EJERCICIOS DE MATEMÁTICAS I HOJA 4. Ejercicio 1. Se consideran los vectores

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1 EJERCICIOS DE MATEMÁTICAS I HOJA 4 Ejercicio 1. Se consideran los vectores u 1 = (1, 1, 0, 1), u 2 = (0, 2, 1, 0), u 3 = ( 1, 1, 1, 1), u 4 = (2, 2, 1, 0) de R 4. Expresa, si es posible, los vectores u = (1, 1, 1, 3) y v = (1, 2, 0, 0) como combinación lineal de los u i. A la vista de los resultados que has obtenido, ¾son los u i sistema generador de R 4? ¾Son linealmente independientes? Ejercicio 2. Se consideran los vectores u 1 = (2, 0, 1, 1), u 2 = (0, 1, 2, 1), u 3 = (1, 1, 0, 2) de R 4. ¾Pueden formar sistema generador de R 4? Encuentra, si es posible, un valor de α para que el vector u = (3, 0, 0, α) sea combinación lineal de los u i. Encuentra, si es posible, un valor de β para que el vector v = (0, β, β, 2) sea combinación lineal de los u i. Ejercicio 3. Dados los vectores u 1 = (1, 2, 1), u 2 = ( 1, 0, 2), u 3 = (0, 2, 1), estudiar si son linealmente independientes. Si añadimos un vector más a la colección anterior, ¾seguirán siendo linealmente independientes? ¾Y si quitamos un vector en lugar de añadirlo? Ejercicio 4. Determinar para qué valor de α son linealmente dependientes los siguientes vectores: u 1 = (0, 1, α, 0), u 2 = ( 1, 0, 1, α), u 3 = (1, 0, α, 1), u 4 = ( 1, 1, 0, 1). ¾Para qué valores de α forman base de R 4 los vectores u i? Ejercicio 5. Para cada una de los siguiente subespacios determina una base, su dimensión, y unas ecuaciones implícitas: 1) H 1 := L((2, 1, 0, 2), ( 1, 2, 0, 1)), 2) H 2 := L((0, 1, 2, 1), ( 1, 2, 1, 0), ( 1, 4, 3, 2)), 3) H 3 := L((2, 1, 0), ( 1, 2, 1)). Responde además las siguientes cuestiones. i) ¾Pertenece el vector u = (1, 1, 3, 1) a H 1 o a H 2? ii) ¾Y el vector v = (0, 1, 2) a H 3? iii) Calcula, si es posible, para qué valores de α pertence w = (α, 1, 1) a H 3. iv) Pon ejemplos de vectores que no pertenezcan a H 1, H 2 y H 3. v) Pon ejemplos de vectores que sí pertenezcan a H 1, H 2 y H 3. Ejercicio 6. Encuentra bases y ecuaciones implícitas de los siguientes subespacios. 1) H 1 = L((1, 2, 1)), 2) H 2 = L(( 1, 0, 2, 2), (1, 1, 0, 1), ( 1, 2, 6, 8)), 3) H 3 = L((1, 0), (0, 1)), 4) H 4 = L((2, 1, 2, 1), ( 1, 0, 2, 1), (3, 2, 6, 3)). 1

2 2 Ejercicio 7. Dados unos vectores u 1, u 2,..., u m de R n, demuestra que puede escribirse el vector 0 como combinación lineal suya. Teniendo esto en cuenta, responde a la siguiente pregunta: dada una colección de vectores de R n entre los cuales está el vector 0, ¾pueden ser linealmente independientes? Ejercicio 8. Dados los vectores u 1 = (1, 2, 1, 0), u 2 = ( 1, 0, 1, 0), u 3 = (0, 2, 1, 1), comprueba que son linealmente independientes. Responde además las siguientes cuestiones. i) ¾Puedes añadir un vector a los u i de modo que sigan siendo linealmente independientes? ii) ¾Puedes añadir uno (o más) vectores a los u i de modo que sean base de R 4? iii) ¾Puedes encontrar un vector que dependa linealmente de los u i? iv) ¾Puedes añadir dos vectores a los u i de modo que sigan siendo linealmente independientes? Ejercicio 9. La renería HappyOil produce gasolina mezclando tres tipos de petróleo procedentes de Libia, Venezuela y Brasil. La vende en dos tipos de barriles, ambos de 50 litros, pero con distinta proporción de cada tipo de petróleo: Libia Venezuela Brasil Tipo I Tipo II Una gasolinera en España quiere fabricar una mezcla que contenga un 34 % de petróleo procedente de Libia, un 26 % de Venezuela y un 40 % de Brasil. ¾Pueden fabricar esta gasolina a partir de los barriles que produce HappyOil? ¾Y si quieren fabricar una mezcla que contenga un 20 % de petróleo libio, un 20 % venezolano y un 60 % brasileño? Ejercicio 10. Inventa un problema similar al anterior y resuélvelo.

3 3 EJERCICIOS DE MATEMÁTICAS I HOJA 4 SOLUCIONES Ejercicio 1. Para expresar u como combinación lineal de los u i planteamos la ecuación (1, 1, 1, 3) = λ 1 (1, 1, 0, 1) + λ 2 (0, 2, 1, 0) + λ 3 ( 1, 1, 1, 1) + λ 4 (2, 2, 1, 0), que al desarrollar da lugar al sistema de ecuaciones λ 1 λ 3 +2λ 4 = 1 λ 1 +2λ 2 +λ 3 +2λ 4 = 1 λ 2 +λ 3 +λ 4 = 1 λ 1 +λ 3 = 3 Puesto que no sabemos de antemano de qué tipo será este sistema, lo mejor es resolverlo por el método de Gauss. Señalamos los pivotes en negrita: Ya vemos que la cuarta ecuación es redundante y el sistema es compatible indeterminado. El hecho de que sea compatible signica que u efectivamente sí que se puede escribir como combinación lineal de los u i, pero en este caso además nos piden que encontremos valores concretos para los λ i. Es decir, debemos encontrar una solución del sistema, de las innitas que tiene. Si tomamos λ 4 como parámetro, tenemos libertad para elegir su valor nosotros, y podemos escoger por ejemplo λ 4 = 0. Reescribimos el sistema que queda, λ 1 λ 3 = 1 2λ 2 = 2 2λ 3 = 4 y esto se resuelve inmediatamente, dando la solución λ 1 = 1, λ 2 = 1, λ 3 = 2 y, por supuesto, λ 4 = 0. Siempre podemos comprobar la solución. En efecto, (1, 1, 1, 3) = ( 1)(1, 1, 0, 1) + 1(0, 2, 1, 0) 2( 1, 1, 1, 1) + 0(2, 2, 1, 0), y esta es sólo una de las maneras de escribir u como combinación lineal de los u i (si hubiéramos elegido otro valor para λ 4 nos habría salido un resultado distinto, pero también válido). Al intentar repetir el mismo argumento para v observamos que el sistema que resulta es incompatible, y así concluimos que v no es combinación lineal de los u i. En particular los u i no son un sistema generador de R 4, y en consecuencia no pueden ser linealmente independientes (si lo fuesen, formarían base de R 4 y sí que serían sistema generador).

4 4 Ejercicio 2. Los tres vectores dados no pueden ser sistema generador de R 4, porque para ello necesitaríamos cuatro vectores o más. Se nos pide encontrar un valor de α de tal modo que (3, 0, 0, α) sea combinación lineal de los u i. Al igual que en el ejercicio anterior, planteamos la ecuación (3, 0, 0, α) = λ 1 (2, 0, 1, 1) + λ 2 (0, 1, 2, 1) + λ 3 (1, 1, 0, 2) y estamos interesados en saber si tiene solución (ahora no nos interesa calcular una solución concreta, porque no se piden valores concretos para los λ i ). Desarrollándola llegamos al sistema 2λ 1 +λ 3 = 3 λ 2 +λ 3 = 0 λ 1 +2λ 2 = 0 λ 1 +λ 2 +2λ 3 = α cuyas matrices de coecientes y ampliada son A = y A = α Para que este sistema tenga solución debe ser rg(a) = rg(a ). El rango de A se calcula enseguida y resulta ser 3, así que si el rango de A ha de ser 3, entonces det(a ) = 0. Desarrollando, queda α = 3α 3 = 0 α = 1.. Es decir, sólo si α = 1 el vector (3, 0, 0, α) es combinación lineal de los u i. El valor de β se calcula del mismo modo, y sale β = 3. Ejercicio 3. Al hacer el determinante de la matriz formada con los vectores propuestos sale 4, así que efectivamente los vectores forman base de R 3. Si les añadimos un vector más dejarán de ser linealmente independientes (en R 3 no puede haber colecciones de más de tres vectores independientes), y si suprimimos uno de los vectores los dos restantes seguirán siendo, sin duda, independientes. Ejercicio 4. Para que sean dependientes los u i el rango de la matriz formada con ellos debe ser menor que 4 o, lo que en este caso es lo mismo, su determinante debe ser cero. Calculamos α 1 α 0 = 2α + 2 = 0 α = 1. 0 α 1 1 Por tanto para α = 1 los u i son dependientes, y son independientes para α 1. Precisamente para estos últimos valores es cuando forman base de R 4. Ejercicio 5. La manera de resolver este tipo de ejercicios está detallada en la hoja de teoría Subespacios vectoriales, que tenéis subida en Moodle. Por eso damos una versión resumida aquí.

5 5 1) Los dos vectores que generan H 1 son claramente linealmente independientes, así que son base de H 1. La dimensión de H 1 es, por tanto, igual a 2. Para sacar las ecuaciones implícitas utilizamos la condición rg 2 1 x 1 2 y 0 0 z 2 1 t = 2. Como el menor señalado en negrita es distinto de cero, lo que ha de suceder es que los dos menores de orden 3 que se obtienen orlándolo se anulen. Es decir, quedan las ecuaciones 2 1 x 1 2 y 0 0 z = 5z = 0 y 2 1 x 1 2 y 2 1 t = 3x 4y + 5t = 0. Estas dos son las ecuaciones implícitas de H 1. 2) Ahora de los tres vectores que generan H 2 sobra uno; por ejemplo nos quedamos con los dos primeros y descartamos el tercero. Una base de H 2 es entonces {(0, 1, 2, 1), ( 1, 2, 1, 0)}, de manera que dim H 2 = 2. Finalmente, unas ecuaciones implícitas de H 2 son 5x + 2y + z = 0 y 2x y + t = 0. 3) Aquí es de nuevo claro que los dos vectores propuestos son independientes, así que forman base de H 3 y la dimensión de H 3 es 2. En este caso H 3 sólo tiene una ecuación implícita, que es x 2y + 5z = 0. Las cuestiones que se preguntan a continuación son inmediatas utilizando lo que ya hemos calculado: i) El vector (1, 1, 3, 1) pertenece a H 2 porque cumple sus ecuaciones implícitas, pero no a H 1 porque no cumple las suyas (con que no cumpla alguna de las dos es suciente para garantizar que no pertenece). ii) No, porque no cumple la ecuación implícita de H 3. iii) Para que (α, 1, 1) pertenezca a H 3 debe cumplir su ecuación implícita; es decir, α = 0. Por tanto debe ser α = 3. iv) Vectores que no pertenecen a los H i : por ejemplo, (0, 0, 1, 0) no pertenece a ninguno de ellos. v) Vectores que pertenecen a los H i : por ejemplo, el vector nulo pertenece a todos ellos. Ejercicio 6. Procedemos como en el ejercicio anterior. 1) Base {(1, 2, 1)}, ecuaciones implícitas 2x + y = 0 y x + z = 0. 2) Base {( 1, 0, 2, 2), (1, 1, 0, 1)}, ecuaciones implícitas 2x + 2y z = 0 y 2x + 3y t = 0. 3) Base {(1, 0), (0, 1)}, no tiene ecuaciones implícitas. 4) Base {(2, 1, 2, 1), ( 1, 0, 2, 1)}, ecuaciones implícitas 2x 6y z = 0 y x 3y t = 0. Ejercicio 7. El vector 0 se puede escribir como combinación lineal de los u i sin más que elegir todos los escalares iguales a cero: 0 = 0u 1 + 0u u m.

6 6 En consecuencia, si una colección de vectores contiene al cero, no pueden ser linealmente independientes porque al menos uno de ellos (el cero) se obtiene a partir de los restantes. Ejercicio 8. Los u i son independientes porque el rango de la matriz formada con ellos es 3. i) Sí que se les puede añadir un vector preservando su independencia lineal; por ejemplo el (1, 0, 0, 0). ii) Los u i junto con (1, 0, 0, 0) son cuatro vectores independientes de R 4, y por tanto forman base. iii) El (0, 0, 0, 0) depende linealmente de ellos, y hay muchos más. Por ejemplo, también el (1, 2, 1, 0), que no es otro que el propio u 1, o u 1 + u 2 + u 3 = (0, 4, 3, 1), etc. iv) No. Cinco vectores de R 4 nunca pueden ser linealmente independientes. Ejercicio 9. Puesto que este problema se resolvió detalladamente en clase, sólo recordamos los pasos esenciales. Expresamos las mezclas de los tres tipos de petróleo mediante vectores (L, V, B), donde L, V y B son los porcentajes de petróleo libio, venezolano y brasileño respectivamente. Así, los barriles de tipo I vienen expresados por el vector (40, 20, 40) y los de tipo II por el vector (30, 30, 40). Si la gasolinera española desea fabricar la mezcla (34, 26, 40), deberá combinar los barriles de tipo I y tipo II en una proporción desconocida que tendrá que determinar resolviendo la ecuación En forma de sistema, queda (34, 26, 40) = λ 1 (40, 20, 40) + λ 2 (30, 30, 40) λ 2 = 34 20λ 1 +30λ 2 = 26 40λ 1 +40λ 2 = 40 y resulta ser compatible determinado con solución λ 1 = 2 5, λ 2 = 3 5. Estas son, por tanto, las proporciones en las que la gasolinera debe combinar los barriles de tipo I y II para obtener la mezcla que desea. La otra situación que se nos plantea, obtener una mezcla (20, 20, 60), se aborda exactamente igual. La ecuación da lugar al sistema (20, 20, 60) = λ 1 (40, 20, 40) + λ 2 (30, 30, 40) 40λ 1 +30λ 2 = 20 20λ 1 +30λ 2 = 20 40λ 1 +40λ 2 = 60 que ahora resulta ser incompatible. Por tanto no es posible obtener la mezcla de 20 % de petróleo libio, 20 % venezolano y 60 % brasileño a partir de los barriles de tipo I y II.