Tópico 1
Matrizes de Transformações Lineares
Pedro Aladar Tonelli
Matrizes como Transformações Lineares
Vamos relembrar alguns conceitos:
- $V$ é um espaço vetorial de dimensão $n$
- $\{ e_1, \cdots , e_n\}$ é uma base de $V$
- $W$ é um espaço vetorial de dimensão $m$
- $\{ f_1, \cdots , f_m\}$ é uma base de $W$
- $T$ éum operador linear de $V$ em $W$
Matriz de $T$
\[ T(e_j) = \sum_{i=1}^m a_{ij}f_i\]
A matriz $A=(a_{ij})$ é a matriz que representa a transformação $T$ nas bases dadas.
Esquema para memorizar
\[
\begin{array}{c|ccc|}
& T(e_1) & \cdots & T(e_n) \\ \hline
f_1 & a_{11} & \cdots & a_{1n} \\
\vdots & & & \\
f_m & a_{m1} & \cdots & a_{mn} \\ \hline
\end{array}\]
Exemplo
$T: \mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}^3$ satisfaz:
$T(2e_1 + e_2) = e_3$
$T(e_1 - e_2) = 2e_3-6e_2$
$T(e_3) + T(e_2)=e_1$
Qual a matriz de $T$ na base $\{e_1,e_2,e_3\}$?
Resposta
\[
A = \begin{pmatrix}
0 & 0 & 1 \\
-2 & 4& -4\\
1 & -1& 1\end{pmatrix}\]
Operador aplicado a um vetor
Vamos tomar um vetor genérico $\mathbf{v} = \sum_{i=1}^n x_i e_1$ e calcular
$T(\mathbf{v})$ usando a matriz de representação de $T$.
\[ T(\mathbf{v}) = \sum_{i=1}^n x_iT(e_i) = \sum_{i=1}^n x_i\begin{bmatrix} a_{1i}
\\ \vdots \\ a_{mi}\end{bmatrix} = A\mathbf{x}\]
Mudança de base
\[
\begin{array}{ccc}
V & \stackrel{T}{\rightarrow} & W \\
\{e_1,\dots,e_n\} & A & \{f_1,\dots, f_m\} \\
\{e^\prime_1,\dots,e^\prime_n\} & A^\prime & \{f^\prime_1,\dots, f^\prime_m\}
\end{array}
\]
Qual a relação entre $A$ e $A^\prime$?
No espaço vetorial $V$ temos
$$e_j = \sum_{i=1}^n p_{ij} e^\prime_i$$
e analogamente no espaço $W$
$$f_j = \sum_{i=1}^m q_{ij} f^\prime_i$$
Em $V$, se temos um vetor
$$\mathbf{v}=\sum_{r=1}^n x_re_r = \sum_{l=1}^n y_le^\prime_l$$
Podemos comparar as coordenadas $\mathbf{x}$ e $\mathbf{y}$
em duas bases diferentes da seguinte forma:
\[ \mathbf{v}=\sum_{r=1}^n x_re_r =\sum_{r=1}^n x_r(\sum_{i=1}^n p_{ir} e^\prime_i)
\]
reagrupando as somas temos:
\[ \mathbf{v}=\sum_{r=1}^n x_re_r =\sum_{i=1}^n (\sum_{r=1}^n p_{ir} x_r) e^\prime_i)
\] ou
\[ y_i = (\sum_{r=1}^n p_{ir} x_r) \implies \mathbf{y}=P\mathbf{x}\]
Analogamente no espaço $W$, se as coordenadas de um vetor nas diferentes bases
\[
\begin{bmatrix} w_1 \\ \vdots \\ w_m \end{bmatrix}
\text{ na base } f \text{ e } \begin{bmatrix} u_1 \\ \vdots \\ u_m\end{bmatrix} \text{ em } f^\prime\]
então
\[ \mathbf{u} = Q \mathbf{w}\]