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Espaços Vetoriais
Transformações Lineares
Combinações Lineares e Independência Linear
Vetores Geradores, Bases e Dimensão
Mudança de base
Definição
Um espaço vetorial é qualquer conjunto V onde podemos definir
operações de soma e multiplicação por escalar que satisfazem as
seguintes propriedades, para quaisquer u, v , w 2 V e ↵, 2 R:
1
u + v = v + u;
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Definição
Um espaço vetorial é qualquer conjunto V onde podemos definir
operações de soma e multiplicação por escalar que satisfazem as
seguintes propriedades, para quaisquer u, v , w 2 V e ↵, 2 R:
1
u + v = v + u;
2
u + (v + w ) = (u + v ) + w ;
3
u + 0 = 0 + u;
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Mudança de base
Definição
Um espaço vetorial é qualquer conjunto V onde podemos definir
operações de soma e multiplicação por escalar que satisfazem as
seguintes propriedades, para quaisquer u, v , w 2 V e ↵, 2 R:
1
u + v = v + u;
2
u + (v + w ) = (u + v ) + w ;
3
u + 0 = 0 + u;
4
u + ( u) = 0;
5
↵( u) = (↵ )u;
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Definição
Um espaço vetorial é qualquer conjunto V onde podemos definir
operações de soma e multiplicação por escalar que satisfazem as
seguintes propriedades, para quaisquer u, v , w 2 V e ↵, 2 R:
1
u + v = v + u;
2
u + (v + w ) = (u + v ) + w ;
3
u + 0 = 0 + u;
4
u + ( u) = 0;
5
↵( u) = (↵ )u;
6
↵(u + v ) = ↵u + ↵v ;
7
(↵ + )u = ↵u + u;
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Exemplo
O conjunto das matrizes n ⇥ m com as operações usuais de
soma e multiplicação por escalar, é uma espaço vetorial.
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Exemplo
O conjunto das matrizes n ⇥ m com as operações usuais de
soma e multiplicação por escalar, é uma espaço vetorial.
O conjunto das funções reais é um espaço vetorial, definindo
as seguintes operações:
(f + g )(x) = f (x) + g (x)
(↵f )(x) = ↵f (x).
O conjunto dos polinômios de grau menor ou igual a n com
coeficientes reais, com as operações usuais de soma e
multiplicação por escalar é uma espaço vetorial.
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Exercı́cio:
O conjunto R2 , definido como o conjunto de todas as ordenadas
de números reais: R2 = {(x1 , x2 ) : x1 , x2 2 R}, com as operações
de soma e multiplicação por escalar:
(x1 , x2 ) + (y1 , y2 ) = (x1 + x2 , 0)
↵(x1 , x2 ) = (↵x1 , ↵x2 )
é um espaço vetorial?
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Subespaços Vetoriais
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Subespaços Vetoriais
Definição
Dado um espaço vetorial V. Um subconjunto não vazio W ⇢ V é
um subespaço vetorial de V se satisfaz as duas condições
seguintes:
Se v , w 2 W, então v + w 2 W também;
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Exemplos
A esfera não é um subespaço vetorial de R3 ;
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Exemplos
A esfera não é um subespaço vetorial de R3 ;
O subconjunto formado por duas retas que se encontram na
origem não é um subespaço vetorial de R2 ;
O conjunto solução de um sistema linear homogêneo AX = 0
é um subespaço vetorial.
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Exemplos
A esfera não é um subespaço vetorial de R3 ;
O subconjunto formado por duas retas que se encontram na
origem não é um subespaço vetorial de R2 ;
O conjunto solução de um sistema linear homogêneo AX = 0
é um subespaço vetorial.
O conjunto W = {(x, y , 0) : x, y 2 R} é um subespaço
vetorial de R3 ?
A Resposta é sim!
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Combinações Lineares
Definição
Se v , w são vetores, tais que w = ↵v para algum escalar ↵,
dizemos que w é um múltiplo escalar de v .
Dizemos que v é uma combinação linear dos vetores v1 , ..., vk
se existem escalares ↵1 , ..., ↵k tais que
v = ↵1 v1 + ... + ↵k vk .
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Exemplos
Sejam v1 = (4, 1, 3, 5) e v2 = (1, 0, 2, 3) vetores de R4 . O
vetor v = (1, 0, 1, 6) é combinação linear de v1 e v2 ?
Não.
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Exemplos
Sejam v1 = (4, 1, 3, 5) e v2 = (1, 0, 2, 3) vetores de R4 . O
vetor v = (1, 0, 1, 6) é combinação linear de v1 e v2 ?
Não.
Escreva v = (5, 2, 12, 1) como combinação linear de v1 e v2 .
0 é sempre combinação linear de quaisquer vetores.
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Mudança de base
Independência Linear
Definição
Dizemos que um conjunto S = {v1 , ..., vk } de vetores é
linearmente independente (L.I.) se os únicos escalares ↵1 , ..., ↵k
que satisfazem
↵1 v1 + ... + ↵k vk = 0
são ↵1 = ↵2 = ... = ↵k = 0.
Caso contrário, dizemos que S é linearmente dependente (L.
D.).
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Mudança de base
Exemplos
Um conjunto S = {v1 } formado por um único vetor não-nulo
é sempre L. I.
Qualquer conjunto S que contenha o vetor nulo é L. D.
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Mudança de base
Exemplos
Um conjunto S = {v1 } formado por um único vetor não-nulo
é sempre L. I.
Qualquer conjunto S que contenha o vetor nulo é L. D.
Um conjunto S = {v1 , v2 } formado por dois vetores é L. D. se
somente se um é múltiplo escalar do outro.
Os vetores v1 = (1, 2, 3, 4), v2 = (5, 6, 7, 8) e
v3 = (6, 8, 10, 12) são L. I. ou L.D?
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Vetores Geradores
Definição
Dizemos que um conjunto S = {V1 , ..., Vk } de vetores de um
subespaço W, gera W se todo vetor de W é uma combinação
linear dos vetores de S.
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Mudança de base
Exemplos
O subespaço W = {(a, b, a + b) : a, b 2 R} é gerado pelos
vetores V1 = (1, 0, 1) e V2 = (0, 1, 1), pois todo vetor de W é
dado por
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Mudança de base
Exemplos
O subespaço W = {(a, b, a + b) : a, b 2 R} é gerado pelos
vetores V1 = (1, 0, 1) e V2 = (0, 1, 1), pois todo vetor de W é
dado por
(a, b, a + b) = a(1, 0, 1) + b(0, 1, 1)
.
Os vetores V1 = (1, 1, 2), V2 = (0, 1, 1) e V3 = (1, 0, 1) não
geram R3 .
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Base
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Mudança de base
Base
Definição
Dizemos que um subconjunto B = {V1 , ..., Vk } é uma base para o
subespaço W se:
B gera W, e
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Mudança de base
Exemplos
Os vetores i = (1, 0, 0), j = (0, 1, 0), k = (0, 0, 1) formam uma
base para R3 .
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Mudança de base
Exemplos
Os vetores i = (1, 0, 0), j = (0, 1, 0), k = (0, 0, 1) formam uma
base para R3 .
Os vetores (2, 1, 0, 0) e (1, 0, 1, 1), geradores do subespaço de
R4 considerado no Exemplo 15 são L. I., logo eles formam
uma base para este subespaço.
Se {V1 , ..., Vk } e {W1 , ..., Wl } são duas bases de um
subespaço W, então k = l.
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Dimensão
Definição
A dimensão de um subespaço W é o número de vetores de
qualquer uma de suas bases, denotada dim W.
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Mudança de base
Exemplos
Seja W um subespaço de dimensão m. Se {V1 , ..., Vm } é L.I.,
então {V1 , ..., Vm } é uma base para W.
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Produto Escalar em Rn
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Mudança de base
Produto Escalar em Rn
Definição
O produto escalar de dois vetores v = (v1 , ..., vn ), w = (w1 , ..., wn )
de Rn é definido por
v .w = v1 w1 + ... + vn wn .
A norma de um vetor v = (v1 , ..., vn ) de Rn é definida por
p
kv k = v .v
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Mudança de base
Produto Escalar em Rn
Definição
O produto escalar de dois vetores v = (v1 , ..., vn ), w = (w1 , ..., wn )
de Rn é definido por
v .w = v1 w1 + ... + vn wn .
A norma de um vetor v = (v1 , ..., vn ) de Rn é definida por
p
kv k = v .v
v é um vetor unitário de Rn se kv k = 1.
Dois vetores v e w são ditos ortogonais se v .w = 0.
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Mudança de base
Propriedades do Produto Escalar
Se U, V , W são vetores de Rn , e ↵ é um escalar, então:
V .W = W .V
U.(V + W ) = U.V + U.W
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Mudança de base
Propriedades do Produto Escalar
Se U, V , W são vetores de Rn , e ↵ é um escalar, então:
V .W = W .V
U.(V + W ) = U.V + U.W
↵(V .W ) = (↵V ).W = V .(↵W )
V .V = kV k2
0 e kV k = 0 se e somente se V = 0.
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Propriedades do Produto Escalar
Se U, V , W são vetores de Rn , e ↵ é um escalar, então:
V .W = W .V
U.(V + W ) = U.V + U.W
↵(V .W ) = (↵V ).W = V .(↵W )
V .V = kV k2
0 e kV k = 0 se e somente se V = 0.
|V .W |  kV k kW k
kV + W k  kV k + kW k
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Mudança de base
Bases Ortonormais
Sejam V1 , ..., Vk vetores não nulos de Rn ortogonais dois a dois,
isto é, Vi .Vj = 0 para 8i 6= j. Então V1 , ..., Vk são L. I.
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Exemplos
Considere dois vetores v , w como na figura:
v2
v
v1
w
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Exemplos
Considere dois vetores v , w como na figura:
v2
v
v1
w
O vetor v 1 é chamado a projeção ortogonal de v sobre w e é
denotado por projw v .
O vetor v
projw v é ortogonal a w
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Mudança de base
Mudança de base
Coordenadas de um vetor
A origem O = (0, 0, 0) e os vetores i, j, k da base canônica de R3
determinam um sistema de coordenadas: se as coordenadas de um
~ = xi + yj + zk
ponto P no espaço são (x, y , z), então OP
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Mudança de base
Mudança de base
Dado ponto O 0 como origem e outra base U1 , U2 , U3 de R3 ,
terı́amos novas coordenadas de P neste outro sistema de
coordenadas, ou seja, O~0 P = x 0 U1 + y 0 U2 + z 0 U3
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Mudança de base
Exemplo
Seja P = ( 1, 3, 2) um ponto de R3 , em coordenadas
canônicas. Determine as coordenadas de P no sistema de
coordenadas {O 0 , U1 , U2 , U3 } que tem como origem o ponto
O 0 = (1, 1, 1) e como base os vetores U1 = (1, 1, 0),
U2 = (1, 1, 2), U3 = (1, 1, 1)
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Mudança de base
Exemplo
Seja P = ( 1, 3, 2) um ponto de R3 , em coordenadas
canônicas. Determine as coordenadas de P no sistema de
coordenadas {O 0 , U1 , U2 , U3 } que tem como origem o ponto
O 0 = (1, 1, 1) e como base os vetores U1 = (1, 1, 0),
U2 = (1, 1, 2), U3 = (1, 1, 1)
Solução:
O~0 P = P
O 0 = ( 2, 4, 3)
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Exemplo
Seja P = ( 1, 3, 2) um ponto de R3 , em coordenadas
canônicas. Determine as coordenadas de P no sistema de
coordenadas {O 0 , U1 , U2 , U3 } que tem como origem o ponto
O 0 = (1, 1, 1) e como base os vetores U1 = (1, 1, 0),
U2 = (1, 1, 2), U3 = (1, 1, 1)
Solução:
O~0 P = P O 0 = ( 2, 4, 3)
O~0 P = (1, 1, 0) + 0(1, 1, 2) 3(1, 1, 1)
Assim P = (1, 0, 3) neste sistema de coordenadas.
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Mudança de base
Matriz de mudança de coordenadas da base
{O, E1 , E2 , E3 } para a base {O, U1 , U2 , U3 }
Dado um ponto P tem coordenadas (x, y , z) em {O, E1 , E2 , E3 }.
~ = P O em {O, E1 , E2 , E3 }, temos
Então OP
~ = xE1 + yE2 + zE3
OP
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Mudança de base
Assim, escrevendo E1 , E2 , E3 em função de U1 , U2 , U3 , tal que
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Mudança de base
Assim, escrevendo E1 , E2 , E3 em função de U1 , U2 , U3 , tal que
E1 = a11 U1 + a21 U2 + a31 U3
E2 = a12 U1 + a22 U2 + a32 U3
E3 = a13 U1 + a23 U2 + a33 U3
Temos
~ = x(a11 U1 +a21 U2 +a31 U3 )+y (a12 U1 +a22 U2 +a32 U3 )+z(a13 U1 +a23 U2 +a33 U3 )
OP
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Mudança de base
Segue que
~ = (xa11 +ya12 +za13 )U1 +(xa21 +ya22 +za23 )U2 +(xa31 +ya32 +za33 )U3
OP
As coordenadas (x 0 , y 0 , z 0 ) de P em relação ao sistema
{O 0 , U1 , U2 , U3 }
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Mudança de base
Segue que
~ = (xa11 +ya12 +za13 )U1 +(xa21 +ya22 +za23 )U2 +(xa31 +ya32 +za33 )U3
OP
As coordenadas (x 0 , y 0 , z 0 ) de P
{O 0 , U1 , U2 , U3 }
0 01 0
x
a11
@y 0 A = @a21
z0
a31
Matriz mudança
0
a11 a12
A = @a21 a22
a31 a32
em relação ao sistema
a12
a22
a32
10 1
a13
x
a23 A @y A
a33
z
de base
1
a13
a23 A
a33
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