{rk} v \leq \operatorname{rk}(u+v); e intercambiando uu y vv se obtiene el valor absoluto.

Ejercicio 20.12 ★★★

(Desigualdad de Frobenius) Sean uL(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F), wL(F,G)w \in \mathcal{L}(F, G) y vL(G,H)v \in \mathcal{L}(G, H), con todos los espacios de dimensión finita. Demuéstrese la fórmula exacta

rk(vw)=rkwdim(kervimw),\operatorname{rk}(v \circ w) = \operatorname{rk} w - \dim\bigl(\ker v \cap \operatorname{im} w\bigr),

y dedúzcase la desigualdad de Frobenius

rk(vw)+rk(wu)    rkw+rk(vwu).\operatorname{rk}(v \circ w) + \operatorname{rk}(w \circ u) \;\leq\; \operatorname{rk} w + \operatorname{rk}(v \circ w \circ u) .

Compruébese que el caso w=idFw = \mathrm{id}_F es la desigualdad de Sylvester, demostrada en forma matricial en el Ejercicio 21.10.

Solución

Solución de Ejercicio 20.12.

Fórmula exacta. Sea vv' la restricción de vv al subespacio imw\operatorname{im} w. Su imagen es v(w(F))=im(vw)v(w(F)) = \operatorname{im}(v \circ w) y su núcleo es kervimw\ker v \cap \operatorname{im} w. Teorema del rango para vv' sobre el espacio imw\operatorname{im} w:

rkw=dimimw=rk(vw)+dim(kervimw).\operatorname{rk} w = \dim\operatorname{im} w = \operatorname{rk}(v \circ w) + \dim(\ker v \cap \operatorname{im} w) .

Frobenius. Aplíquese dos veces la fórmula exacta, a ww y a wuw \circ u:

rkwrk(vw)=dim(kervimw),rk(wu)rk(vwu)=dim(kervim(wu)).\operatorname{rk} w - \operatorname{rk}(vw) = \dim\bigl(\ker v \cap \operatorname{im} w\bigr), \qquad \operatorname{rk}(wu) - \operatorname{rk}(vwu) = \dim\bigl(\ker v \cap \operatorname{im}(wu)\bigr) .

Como im(wu)imw\operatorname{im}(w \circ u) \subseteq \operatorname{im} w, la segunda intersección está contenida en la primera y su dimensión no es mayor:

rk(wu)rk(vwu)    rkwrk(vw),\operatorname{rk}(wu) - \operatorname{rk}(vwu) \;\leq\; \operatorname{rk} w - \operatorname{rk}(vw) ,

que se reordena en la desigualdad de Frobenius. Con w=idFw = \mathrm{id}_F (de rango dimF\dim F, y con imidF=F\operatorname{im}\, \mathrm{id}_F = F): rkv+rkudimF+rk(vu)\operatorname{rk} v + \operatorname{rk} u \leq \dim F + \operatorname{rk}(vu), la desigualdad de Sylvester — demostrada de nuevo, en forma matricial, en el Ejercicio 21.10.

20.6 Problema: cálculo de proyectores y lema de Fitting

Problema 20.1

Las proyecciones son los endomorfismos que producen las sumas directas, y recíprocamente: toda identidad E=F1FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k es en secreto una familia de proyectores que suman la identidad. Este problema desarrolla ese diccionario —el álgebra de un proyector, de dos, de kk— y aplica después las mismas ideas de estabilización a un endomorfismo arbitrario, demostrando el lema de Fitting: todo endomorfismo de un espacio de dimensión finita se parte en una parte nilpotente y una parte invertible. En todo el problema, EE es un KK-espacio vectorial de dimensión nn, y proyector significa pL(E)p \in \mathcal{L}(E) con p2=pp^2 = p (Teorema 20.15).

Parte I — El álgebra en torno a un proyector. Sea pp un proyector, p0p \neq 0, pidp \neq \mathrm{id}.

  1. Véase que idp\mathrm{id} - p es un proyector e identifíquense im(idp)\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) y ker(idp)\ker(\mathrm{id} - p).
  2. Calcúlese (λid+μp)2(\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p)^2 y determínense todas las parejas (λ,μ)K2(\lambda, \mu) \in K^2 para las que λid+μp\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p es un proyector.
  3. Véase que el plano Vect(id,p)\operatorname{Vect}(\mathrm{id}, p) de L(E)\mathcal{L}(E) es estable por composición y que, para todo polinomio QK[X]Q \in K[X],

    Q(p)=Q(0)id+(Q(1)Q(0))p.Q(p) = Q(0)\,\mathrm{id} + \bigl(Q(1) - Q(0)\bigr)\,p .
  4. Determínese para qué (λ,μ)(\lambda, \mu) la aplicación λid+μp\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p es invertible, y dese su inversa en la forma αid+βp\alpha\,\mathrm{id} + \beta\,p. Interprétese la respuesta mediante la acción de λid+μp\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p sobre imp\operatorname{im} p y sobre kerp\ker p.
  5. Sea pp' otro proyector con la misma imagen imp=imp\operatorname{im} p' = \operatorname{im} p. Véase que pp=pp\,p' = p' y pp=pp'\,p = p. ¿Qué dicen estas identidades sobre componer proyecciones sobre el mismo subespacio paralelamente a núcleos distintos?

Parte II — Dos proyectores. Sean p,qp, q proyectores de EE; supóngase que la característica no es 22 (cierto para K=R,CK = \R, \C).

  1. Supóngase que p+qp + q es un proyector. Desarrollando (p+q)2(p + q)^2, véase que pq+qp=0pq + qp = 0; componiendo con pp por la izquierda y después por la derecha, dedúzcase pq=qppq = qp y conclúyase pq=qp=0pq = qp = 0.
  2. Recíprocamente, supóngase pq=qp=0pq = qp = 0. Véase que p+qp + q es un proyector, con

    im(p+q)=impimq,ker(p+q)=kerpkerq.\operatorname{im}(p + q) = \operatorname{im} p \oplus \operatorname{im} q, \qquad \ker(p + q) = \ker p \cap \ker q .
  3. Véase que pqp - q es un proyector si y solo si pq=qp=qpq = qp = q. (Aplíquense las preguntas 6–7 a idp\mathrm{id} - p y a qq.)
  4. Véase el significado geométrico de pq=qp=qpq = qp = q: se cumple si y solo si imqimp\operatorname{im} q \subseteq \operatorname{im} p y kerpkerq\ker p \subseteq \ker q. (Entonces se escribe qpq \leq p: «qq proyecta sobre menos, paralelamente a más».)
  5. Supóngase ahora que p,qp, q conmutan. Recuérdese del Ejercicio 20.6 que pqpq es el proyector sobre impimq\operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q paralelamente a kerp+kerq\ker p + \ker q. Véase que r=p+qpqr = p + q - pq es un proyector con

    imr=imp+imq,kerr=kerpkerq.\operatorname{im} r = \operatorname{im} p + \operatorname{im} q, \qquad \ker r = \ker p \cap \ker q .

    (Considérese idr=(idp)(idq)\mathrm{id} - r = (\mathrm{id} - p)(\mathrm{id} - q).)

Parte III — Descomposiciones de la identidad.

  1. Sea E=F1FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k y, para x=x1++xkx = x_1 + \dots + x_k (descomposición única, xiFix_i \in F_i), póngase pi(x)=xip_i(x) = x_i. Véase que cada pip_i es un proyector, que pipj=0p_i p_j = 0 para iji \neq j y que p1++pk=idp_1 + \dots + p_k = \mathrm{id}; identifíquense impi\operatorname{im} p_i y kerpi\ker p_i.
  2. Recíprocamente, sean p1,,pkL(E)p_1, \dots, p_k \in \mathcal{L}(E) con p1++pk=idp_1 + \dots + p_k = \mathrm{id} y pipj=0p_i p_j = 0 para todos iji \neq j. Véase que cada pip_i es un proyector y que E=imp1impkE = \operatorname{im} p_1 \oplus \dots \oplus \operatorname{im} p_k.
  3. Dos proyectores con p+q=idp + q = \mathrm{id}: véase que pq=qp=0pq = qp = 0 se cumple automáticamente.
  4. Tres proyectores con p+q+r=idp + q + r = \mathrm{id}: véase que p+qp + q es un proyector y dedúzcase de la pregunta 6 que se anulan todos los productos dos a dos — luego E=impimqimrE = \operatorname{im} p \oplus \operatorname{im} q \oplus \operatorname{im} r, sin ninguna hipótesis sobre los productos.
  5. Para kk proyectores con p1++pk=idp_1 + \dots + p_k = \mathrm{id}: véase primero que, para subespacios cualesquiera, dim(F1++Fk)dimF1++dimFk\dim (F_1 + \dots + F_k) \leq \dim F_1 + \dots + \dim F_k, con igualdad si y solo si la suma es directa; véase después que E=imp1++impkE = \operatorname{im} p_1 + \dots + \operatorname{im} p_k, y demuéstrese que si además irkpin\sum_i \operatorname{rk} p_i \leq n, la suma es directa y pipj=0p_i p_j = 0 para iji \neq j.

Parte IV — Núcleos iterados: el lema de Fitting. Sea uL(E)u \in \mathcal{L}(E), dimE=n\dim E = n.

  1. Véanse las dos cadenas, válidas para todo k0k \geq 0:

    kerukkeruk+1,imuk+1imuk.\ker u^k \subseteq \ker u^{k+1}, \qquad \operatorname{im} u^{k+1} \subseteq \operatorname{im} u^k .
  2. Véase que si kerur=kerur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1} para algún rr, entonces keruk=kerur\ker u^{k} = \ker u^{r} para todo krk \geq r; enúnciese y demuéstrese la estabilización análoga para las imágenes.
  3. Dedúzcase que hay un entero mínimo rr con kerur=kerur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1}, que rnr \leq n y que las imágenes se estabilizan en ese mismo rr.
  4. (Lema de Fitting) Demuéstrese que

    E  =  kerurimur.E \;=\; \ker u^{r} \,\oplus\, \operatorname{im} u^{r} .
  5. Véase que los dos subespacios son estables por uu, que la restricción de uu a kerur\ker u^{r} es nilpotente y que la restricción de uu a imur\operatorname{im} u^{r} es un isomorfismo de imur\operatorname{im} u^{r}: todo endomorfismo es, sobre una suma directa canónica, «nilpotente más invertible».
  6. Sea π\pi el proyector sobre kerur\ker u^{r} paralelamente a imur\operatorname{im} u^{r}. Véase que πu=uπ\pi \circ u = u \circ \pi.

Parte V — Un caso trabajado, y síntesis.

  1. Sea u(x,y,z)=(y,0,z)u(x, y, z) = (y, 0, z) en R3\R^3. Calcúlense u2u^2 y u3u^3, determínense el índice de estabilización rr, los subespacios kerur\ker u^{r} y imur\operatorname{im} u^{r} y el proyector de Fitting π\pi, y compruébese en las fórmulas que πu=uπ\pi u = u\pi y que uu es nilpotente en un factor y biyectiva en el otro.
  2. Véanse las equivalencias: uu nilpotente     \iff kerur=E\ker u^{r} = E     \iff π=id\pi = \mathrm{id}; y dedúzcase que un endomorfismo nilpotente de un espacio de dimensión nn siempre cumple un=0u^{n} = 0 (el índice de nilpotencia nunca supera la dimensión).
  3. (Unicidad) Supóngase E=ABE = A \oplus B con A,BA, B estables por uu, la restricción uAu|_A nilpotente y uBu|_B biyectiva. Demuéstrese A=kerurA = \ker u^{r} y B=imurB = \operatorname{im} u^{r}: la descomposición de Fitting es única.
  4. Síntesis, en cuatro frases: qué diccionario establece la parte III entre las sumas directas y las familias de proyectores; por qué la pregunta 14 no necesitó hipótesis sobre los productos mientras que la 15 necesitó una hipótesis de rango (y qué herramienta del segundo año, la traza, la elimina); en qué sentido el lema de Fitting es la versión estabilizada del Ejercicio 20.7; y en qué se convierten los dos factores de Fitting en la teoría de valores propios del volumen del segundo año. Nómbrese el teorema demostrado en la parte IV.
Solución

Solución de Problema 20.1.

1. (idp)2=id2p+p2=idp(\mathrm{id} - p)^2 = \mathrm{id} - 2p + p^2 = \mathrm{id} - p: un proyector. Si y=xp(x)y = x - p(x), entonces p(y)=p(x)p2(x)=0p(y) = p(x) - p^2(x) = 0 y, recíprocamente, xkerpx \in \ker p da x=(idp)(x)x = (\mathrm{id} - p)(x): im(idp)=kerp\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) = \ker p. Y (idp)(x)=0    p(x)=x    ximp(\mathrm{id} - p)(x) = 0 \iff p(x) = x \iff x \in \operatorname{im} p (los puntos fijos, Teorema 20.15): ker(idp)=imp\ker(\mathrm{id} - p) = \operatorname{im} p.

2. (λid+μp)2=λ2id+(2λμ+μ2)p(\lambda\,\mathrm{id} + \mu p)^2 = \lambda^2\,\mathrm{id} + (2\lambda\mu + \mu^2)\,p. La pareja (id,p)(\mathrm{id}, p) es libre en L(E)\mathcal{L}(E): p=cidp = c\, \mathrm{id} daría c2=cc^2 = c, luego p=0p = 0 o id\mathrm{id}, excluidos. Identificando coeficientes, la aplicación es un proyector si y solo si λ2=λ\lambda^2 = \lambda y 2λμ+μ2=μ2\lambda\mu + \mu^2 = \mu. Para λ=0\lambda = 0: μ{0,1}\mu \in \{0, 1\}. Para λ=1\lambda = 1: μ2+μ=0\mu^2 + \mu = 0, μ{0,1}\mu \in \{0, -1\}. Exactamente cuatro proyectores en el plano: 00, pp, id\mathrm{id}, idp\mathrm{id} - p.

3. (λid+μp)(λid+μp)=λλid+(λμ+μλ+μμ)p(\lambda\,\mathrm{id} + \mu p)(\lambda'\,\mathrm{id} + \mu' p) = \lambda\lambda'\,\mathrm{id} + (\lambda\mu' + \mu\lambda' + \mu\mu')\,p: el plano es estable por composición. Y como pk=pp^k = p para todo k1k \geq 1, para Q=kakXkQ = \sum_k a_k X^k:

Q(p)=a0id+(k1ak)p=Q(0)id+(Q(1)Q(0))p.Q(p) = a_0\,\mathrm{id} + \Bigl(\sum_{k \geq 1} a_k\Bigr) p = Q(0)\,\mathrm{id} + \bigl(Q(1) - Q(0)\bigr)\,p .

4. En imp\operatorname{im} p (donde pp actúa como la identidad), λid+μp\lambda\,\mathrm{id} + \mu p multiplica por λ+μ\lambda + \mu; y en kerp\ker p, por λ\lambda. Como E=impkerpE = \operatorname{im} p \oplus \ker p, la aplicación es biyectiva si y solo si λ0\lambda \neq 0 y λ+μ0\lambda + \mu \neq 0. Resolviendo λα=1\lambda\alpha = 1, λβ+μα+μβ=0\lambda\beta + \mu\alpha + \mu\beta = 0 en la regla de composición de la pregunta 3:

(λid+μp)1=1λidμλ(λ+μ)p,(\lambda\,\mathrm{id} + \mu p)^{-1} = \frac1\lambda\,\mathrm{id} - \frac{\mu}{\lambda(\lambda + \mu)}\,p ,

cuya acción es por 1/λ1/\lambda en kerp\ker p y por 1/(λ+μ)1/(\lambda + \mu) en imp\operatorname{im} p, como debe ser.

5. Escríbase F=imp=impF = \operatorname{im} p = \operatorname{im} p'. Para todo xx, p(x)Fp'(x) \in F y pp deja FF fijo punto a punto: p(p(x))=p(x)p(p'(x)) = p'(x), es decir, pp=pp\,p' = p'; y simétricamente pp=pp'\,p = p. Cuando dos proyecciones comparten su imagen, decide la que se aplica primero: su salida ya está en FF, donde la proyección exterior actúa como la identidad y no cambia nada.

6. (p+q)2=p2+pq+qp+q2=(p+q)+pq+qp(p + q)^2 = p^2 + pq + qp + q^2 = (p + q) + pq + qp, de modo que ser p+qp + q un proyector fuerza pq+qp=0pq + qp = 0. Compóngase por la izquierda con pp: pq+pqp=0pq + pqp = 0; y por la derecha con pp: pqp+qp=0pqp + qp = 0. Restando, pq=qppq = qp; entonces pq+qp=2pq=0pq + qp = 2pq = 0 y la característica no es 22: pq=qp=0pq = qp = 0.

7. Con pq=qp=0pq = qp = 0, el mismo desarrollo da (p+q)2=p+q(p + q)^2 = p + q. Imagen: siempre im(p+q)imp+imq\operatorname{im}(p + q) \subseteq \operatorname{im} p + \operatorname{im} q. Recíprocamente, para ximpx \in \operatorname{im} p: q(x)=q(p(x))=0q(x) = q(p(x)) = 0, luego (p+q)(x)=p(x)=x(p + q)(x) = p(x) = x y xim(p+q)x \in \operatorname{im}(p+q); igual para imq\operatorname{im} q. Que es directa: ximpimqx \in \operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q da x=p(x)=p(q(x))=0x = p(x) = p(q(x)) = 0. Núcleo: si p(x)+q(x)=0p(x) + q(x) = 0, aplicar pp da p(x)+p(q(x))=p(x)=0p(x) + p(q(x)) = p(x) = 0, y aplicar qq da q(x)=0q(x) = 0: ker(p+q)=kerpkerq\ker(p + q) = \ker p \cap \ker q (la inclusión recíproca es clara).

8. pqp - q es un proyector si y solo si lo es id(pq)=(idp)+q\mathrm{id} - (p - q) = (\mathrm{id} - p) + q (pregunta 1, dos veces). Por las preguntas 6–7 aplicadas a los proyectores idp\mathrm{id} - p y qq, esto se cumple si y solo si (idp)q=q(idp)=0(\mathrm{id} - p)q = q(\mathrm{id} - p) = 0, es decir, si y solo si pq=qpq = q y qp=qqp = q.

9. pq=qpq = q significa que pp deja fijo todo q(x)q(x), es decir, imqker(pid)=imp\operatorname{im} q \subseteq \ker(p - \mathrm{id}) = \operatorname{im} p. Y qp=qqp = q significa q((idp)(x))=0q\bigl((\mathrm{id} - p)(x)\bigr) = 0 para todo xx, es decir, que qq se anula en im(idp)=kerp\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) = \ker p: kerpkerq\ker p \subseteq \ker q. Los dos pasos son equivalencias: el orden qpq \leq p dice que qq proyecta sobre una imagen menor, paralelamente a un núcleo mayor.

10. Desarrollando, (idp)(idq)=idpq+pq=idr(\mathrm{id} - p)(\mathrm{id} - q) = \mathrm{id} - p - q + pq = \mathrm{id} - r. Los proyectores idp\mathrm{id} - p y idq\mathrm{id} - q conmutan, luego, por el Ejercicio 20.6, su producto idr\mathrm{id} - r es el proyector sobre im(idp)im(idq)=kerpkerq\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) \cap \operatorname{im}(\mathrm{id} - q) = \ker p \cap \ker q paralelamente a ker(idp)+ker(idq)=imp+imq\ker(\mathrm{id} - p) + \ker(\mathrm{id} - q) = \operatorname{im} p + \operatorname{im} q. Por la pregunta 1, r=id(idr)r = \mathrm{id} - (\mathrm{id} - r) es entonces el proyector con imr=imp+imq\operatorname{im} r = \operatorname{im} p + \operatorname{im} q y kerr=kerpkerq\ker r = \ker p \cap \ker q.

11. pip_i está bien definida (por la unicidad de la descomposición) y es lineal (la descomposición de x+λyx + \lambda y es la suma de las descomposiciones, otra vez por la unicidad). Para xiFix_i \in F_i, la descomposición es el propio xix_i, luego pi(xi)=xip_i(x_i) = x_i: pi2=pip_i^2 = p_i; y pj(xi)=0p_j(x_i) = 0 para jij \neq i: pipj=0p_i p_j = 0 (pues pj(x)Fjp_j(x) \in F_j). Sumando las componentes, ipi=id\sum_i p_i = \mathrm{id}. Por último, impi=Fi\operatorname{im} p_i = F_i y kerpi=jiFj\ker p_i = \bigoplus_{j \neq i} F_j.

12. pi=piid=pijpj=pi2+jipipj=pi2p_i = p_i \circ \mathrm{id} = p_i\sum_j p_j = p_i^2 + \sum_{j \neq i} p_i p_j = p_i^2: cada pip_i es un proyector. Todo x=id(x)=ipi(x)x = \mathrm{id}(x) = \sum_i p_i(x) está en iimpi\sum_i \operatorname{im} p_i: las imágenes suman EE. Que es directa: supóngase y1++yk=0y_1 + \dots + y_k = 0 con yiimpiy_i \in \operatorname{im} p_i, de modo que pi(yi)=yip_i(y_i) = y_i. Aplíquese pjp_j: pj(yi)=pjpi(yi)=0p_j (y_i) = p_j p_i (y_i) = 0 para iji \neq j, luego 0=pj(yi)=yj0 = p_j\bigl(\sum y_i\bigr) = y_j, para todo jj. Por tanto, E=iimpiE = \bigoplus_i \operatorname{im} p_i.

13. q=idpq = \mathrm{id} - p, y la pregunta 1 da pq=pp2=0=qppq = p - p^2 = 0 = qp directamente: para dos proyectores, sumar la identidad ya fuerza la ortogonalidad de la pareja.

14. p+q=idrp + q = \mathrm{id} - r con rr proyector, y (idr)(\mathrm{id} - r) es un proyector (pregunta 1): luego p+qp + q es un proyector, y la pregunta 6 da pq=qp=0pq = qp = 0. Por simetría (q+r=idpq + r = \mathrm{id} - p y p+r=idqp + r = \mathrm{id} - q), se anulan todos los productos dos a dos, y la pregunta 12 concluye: E=impimqimrE = \operatorname{im} p \oplus \operatorname{im} q \oplus \operatorname{im} r, automáticamente.

15. Lema. Por inducción con Grassmann (Teorema 19.18):

dim(F1++Fk)dim(F1++Fk1)+dimFkidimFi.\dim(F_1 + \dots + F_k) \leq \dim(F_1 + \dots + F_{k-1}) + \dim F_k \leq \dots \leq \sum_i \dim F_i .

Si el total es una igualdad, lo es cada paso: (F1++Fj1)Fj={0}(F_1 + \dots + F_{j-1}) \cap F_j = \{0\} para todo jj, y una relación y1++yk=0y_1 + \dots + y_k = 0 (yiFiy_i \in F_i) se derrumba desde la derecha: yk(F1++Fk1)Fk={0}y_k \in (F_1 + \dots + F_{k-1}) \cap F_k = \{0\}, después yk1=0y_{k-1} = 0, etc.: la suma es directa. Recíprocamente, una suma directa tiene dimensiones aditivas (concaténense bases). Aplicación: x=ipi(x)x = \sum_i p_i(x) muestra E=iimpiE = \sum_i \operatorname{im} p_i, luego nirkpin \leq \sum_i \operatorname{rk} p_i; la hipótesis da la igualdad y, por tanto, que es directa. Productos: fíjese jj y yimpjy \in \operatorname{im} p_j. Entonces y=ipi(y)y = \sum_i p_i(y) con pi(y)impip_i(y) \in \operatorname{im} p_i, mientras que y=yy = y también es una descomposición (solo la componente jj); la unicidad fuerza pi(y)=0p_i(y) = 0 para iji \neq j. Aplicado a y=pj(x)y = p_j(x): pipj=0p_i p_j = 0.

16. Si uk(x)=0u^k(x) = 0, entonces uk+1(x)=u(0)=0u^{k+1}(x) = u(0) = 0. Y imuk+1=uk(u(E))uk(E)=imuk\operatorname{im} u^{k+1} = u^k\bigl(u(E)\bigr) \subseteq u^k(E) = \operatorname{im} u^k.

17. Supóngase kerur=kerur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1} y sea xkerur+2x \in \ker u^{r+2}: entonces u(x)kerur+1=keruru(x) \in \ker u^{r+1} = \ker u^{r}, luego ur+1(x)=0u^{r+1}(x) = 0: xkerur+1x \in \ker u^{r+1}. Con la pregunta 16, kerur+1=kerur+2\ker u^{r+1} = \ker u^{r+2} y, por inducción, todos los núcleos posteriores coinciden con kerur\ker u^{r}. Para las imágenes: el teorema del rango da dimimuk=ndimkeruk\dim\operatorname{im} u^k = n - \dim\ker u^k, de modo que las dimensiones de las imágenes se congelan exactamente cuando lo hacen las de los núcleos y, con las inclusiones de la pregunta 16, dimensiones iguales significan subespacios iguales (Teorema 19.14).

18. La sucesión (dimkeruk)k\bigl(\dim\ker u^k\bigr)_k es no decreciente con valores en [ ⁣[0,n] ⁣]\intint{0}{n}; no puede crecer estrictamente n+1n + 1 veces, así que para algún rnr \leq n se tiene dimkerur=dimkerur+1\dim\ker u^{r} = \dim\ker u^{r+1} y, por tanto, kerur=kerur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1} (inclusión más igualdad de dimensiones). Tómese el rr mínimo; la pregunta 17 lo congela todo a partir de rr, imágenes incluidas.

19. Intersección: sea xkerurimurx \in \ker u^{r} \cap \operatorname{im} u^{r}, digamos x=ur(y)x = u^{r}(y) con ur(x)=0u^{r}(x) = 0. Entonces u2r(y)=0u^{2r}(y) = 0, y keru2r=kerur\ker u^{2r} = \ker u^{r} (pregunta 17), luego x=ur(y)=0x = u^{r}(y) = 0. Dimensiones: el teorema del rango para uru^{r} da dimkerur+dimimur=n\dim\ker u^{r} + \dim\operatorname{im} u^{r} = n; y con intersección trivial, Grassmann hace de la suma un subespacio de dimensión nn: E=kerurimurE = \ker u^{r} \oplus \operatorname{im} u^{r}.

20. Estabilidad: ur(u(x))=u(ur(x))=0u^{r}(u(x)) = u(u^{r}(x)) = 0 para xkerurx \in \ker u^{r}; y u(ur(y))=ur(u(y))imuru(u^{r}(y)) = u^{r}(u(y)) \in \operatorname{im} u^{r}. En N=kerurN = \ker u^{r}: (uN)r=0(u|_N)^{r} = 0 por definición de NN: nilpotente. En I=imurI = \operatorname{im} u^{r}: ker(uI)=keruIkerurI={0}\ker(u|_I) = \ker u \cap I \subseteq \ker u^{r} \cap I = \{0\}, luego uIu|_I es un endomorfismo inyectivo del II de dimensión finita y, por tanto, biyectivo (Corolario 20.9).

21. Sea x=a+bx = a + b con aNa \in N, bIb \in I. Entonces u(x)=u(a)+u(b)u(x) = u(a) + u(b) con u(a)Nu(a) \in N y u(b)Iu(b) \in I (pregunta 20): esa es la descomposición de u(x)u(x), luego π(u(x))=u(a)=u(π(x))\pi(u(x)) = u(a) = u(\pi(x)): πu=uπ\pi u = u\pi.

22. u2(x,y,z)=u(y,0,z)=(0,0,z)u^2(x,y,z) = u(y, 0, z) = (0, 0, z) y u3(x,y,z)=u(0,0,z)=(0,0,z)=u2(x,y,z)u^3(x,y,z) = u(0,0,z) = (0,0,z) = u^2(x,y,z). Núcleos: keru={y=z=0}=Vect(e1)\ker u = \{y = z = 0\} = \operatorname{Vect}(e_1), keru2={z=0}=Vect(e1,e2)\ker u^2 = \{z = 0\} = \operatorname{Vect}(e_1, e_2), keru3=keru2\ker u^3 = \ker u^2: estabilización en r=2r = 2. Imágenes: imu=Vect(e1,e3)\operatorname{im} u = \operatorname{Vect}(e_1, e_3), imu2=Vect(e3)\operatorname{im} u^2 = \operatorname{Vect}(e_3). Fitting: R3=Vect(e1,e2)Vect(e3)\R^3 = \operatorname{Vect}(e_1, e_2) \oplus \operatorname{Vect}(e_3), y π(x,y,z)=(x,y,0)\pi(x, y, z) = (x, y, 0). Comprobación: πu(x,y,z)=π(y,0,z)=(y,0,0)\pi u(x,y,z) = \pi(y, 0, z) = (y, 0, 0) y uπ(x,y,z)=u(x,y,0)=(y,0,0)u\pi(x,y,z) = u(x, y, 0) = (y, 0, 0): iguales. En el primer factor, u(x,y,0)=(y,0,0)u(x, y, 0) = (y, 0, 0), cuyo cuadrado es 00: nilpotente; y en el segundo, u(0,0,z)=(0,0,z)u(0,0,z) = (0,0,z): la identidad, biyectiva.

23. Si um=0u^m = 0, entonces kerum=E\ker u^m = E; y como los núcleos están congelados a partir de rr, kerur=kerumax(m,r)=E\ker u^{r} = \ker u^{\max(m, r)} = E. Recíprocamente, kerur=E\ker u^{r} = E significa ur=0u^{r} = 0. Y kerur=E    \ker u^{r} = E \iff el proyector de Fitting es sobre EE paralelamente a {0}\{0\}, es decir, π=id\pi = \mathrm{id}. Por último, rnr \leq n (pregunta 18) da: todo endomorfismo nilpotente cumple un=0u^{n} = 0 — el índice de nilpotencia nunca supera la dimensión.

24. Sea mm un índice de nilpotencia de uAu|_A: Akerumkerumax(m,r)=kerurA \subseteq \ker u^{m} \subseteq \ker u^{\max(m,r)} = \ker u^{r}. Como uBu|_B es biyectiva, B=u(B)=uk(B)imukB = u(B) = u^{k}(B) \subseteq \operatorname{im} u^{k} para todo kk; en particular, BimurB \subseteq \operatorname{im} u^{r}. Entonces

n=dimA+dimBdimkerur+dimimur=n:n = \dim A + \dim B \leq \dim\ker u^{r} + \dim\operatorname{im} u^{r} = n :

las dos inclusiones son igualdades de dimensiones y, por tanto, de subespacios: A=kerurA = \ker u^{r}, B=imurB = \operatorname{im} u^{r}.

25. (i) La parte III es un diccionario: las descomposiciones E=F1FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k se corresponden exactamente con las familias de proyectores con pi=id\sum p_i = \mathrm{id} y pipj=0p_i p_j = 0, siendo los FiF_i las imágenes. (ii) Para k=3k = 3, los complementarios idpi\mathrm{id} - p_i son ellos mismos proyectores, lo que cerró el argumento sin ninguna hipótesis extra; para kk general hace falta irkpin\sum_i \operatorname{rk} p_i \leq n, una desigualdad que la traza del segundo año da gratis (trp=rkp\operatorname{tr} p = \operatorname{rk} p para un proyector, y las trazas suman trid=n\operatorname{tr} \mathrm{id} = n). (iii) El Ejercicio 20.7 es el lema de Fitting en el caso ya estabilizado r1r \leq 1; en general se deja que las cadenas de núcleos e imágenes se congelen, lo que lleva a lo sumo nn pasos. (iv) En el volumen del segundo año, aplicado a uλidu - \lambda\, \mathrm{id}, el factor nilpotente se convierte en el subespacio propio generalizado en λ\lambda, y los proyectores de la parte III, en los proyectores espectrales de la teoría de reducción. El teorema de la parte IV es el lema de Fitting.

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