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¿Hay al menos 17 bases diferentes en las que $(1,2,3)$ puede expresarse como $(1,1,1)$ ?

El ejercicio del título proviene de un examen de álgebra lineal para estudiantes de Física de mi universidad. Intenté resolverlo de la siguiente manera, pero estoy seguro de que hay muchos enunciados más generales que pueden demostrarlo.

El hecho de que el vector (que llamaremos $\vec{v}$ ) puede ser expresado como $(1,2,3)$ en la base canónica de $\mathbb{R}^3$ significa que $\vec{v}=1(1,0,0)+2(0,1,0)+3(0,0,1)$ . Si quisiéramos $\vec{v}=(1,1,1)_{B'}$ una posibilidad sería una cierta base $B'$ en el que $\vec{v}=(1,0,0)+(0,2,0)+(0,0,3)=(1,2,3)$ . Pero podemos cambiar esa base de manera particular para que $v$ todavía puede expresarse como $(1,1,1)_{B'}$ . Se puede hacer así:

$$B'=\{(1,0,n),(0,2,-n),(0,0,3)\}, n\in\mathbb{R}$$

Como hay un número infinito de números reales, podemos asegurar que hay al menos 17 bases $B'$ en el que $(1,2,3)$ se puede expresar como $(1,1,1)_{B'}$ .

¿Cómo lo solucionarías? ¿Se te ocurre una forma más general?

Nota: este ejercicio proviene de un curso de álgebra lineal de primer año y vale el 7,5% de la nota final de un examen parcial que se supone que se debe completar en 2,5 horas, así que por favor, como decimos en mi país, no matar moscas a cañonazos . Utiliza, si es posible, las herramientas que tendría un estudiante en esa situación.

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user326210 Puntos 26

Su planteamiento es exactamente el correcto. Si quisieras decirlo de una manera más formal, podrías decir:

Dejemos que $c$ sea un número cualquiera, y considere los vectores:

$$b_1 = \begin{bmatrix}1\\0\\c\end{bmatrix}\quad b_2=\begin{bmatrix}0\\2\\-c\end{bmatrix}\quad b_3 = \begin{bmatrix}0\\0\\3\end{bmatrix}$$

  1. Estos vectores abarcan $\mathbb{R}^3$ y, por tanto, constituyen una base. Para demostrar esto, basta con mostrar cómo hacer los tres vectores base estándar a partir del $b_i$ . Y efectivamente, $$e_1 = b_1 - c/3\,b_3$$ $$e_2 = (b_2 + c/3 b_3)/2 $$ $$e_3 = b_3/3$$

  2. El vector $\vec{v} \equiv 1e_1 + 2e_2 + 3e_3$ puede expresarse como $1 b_1 + 1b_2 + 1b_3$ en esta base.

    En efecto, utilizando la base estándar para representarlas en forma de matriz, tenemos que: $$b_1 + b_2 + b_3 = \begin{bmatrix}1\\0\\c\end{bmatrix}+ \begin{bmatrix}0\\2\\-c\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}0\\0\\3\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}1\\2\\3\end{bmatrix}$$ mediante la cancelación, según sea necesario.

  3. Porque cada elección de $c$ produce un conjunto de bases diferente, es evidente que hay un número infinito de bases posibles con esta propiedad, y en particular al menos 17.

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