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Orden $n^2$ reales diferentes, que forman una base de $\mathbb{R^n}$

He estado tratando de resolver este problema de álgebra lineal:

Se le da $n^2 > 1$ pares diferentes de los números reales. Demostrar que siempre es posible construir con ellos una base para $\mathbb{R^n}$.

El problema parece ser lo suficientemente intuitivo, pero yo no podía llegar a una solución. He intentado utilizar la fórmula de Leibniz para determinantes, pero no puedo argumento de por qué yo debería ser capaz de siempre poner los números de tal manera que $det \ne 0$.

También pensé en el primer pedido de la $n^2$ números, y luego de llenar un $n \times n$ de la matriz en un patrón específico, pero tampoco podía cerrar ese argumento.

De todos modos, cualquier ayuda en la dirección correcta, se agradecería :)!

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ajotatxe Puntos 26274

Puede que desee utilizar este lema:

Si $M$ $r\times s$ matriz con $s> r$ y las entradas de $M$ pares diferentes, entonces hay un reordenamiento de la primera fila tales que el rango de la nueva matriz es $r$.

Prueba: Si el determinante de la menor formado por el primer $r$ columnas es $0$, intercambia las entradas en$(1,1)$$(1,r+1)$. Desde estas entradas deben ser diferentes, ahora el determinante de la misma menor de edad no puede ser $0$.

Ahora, aplicar el lema de la $(n-1)\times n$ de la matriz obtenida la eliminación de la primera fila, es decir, reorganizar la segunda fila para asegurarse de que algunos de los cofactores de las entradas en la primera fila no es $0$.

Así que vamos a ser $x_1<\ldots<x_n$ de las entradas en la primera fila y $y_1,\ldots,y_n$ sus respectivos cofactores. El factor determinante será: $$x_1y_1+\cdots+x_ny_n$$ Dado que los valores de $x_1,\ldots,x_n$ $y_1,\ldots,y_n$ no son todos iguales, se puede aplicar el reordenamiento de la desigualdad para garantizar que , reordenando las entradas en la primera fila por una permutación $\sigma$, la suma

$$x_{\sigma(1)}y_1+\cdots+x_{\sigma(n)}y_n$$

tomar al menos dos valores diferentes.

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Chris Ballance Puntos 17329

Podemos probar la declaración de la inducción matemática. El caso base $n=2$ es fácil y vamos a omitir su prueba. Supongamos $n>2$. Nos llamamos el destino de la matriz $A$ y la dividimos de la siguiente manera: \begin{align*} A=\left[ \begin{array}{ccccc} \pmatrix{|\\ |\\ \mathbf v_1\\ | \\ |} &\pmatrix{|\\ |\\ \mathbf v_2\\ | \\ |} &\cdots &\pmatrix{|\\ |\\ \mathbf v_n\\ | \\ |}\\ a_{n1}&a_{n2}&\cdots&a_{nn} \end{array} \right] \end{align*} donde cada una de las $\mathbf v_j=(a_{1j},a_{2j},\ldots,a_{n-1,j})^\top$ $(n-1)$- dimensiones del vector.

Por hipótesis de inducción, podemos suponer que los elementos de la submatriz $M_{n1}=[\mathbf v_2,\ldots,\mathbf v_n]$ han elegido de manera que $M_{n1}$ es nonsingular. Por lo tanto, mediante la eliminación de algunos de fila $\color{red}{k}$ de la submatriz $[\mathbf v_{\color{red}{3}},\ldots,\mathbf v_n]$, se puede obtener un $(n-2)\times(n-2)$ nonsingular submatriz.

¿Qué significa eso? Esto significa que mediante la variación de la elección de $a_{\color{red}{k}1}$, siempre podemos escoger $\mathbf v_1$, de modo que con $M_{n2}=[\mathbf v_1, \mathbf v_3,\ldots,\mathbf v_n]$,$\det M_{n2}\ne-\det M_{n1}$.

Queda por recoger las entradas de la última fila de $A$ de la $n$ números de la izquierda. Por Laplace de expansión, $(-1)^{n+1}\det A$ es igual a $$ a_{n1}\det M_{n1} - a_{n2}\det M_{n2} + \ldots\etiqueta{1} $$ donde los puntos suspensivos indican otros sumandos que no implican $a_{n1}$ o $a_{n2}$. Si podemos cambiar las opciones de $a_{n1}$$a_{n2}$, la firma se convierte en determiant $$ a_{n2}\det M_{n1} - a_{n1}\det M_{n2} + \ldots\etiqueta{2} $$ en su lugar. Ya que la diferencia entre el$(1)$$(2)$$(a_{n1}-a_{n2})(\det M_{n1}+\det M_{n2}) \ne 0$, vemos que al menos un conjunto de opciones harían $\det A$ distinto de cero.

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