5 Definición de espacio vectorial

Definición II.1 (Espacio vectorial sobre un cuerpo KK).

Decimos que VV es un espacio vectorial sobre el cuerpo 𝕂\mathbb{K} si VV es un conjunto dotado de dos operaciones

+:V×V⟶V(v,w)⟼v+w⋅K:K×V⟶V(α,v)⟼α⋅Kv\begin{aligned} +\colon V\times V&{}\longrightarrow V\\ (v,w)&{}\longmapsto v+w\end{aligned}\qquad\begin{aligned} \cdot_{K}\colon K% \times V&{}\longrightarrow V\\ (\alpha,v)&{}\longmapsto\alpha\cdot_{K}v\end{aligned}

y se cumplen las siguientes propiedades:

  1. 1.
    ​

    (V,+)(V,+) es un grupo abeliano.

  2. 2.
    ​

    α(v1+v2)=αv1+αv2\alpha(v_{1}+v_{2})=\alpha v_{1}+\alpha v_{2} para todo α∈𝕂,v1,v2∈V\alpha\in\mathbb{K},v_{1},v_{2}\in V

  3. 3.
    ​

    (α+β)v=αv+βv(\alpha+\beta)v=\alpha v+\beta v para todo α,β∈𝕂,v∈V\alpha,\beta\in\mathbb{K},v\in V

  4. 4.
    ​

    (αβ)v=α(βv)(\alpha\beta)v=\alpha(\beta v) para todo α,β∈𝕂,v∈V\alpha,\beta\in\mathbb{K},v\in V

  5. 5.
    ​

    1Kv=v1_{K}v=v para todo v∈Vv\in V

Los elementos de VV se llaman vectores y los elementos de KK se llaman escalares.

Ejemplo II.1.

Veamos varios ejemplos de espacios vectoriales:

  1. 1.
    ​

    Sea 𝕂\mathbb{K} un cuerpo. 𝕂\mathbb{K} es un espacio vectorial sobre 𝕂\mathbb{K} con la suma y el producto por escalares de 𝕂\mathbb{K}.

  2. 2.
    ​

    Si VV es un espacio vectorial sobre un cuerpo 𝕂\mathbb{K} y K^\hat{K} es subcuerpo de 𝕂\mathbb{K} entonces VV también es un espacio vectorial sobre K^\hat{K}. Por ejemplo, como ℚ\mathbb{Q} es subcuerpo de ℝ\mathbb{R} y ℝ\mathbb{R} es subcuerpo de ℂ\mathbb{C}, ℂ\mathbb{C} es un espacio vectorial sobre ℂ\mathbb{C} ℂ\mathbb{C} es un espacio vectorial sobre ℝ\mathbb{R} y ℂ\mathbb{C} es un espacio vectorial sobre ℚ\mathbb{Q}. Además, estos tres espacios vectoriales son diferentes entre sí.

  3. 3.
    ​

    Si VV y WW son dos espacios vectoriales sobre el mismo cuerpo 𝕂\mathbb{K}, entonces el producto cartesiano

    V×W={(v,w)∣v∈V,w∈W}V\times W=\left\{(v,w)\mid v\in V,w\in W\right\}

    es un espacio vectorial sobre KK con las operaciones (v1,w1)+(v2,w2)=(v1+v2,w1+w2)(v_{1},w_{1})+(v_{2},w_{2})=(v_{1}+v_{2},w_{1}+w_{2}) y α(v,w)=(αv,αw)\alpha(v,w)=(\alpha v,\alpha w) para todo v,v1,v2∈Vv,v_{1},v_{2}\in V, w,w1,w2∈Ww,w_{1},w_{2}\in W, α∈𝕂\alpha\in\mathbb{K}. En particular, para n∈ℕn\in\mathbb{N}

    𝕂n={(x1,…,xn)∣x1,…,xn∈𝕂}\mathbb{K}^{n}=\left\{(x_{1},\ldots,x_{n})\mid x_{1},\ldots,x_{n}\in\mathbb{K}\right\}

    es un espacio vectorial sobre 𝕂\mathbb{K}. Por ejemplo, tenemos los siguientes espacios vectoriales: ℝ2,ℚ2,ℝ7,ℂ3,\mathbb{R}^{2},\mathbb{Q}^{2},\mathbb{R}^{7},\mathbb{C}^{3}, etc.

  4. 4.
    ​

    El conjunto de las matrices 𝔐m×n(𝕂)\mathfrak{{M}}_{m\times n}(\mathbb{K}) con la suma de matrices y el producto por escalares tiene estructura de espacio vectorial sobre 𝕂\mathbb{K}.

  5. 5.
    ​

    Si denotamos por 𝕂[x]\mathbb{K}[x] al conjunto de todos los polinomios en la variable xx con coeficientes en 𝕂\mathbb{K}, 𝕂[x]\mathbb{K}[x] es un espacio vectorial sobre 𝕂\mathbb{K} con la suma y el producto por escalares habituales.

  6. 6.
    ​

    Si denotamos por 𝕂n[x]\mathbb{K}_{n}[x] al conjunto de todos los polinomios de grado menor o igual que nn en la variable xx y con coeficientes en 𝕂\mathbb{K}, 𝕂n[x]\mathbb{K}_{n}[x] es un espacio vectorial sobre 𝕂\mathbb{K}.

  7. 7.
    ​

    Si 𝕂\mathbb{K} es un cuerpo, las sucesiones de números de 𝕂\mathbb{K} con la suma por componentes y el producto por escalares componente a componente forman un espacio vectorial sobre 𝕂\mathbb{K}.

Lema II.1.

Sea VV un espacio vectorial sobre un cuerpo 𝕂\mathbb{K}.

  1. 1.
    ​

    α0V=0V\alpha 0_{V}=0_{V} para todo α∈𝕂\alpha\in\mathbb{K}

  2. 2.
    ​

    0Kv=0V0_{K}v=0_{V} para todo v∈Vv\in V

  3. 3.
    ​

    Si αv=0V\alpha v=0_{V} entonces α=0K\alpha=0_{K} o v=0Vv=0_{V}

  4. 4.
    ​

    (−1)v=−(αv)=−v(-1)v=-(\alpha v)=-v para todo v∈Vv\in V

Demostración.
  1. 1.
    α0V=α(0V+0V)=A2)α0V+α0V\alpha 0_{V}=\alpha(0_{V}+0_{V})=_{A2)}\alpha 0_{V}+\alpha 0_{V}
    ​

    así que sumando el opuesto de α0V\alpha 0_{V} en ambos lados de la igualdad llegamos a que 0V=0V+α0V=α0V0_{V}=0_{V}+\alpha 0_{V}=\alpha 0_{V}.

  2. 2.
    0Kv=(0K+0K)v=A3)0Kv+0Kv0_{K}v=(0_{K}+0_{K})v=_{A3)}0_{K}v+0_{K}v
    ​

    asi que sumando el opuesto de 0Kv0_{K}v en ambos lados de la igualdad llegamos a que 0V=0V+0Kv=0Kv0_{V}=0_{V}+0_{K}v=0_{K}v.

  3. 3.
    ​

    Supongamos que αv=0V\alpha v=0_{V} y que α≠0K\alpha\neq 0_{K}. Como 𝕂\mathbb{K} es un cuerpo y α≠0\alpha\neq 0,

    v=A5)1Kv=(1αα)v=A3)1α(αv)=1α0V=1)0Vv=_{A5)}1_{K}v=(\frac{1}{\alpha}\alpha)v=_{A3)}\frac{1}{\alpha}(\alpha v)=% \frac{1}{\alpha}0_{V}=_{1)}0_{V}
  4. 4.
    ​

    Veamos que (−1)v(-1)v es el vector opuesto de vv:

    v+(−1)v=A5)1v+(−1)v=A3)(1−1)v=0Kv=2)0Vv+(-1)v=_{A5)}1v+(-1)v=_{A3)}(1-1)v=0_{K}v=_{2)}0_{V}

    así que (−1)v=−v(-1)v=-v.

∎