Esercizi sulle basi canoniche

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Versione italiana

Esercizi sulle basi canoniche

Teoria delle Basi Canoniche

In algebra lineare, una base canonica è un insieme di vettori che può generare uno spazio vettoriale. In particolare, nel caso di uno spazio vettoriale di dimensione nnn su un campo \mathbb{K}K\mathbb{K}, la base canonica è costituita dai vettori unitari:

e_1 = (1, 0, 0, \ldots, 0)
e1=(1,0,0,,0)e_1 = (1, 0, 0, \ldots, 0)
e_2 = (0, 1, 0, \ldots, 0)
e2=(0,1,0,,0)e_2 = (0, 1, 0, \ldots, 0)
\vdots
\vdots
e_n = (0, 0, 0, \ldots, 1)
en=(0,0,0,,1)e_n = (0, 0, 0, \ldots, 1)

Questi vettori hanno la proprietà che ogni vettore nello spazio può essere scritto come una combinazione lineare di questi vettori. Ad esempio, un vettore v = (a_1, a_2, \ldots, a_n)v=(a1,a2,,an)v = (a_1, a_2, \ldots, a_n) può essere rappresentato come:

v = a_1 e_1 + a_2 e_2 + \ldots + a_n e_n
v=a1e1+a2e2++anenv = a_1 e_1 + a_2 e_2 + \ldots + a_n e_n

Esercizi

Esercizio 1: Rappresentazione di Vettori

Dati i seguenti vettori nello spazio \mathbb{R}^3R3\mathbb{R}^3:

  1. v_1 = (3, -2, 5)v1=(3,2,5)v_1 = (3, -2, 5)
  2. v_2 = (0, 4, -1)v2=(0,4,1)v_2 = (0, 4, -1)

Scrivi ciascun vettore come combinazione lineare dei vettori della base canonica.

Soluzione

Per il vettore v_1v1v_1:

v_1 = 3 e_1 - 2 e_2 + 5 e_3
v1=3e12e2+5e3v_1 = 3 e_1 - 2 e_2 + 5 e_3

Per il vettore v_2v2v_2:

v_2 = 0 e_1 + 4 e_2 - 1 e_3
v2=0e1+4e21e3v_2 = 0 e_1 + 4 e_2 - 1 e_3

Esercizio 2: Determinazione della Combinazione Lineare

Verifica se il vettore w = (1, -3, 2)w=(1,3,2)w = (1, -3, 2) può essere scritto come combinazione lineare dei vettori u_1 = (2, -1, 3)u1=(2,1,3)u_1 = (2, -1, 3), u_2 = (0, 4, -1)u2=(0,4,1)u_2 = (0, 4, -1), e u_3 = (1, 0, -1)u3=(1,0,1)u_3 = (1, 0, -1).

Soluzione

Per trovare se www è una combinazione lineare di u_1u1u_1, u_2u2u_2, e u_3u3u_3, risolviamo il sistema:

x(2,-1,3) + y(0,4,-1) + z(1,0,-1) = (1,-3,2)
x(2,1,3)+y(0,4,1)+z(1,0,1)=(1,3,2)x(2,-1,3) + y(0,4,-1) + z(1,0,-1) = (1,-3,2)

Questo porta al seguente sistema di equazioni:

  • 2x + z = 1 
    2x+z=12x + z = 1
  • -x + 4y = -3 
    x+4y=3-x + 4y = -3
  • 3x - y - z = 2 
    3xyz=23x - y - z = 2

Risolvi il sistema per trovare i valori di xxx, yyy, e zzz.

Esercizio 3: Trasformazione in Base Canonica

Data la matrice:

A = 
\begin{pmatrix}
1 & 2 & -1\\
0 & 3 & 4\\
5 & -6 & 7
\end{pmatrix}
A=(121034567)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & -1\\ 0 & 3 & 4\\ 5 & -6 & 7 \end{pmatrix}

Trova le coordinate dei vettori colonna di AAA rispetto alla base canonica.

Soluzione

Le colonne della matrice sono già espresse rispetto alla base canonica. Quindi le coordinate sono semplicemente i valori delle colonne:

  • Prima colonna: (1, 0, 5)(1,0,5)(1, 0, 5)
  • Seconda colonna: (2, 3, -6)(2,3,6)(2, 3, -6)
  • Terza colonna: (-1, 4, 7)(1,4,7)(-1, 4, 7)

English version

Canonical Bases Exercises

Canonical Bases Theory

In linear algebra, a canonical basis is a set of vectors that can generate a vector space. In particular, in the case of a vector space of dimension nnn over a field \mathbb{K}K\mathbb{K}, the canonical basis is constituted by the unit vectors:

e_1 = (1, 0, 0, \ldots, 0)
e1=(1,0,0,,0)e_1 = (1, 0, 0, \ldots, 0)
e_2 = (0, 1, 0, \ldots, 0)
e2=(0,1,0,,0)e_2 = (0, 1, 0, \ldots, 0)
\vdots
\vdots
e_n = (0, 0, 0, \ldots, 1)
en=(0,0,0,,1)e_n = (0, 0, 0, \ldots, 1)

These vectors have the property that every vector in the space can be written as a linear combination of these vectors. For example, a vector v = (a_1, a_2, \ldots, a_n)v=(a1,a2,,an)v = (a_1, a_2, \ldots, a_n) can be represented as:

v = a_1 e_1 + a_2 e_2 + \ldots + a_n e_n
v=a1e1+a2e2++anenv = a_1 e_1 + a_2 e_2 + \ldots + a_n e_n

Exercises

Exercise 1: Representation of Vectors

Given the following vectors in the space \mathbb{R}^3R3\mathbb{R}^3:

  1. v_1 = (3, -2, 5)v1=(3,2,5)v_1 = (3, -2, 5)
  2. v_2 = (0, 4, -1)v2=(0,4,1)v_2 = (0, 4, -1)

Write each vector as a linear combination of the canonical basis vectors.

Solution

For the vector v_1v1v_1:

v_1 = 3 e_1 - 2 e_2 + 5 e_3
v1=3e12e2+5e3v_1 = 3 e_1 - 2 e_2 + 5 e_3

For the vector v_2v2v_2:

v_2 = 0 e_1 + 4 e_2 - 1 e_3
v2=0e1+4e21e3v_2 = 0 e_1 + 4 e_2 - 1 e_3

Exercise 2: Determining the Linear Combination

Check whether the vector w = (1, -3, 2)w=(1,3,2)w = (1, -3, 2) can be written as a linear combination of the vectors u_1 = (2, -1, 3)u1=(2,1,3)u_1 = (2, -1, 3), u_2 = (0, 4, -1)u2=(0,4,1)u_2 = (0, 4, -1), and u_3 = (1, 0, -1)u3=(1,0,1)u_3 = (1, 0, -1).

Solution

To find if www is a linear combination of u_1u1u_1, u_2u2u_2, and u_3u3u_3, we solve the system:

x(2,-1,3) + y(0,4,-1) + z(1,0,-1) = (1,-3,2)
x(2,1,3)+y(0,4,1)+z(1,0,1)=(1,3,2)x(2,-1,3) + y(0,4,-1) + z(1,0,-1) = (1,-3,2)

This leads to the following system of equations:

  • 2x + z = 1 
    2x+z=12x + z = 1
  • -x + 4y = -3 
    x+4y=3-x + 4y = -3
  • 3x - y - z = 2 
    3xyz=23x - y - z = 2

Solve the system to find the values ​​of xxx, yyy, and zzz.

Exercise 3: Transformation in Canonical Basis

Given the matrix:

A =
\begin{pmatrix}
1 & 2 & -1\\
0 & 3 & 4\\
5 & -6 & 7
\end{pmatrix}
A=(121034567)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & -1\\ 0 & 3 & 4\\ 5 & -6 & 7 \end{pmatrix}

Find the coordinates of the column vectors of AAA with respect to the canonical basis.

Solution

The columns of the matrix are already expressed with respect to the canonical basis. So the coordinates are simply the values ​​of the columns:

  • First column: (1, 0, 5)(1,0,5)(1, 0, 5)
  • Second column: (2, 3, -6)(2,3,6)(2, 3, -6)
  • Third column: (-1, 4, 7)(1,4,7)(-1, 4, 7)

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