Álgebra lineal con métodos elementales. Resolución de ejercicios tipo
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Así, por ejemplo, si $U$ y $W$ son subespacios de $\mathbb{R}^4$ y se tiene que $dim(U)=2$ y $dim(W)=3$, tenemos que
$dim(U\cap W)\leq 2$ y $dim(U+W)\geq 3$.
Además puesto que $U+W$ es también subespacio de $\mathbb{R}^4$ ha de ser
$dim(U+W)\leq 4$. Así pues las únicas posibilidades son:
Reuniendo las bases de $U$ y $W$ se obtiene un sistema de generadores de $U+W$ (y posiblemente algunos vectores deban ser eliminados para obtener una base).
Reuniendo las ecuaciones cartesianas de $U$ y $W$ se obtienen unas ecuaciones cartesianas de $U\cap W$ (y posiblemente algunas puedan ser eliminadas por transformaciones elementales).
Unas paramétricas son:
$$
\left\{ \begin{array}{rcl}
x &=& \lambda \\
y &=& \lambda \\
z &=& \lambda \\
t &=& \mu \\
\end{array} \right.
$$
y eliminando parámetros obtenemos las cartesianas:
$$
\left\{ \begin{array}{rcl}
x - z &=& 0 \\
y - z &=& 0 \\
\end{array} \right.
$$
Uniendo las bases de ambos subespacios obtenemos un sistema de generadores de $U+W$:
$\{ (1,1,0,0), (0,0,1,1), (1,1,1,0), (0,0,0,1)\}$
Pasamos a base reduciendo por columnas: $$ \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 1 \\ \end{pmatrix} \sim_c \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ \end{pmatrix} $$ luego una base es $\{ (1,1,0,0), (0,0,1,0), (0,0,0,1)\}$ y $dim(U+W)=3$.
De acuerdo a la fórmula de las dimensiones la dimensión de $U\cap W$ será: $$ dim (U\cap W) = dim(U) + dim (W) - dim (U+W) = 2 + 2 - 3 = 1 $$
Unas cartesianas de $U\cap W$ se obtienen uniendo las cartesianas de ambos subespacios y reduciendo el sistema: $$ \left\{ \begin{array}{rcl} x - y &=& 0 \\ z - t &=& 0 \\ x - z &=& 0 \\ y - z &=& 0 \\ \end{array} \right. $$ reducimos la matriz ampliada del sistema para obtener un sistema equivalente escalonado reducido: $$ \begin{pmatrix} 1 & -1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 & -1 & 0 \\ 1 & 0 & -1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -1 & 0 & 0 \\ \end{pmatrix} \sim_f \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & -1 & 0\\ 0 & 1 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ \end{pmatrix} $$ $$ \left\{ \begin{array}{rcl} x - t &=& 0 \\ y - t &=& 0 \\ z - t &=& 0 \\ \end{array} \right. $$ Pasamos a paramétricas: $$ \left\{ \begin{array}{rcl} x &=& \lambda \\ y &=& \lambda \\ z &=& \lambda \\ t &=& \lambda \end{array} \right. $$ y por tanto una base de $U\cap W$ es $\{(1,1,1,1)\}$.