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REVISADO $^2$ : ¿Una solución en $\mathbb{R}^n$ implican una solución en $\mathbb{Q}^n$ ?

Dejemos que $A M_{m\times n}(\mathbb{Q})$ y $B \mathbb{Q}^m$ . Supongamos que el sistema de lineales de ecuaciones lineales $AX = B$ tiene una solución en $\mathbb{R}^n$ . ¿Tiene necesariamente una solución en $\mathbb{Q}^n$ ?

¿Por dónde empiezo?


Siento que puedo usar esto para ayuda :

$$x_i=\frac{1}{a'_{ii}}\left(b'_i - \sum_{j=i+1}^{k} a'_{ij} x_j \right).$$


Esta es una idea que se me acaba de ocurrir, pero no estoy seguro de que sea legal:

Supongamos que $Y\in \{\mathbb{R}\setminus \mathbb{Q}\}^n$ y $Y'\in\mathbb{Q}^n$ son soluciones a $AX=B$ . Entonces $AY=AY'=B$ o $A(Y-Y')=A(Y+(-Y'))=0$ , pero la adición entre $\{\mathbb{R}\setminus \mathbb{Q}\}^n$ y $\mathbb{Q}^n$ es

8voto

Anthony Shaw Puntos 858

Creo que la pregunta es: si $A\in M_{m\times n}$ y $B\in\mathbb{Q}^m$ y $AX=B$ para algunos $X\in\mathbb{R}^n$ ¿existe un $X'\in\mathbb{Q}^n$ para que $AX'=B$ ?

Supongamos que el $m$ filas de $A$ son independiente . Si no es así, elija un subconjunto de las filas de $A$ que forman un base de la espacio de la fila de $A$ y el subconjunto correspondiente de las filas de $B$ . Demuestre que las filas eliminadas siempre pueden volver a colocarse y satisfarán cualquier solución que se aplique a las filas de la base.

Dado que las filas de $A$ son independientes, demostrar que $AA^T\in M_{m\times m}$ es invertible .

¿Qué se puede decir de $A^T(AA^T)^{-1}B$ ?


Respuesta completa

Creo que la pregunta es: si $A\in M_{m\times n}$ y $B\in\mathbb{Q}^m$ y $AX=B$ para algunos $X\in\mathbb{R}^n$ ¿existe un $X'\in\mathbb{Q}^n$ para que $AX'=B$ ?

Supongamos que el $m$ filas de $A$ son independiente . Si no es así, elija un subconjunto de las filas de $A$ que forman un base de la espacio de la fila de $A$ y el subconjunto correspondiente de las filas de $B$ . Las filas eliminadas siempre se pueden volver a colocar y, como hay una solución $X$ Las filas eliminadas satisfarán cualquier solución que se aplique a las filas de la base. Esto se debe a que la misma combinación de filas de base en $A$ que componen una fila eliminada en $A$ constituirá la correspondiente fila eliminada de $B$ a partir de las correspondientes filas de la base de $B$ .

Dado que las filas de $A$ son independientes, tenemos que $AA^T\in M_{m\times m}$ es invertible: supongamos que $xAA^t=0$ entonces $|xA|^2=xAA^Tx^T=0\implies xA=0\implies x=0$ .

Set $X'=A^T(AA^T)^{-1}B\in\mathbb{Q}^n$ entonces $AX'=AA^T(AA^T)^{-1}B=B$ .

3voto

jkn Puntos 2776

No, piensa en $A=I$ , $B=\pi\mathbb{1}$ , donde $\mathbb{1}$ denota el vector de unos.

EDIT: Estoy asumiendo que $F$ es $\mathbb{R}$ o $\mathbb{C}$ .


EDIT 2: Para la pregunta revisada - Entonces sí (aunque no se me ocurre un argumento elegante de por qué).

Piensa en utilizar la eliminación gaussiana para resolver alguna solución (el hecho de que haya una solución en $\mathbb{R}^n$ implica que el algoritmo genera una solución). La matriz aumentada $[A|B]\in\mathbb{Q}^{m\times(n+1)}$ . La eliminación gaussiana sólo requiere que intercambiemos filas, sumemos filas y multipliquemos una fila por otro elemento de la matriz. $\mathbb{Q}$ es cerrado bajo adición y multiplicación, por lo que el producto final del algoritmo sigue perteneciendo a $\mathbb{Q}^{m\times(n+1)}$ . Si al final tienes algunas "variables libres" (es decir, si hay múltiples soluciones) entonces sólo tienes que sustituir cualquier número racional en ellas.

EDITAR 3: Acabo de notar que lo que escribí en la segunda edición ya había sido señalado por @GEdgar y @JonasMeyer en los comentarios.

2voto

GmonC Puntos 114

Intentaré replantear correctamente lo que el usuario1938185 quería decir. Porque $\Bbb Q$ es un campo, resolviendo cualquier lineal no puede obligar a sus variables a tomar valores fuera de $~\Bbb Q$ . Por comparación, considere un conjunto de ecuaciones lineales en un espacio vectorial real (cada una tiene un hiperplano de soluciones, usted está tratando de encontrar la intersección de esos conjuntos de soluciones). Espero que te sorprendas mucho si te dicen que no existe ninguna solución (la intersección está vacía) pero que se puede construir una solución generalizada tomando coordenadas complejas en lugar de reales. De hecho, esto no puede ocurrir nunca (aunque sí puede ocurrir en el caso de las ecuaciones polinómicas; de hecho, los números complejos se crean "inventando" una solución para la ecuación cuadrática $x^2=-1$ ).

Si te fijas en las operaciones que has aprendido para resolver ecuaciones lineales (formación de combinaciones lineales de ecuaciones, eliminación de Gauss, sustitución, lo que sea), verás que sólo implican operaciones aritméticas (incluida la división tras comprobar que no es por cero) que nunca pueden hacerte salir de un campo $~F$ que contiene los coeficientes del sistema original (en su pregunta sería $F=\Bbb Q$ ). O usted y hasta con una simple contradicción del tipo $0x=1$ que tampoco tendrá solución en cualquier campo mayor que $~F$ que puede inventar, o ha encontrado una solución única utilizando operaciones aritméticas (que entonces sólo implicará valores en $~F$ ), o bien se obtienen soluciones múltiples, en las que algunas variables se pueden elegir libremente y las otras se pueden expresar en términos de ellas mediante operaciones aritméticas. Sólo en la última situación puede ocurrir que también tengas soluciones en las que las variables tomen valores fuera de $~F$ (los libremente elegidos pueden ciertamente ser tomados de esa manera), pero no necesito para hacer esto: si todas las variables elegidas libremente se toman para tener valores en $~F$ entonces todo tomará variables en $~F$ .

En resumen, si se tiene un sistema de ecuaciones lineales con coeficientes en un subcampo $~F$ de un campo estrictamente mayor $~K$ entonces la existencia de soluciones con valores en $~K$ implica la existencia de soluciones con valores en $~F$ . En particular, si hay un único con valores en $~K$ , en realidad tiene valores en $~F$ . Puede aplicar esto en entre otros con $F=\Bbb Q$ , $K=\Bbb R$ o con $F=\Bbb R$ , $K=\Bbb C$ .

1voto

user1938185 Puntos 487

Por supuesto. $\mathbb{Q}$ es un campo, por lo tanto si hay solución a lineal sistema, las soluciones serán racionales.

Puedes comprobarlo escribiendo las fórmulas explícitas de la solución -- por ejemplo, las que proporcionaste como ayuda o La regla de Cramer -- y fíjate que las fórmulas sólo implican sumas y multiplicaciones de racionales.

Así que si su sistema tiene una solución en $\mathbb{R}^n$ , están de hecho en $\mathbb{Q}^n$ . Y si no hay solución en $\mathbb{R}^n$ no puede haber uno en $\mathbb{Q}^n$ .

Es imposible que $Y \in (\mathbb{R}∖\mathbb{Q})^n$ y $Y′∈\mathbb{Q}^n$ son soluciones del mismo sistema lineal.

El punto crucial es que el sistema es lineal. La respuesta es totalmente diferente para los sistemas de ecuaciones de polinomios .

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