Le proprietà delle applicazioni lineari

Proprietà 1

Un'applicazione lineare è univocamente determinata dai valori che assume in corrispondenza degli elementi di una base.

Dimostrazione

Prendiamo due spazi vettoriali non banali V e W su un campo K.

Consideriamo la base BV dello spazio vettoriale V e l'applicazione lineare f:V->W

$$ f:V \rightarrow W $$

Per ogni v di V esiste una combinazione lineare con k scalari di K

$$ v = a_1 v_1 + ... + a_k v_k \:\:\:\: v_{(1,...,k)} \in B_v , a \in K $$

Secondo la proprietà della linearità delle funzioni.

$$ f(v) = a_1 f(v_1) + ... + a_k f(v_k) $$

Pertanto, per conoscere il valore dell'applicazione lineare f in qualsiasi elemento v di V, basta calcolare il valore di f in ogni elemento della base Bv.

Proprietà 2

La composizione di due applicazioni lineari è a sua volta un'applicazione lineare.

Dimostrazione

Prendo in considerazione tre spazi vettoriali U, V, Z su un campo K e due applicazioni lineari

$$ f:U\rightarrow V $$ $$ g:V \rightarrow W $$

Devo dimostrare che anche la funzione composta h:U->W è lineare

$$ f:U\rightarrow W $$

Verifico se h rispetta le due proprietà delle applicazioni lineari

Prima proprietà ( funzione additiva )

$$ h(u_1+u_2)=h(u_1)+h(u_2) $$

dove u1 e u2 sono due generici vettori di U.

$$ h(u1+u2) = g(f(u1+u2)) $$ $$ h(u1+u2) = g(f(u_1)+f(u_2)) $$ $$ h(u1+u2) = g(f(u_1))+g(f(u_2))) $$ $$ h(u1+u2) = h(u_1)+h(u_2) $$

La proprietà additiva delle applicazioni lineari è soddisfatta.

Seconda proprietà ( funzione omogenea di 1° grado )

$$ h(a·u) = a·h(u) $$

dove u è un generico vettore di U e a è uno scalare di K.

$$ h(a·u) = g(f(a·u)) $$ $$ h(a·u) = g(a· f(u)) $$ $$ h(a·u) = a·g(f(u)) $$ $$ h(a·u) = a·h(u) $$

Anche la seconda proprietà è soddisfatta.

Ho così dimostrato che la funzione composta di f e g è un'applicazione lineare.

Proprietà 3

Se un'applicazione lineare è invertibile, allora l'inversa è ancora un'applicazione lineare.

Dimostrazione

Prendo in considerazione due spazi vettoriali V e W su un campo K e un'applicazione lineare invertibile f.

$$ f:V \rightarrow W $$

Essendo un'applicazione lineare invertibile, posso scrivere anche la funzione inversa di f.

Devo dimostrare che anche la funzione inversa f-1 è lineare.

$$ f^-1:W \rightarrow V $$

Prima proprietà ( funzione additiva )

Prendo due vettori generici w1, w2 di W.

$$ w_1 \in W \\ w_2 \in W $$

Poiché la funzione f è biiettiva, esistono due vettori v1, v2 di V tali che

$$ f(v_1) = w_1 \\ f(v_2) = w_2 $$ $$ f^{-1}(w_1) = v_1 \\ f^{-1}(w_2) = v_2 $$

Cosa significa funzione biettiva? Vuol dire che per ogni elemento dell'insieme Y c'è uno e un solo elemento dell'insieme X tale che f(x)=y.

La somma delle due funzioni inverse è la seguente:

$$ f^{-1}(w_1)+f^{-1}(w_2) = v_1 + v_2 $$

Per la linearità di f si ha

$$ f(v_1+v_2) = w_1 + w_2 $$

Quindi, essendo biettiva vale anche

$$ f^{-1}(w_1+w_2) = v_1 + v_2 $$

Ho dimostrato che la funzione inversa f-1 è una funzione additiva.

La prima proprietà è soddisfatta.

Seconda proprietà ( funzione omogenea di 1° grado )

Prendo in considerazione un generico vettore w di W e uno scalare a di K.

Poiché la funzione è biettiva

$$ f(v) = w \\ f^{-1}(w)=v $$

Inoltre, secondo la linearità della funzione:

$$ f(a·v)= a·f(v) $$

Quindi

$$ f^{-1}(a·v)= a·v $$ $$ a·f^{-1}(v)= a·v $$

Anche la seconda proprietà è soddisfatta.

Ho così dimostrato la linearità della funzione inversa.

 


 

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