matematica linear e algebra

164

Upload: filipe-fontes

Post on 25-Jun-2015

2.332 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Matematica linear e Algebra
Page 2: Matematica linear e Algebra
Page 3: Matematica linear e Algebra
Page 4: Matematica linear e Algebra
Page 5: Matematica linear e Algebra

Índice

5

índice

Parte I- Matemática Discreta ................................................................................................... 9

1 Lógica ................................................................................................................................ 9

1.1 Introdução à Lógica- Elementos de Teoria da Dedução ..............................................9

1.2 Conjectura e demonstração ...........................................................................................10

1.3 Lógica Proposicional .........................................................................................................13

1.3.1 Tautologias e contradições ..................................................................................16

1.4 Teoremas e demonstrações .............................................................................................19

1.5 Lógica com quantificadores ............................................................................................23

1.5.1 Variáveis e conjuntos.....................................................................................................23

1.5.2 Os quantificadores universal e existencial ..........................................................24

Exercícios – Lógica ................................................................................................................. 29

2 Teoria de Conjuntos ....................................................................................................... 37

2.1 Operações com conjuntos .......................................................................................40

Exercícios– Teoria de Conjuntos ............................................................................................ 45

3 Relações e Funções ....................................................................................................... 53

3.1 Produto cartesiano de conjuntos .............................................................................53

3.2 Partições e relações de equivalência .....................................................................55

3.3 Relações de ordem ....................................................................................................57

3.4 Funções ........................................................................................................................61

Exercícios – Relações e Funções ........................................................................................... 65

Parte II –Álgebra Linear .......................................................................................................... 69

1 Matrizes ........................................................................................................................... 69

1.1 Conceitos e definições .....................................................................................................69

1.2 Operações com matrizes .................................................................................................72

1.2.1 Adição de Matrizes e Multiplicação por Escalar .......................................................72

1.2.2 Multiplicação de matrizes ............................................................................................73

1.3 Equivalência por linhas e Operações elementares por linhas ...................................75

Page 6: Matematica linear e Algebra

Índice

6

Exercícios - Matrizes ............................................................................................................... 77

2 Sistemas de Equações Lineares..................................................................................... 81

2.1 Definição. Interpretação Geométrica ....................................................................81

2.2 Sistemas Homogéneos ...............................................................................................84

2.3 Operações elementares. Sistemas equivalentes .........................................................85

2.4 Método de Eliminação de Gauss .............................................................................85

2.5 Inversão de matrizes ...................................................................................................87

Exercícios – Sistemas de equações lineares ......................................................................... 89

3 Espaços Vectoriais ......................................................................................................... 93

Definição ...................................................................................................................................93

Subespaços vectoriais .............................................................................................................97

Combinações Lineares. Espaço gerado ..............................................................................98

Dependência e independência linear .............................................................................. 100

Bases e dimensão ................................................................................................................. 103

Coordenadas de um vector numa determinada base .................................................. 107

Característica de uma matriz .............................................................................................. 107

Exercícios – Espaços Vectoriais ........................................................................................... 109

4 Determinantes .................................................................................................................... 117

4.1 Permutações ............................................................................................................ 117

4.2 Determinantes. Definição e Propriedades ........................................................... 118

4.2.1 Definição .............................................................................................................. 118

4.2.2 Determinantes de 2ª ordem ............................................................................... 119

4.2.3 Determinantes de 3ª ordem ............................................................................... 120

4.2.4 Outra definição de Determinante .................................................................... 121

4.2.5 Propriedades de Determinantes ....................................................................... 122

4.2.6 Regra de Laplace ............................................................................................... 126

4.3 Matriz Adjunta .......................................................................................................... 128

4.4 Sistema de Cramer .................................................................................................. 129

Exercícios – Determinantes .................................................................................................. 133

Page 7: Matematica linear e Algebra

Índice

7

5 Aplicações Lineares ......................................................................................................... 137

5.1 Definição e Conceitos Básicos ...................................................................................... 137

5.2 Núcleo e Imagem de uma Aplicação Linear ............................................................. 139

5.3 Matriz de uma Aplicação Linear .................................................................................. 144

5.4 Composição de Aplicações Lineares .......................................................................... 146

5.5 Aplicações Lineares Invertíveis ...................................................................................... 147

Exercícios - Aplicações Lineares ........................................................................................ 149

Exames e Testes .................................................................................................................... 157

1º Teste .................................................................................................................................... 157

2º Teste .................................................................................................................................... 158

Recurso ................................................................................................................................... 159

Especial .................................................................................................................................. 160

Bibliografia ............................................................................................................................ 163

Page 8: Matematica linear e Algebra

Índice

8

Page 9: Matematica linear e Algebra

Lógica

9

Parte I- Matemática Discreta

1 Lógica

1.1 Introdução à Lógica- Elementos de Teoria da Dedução

Geralmente a matemática divide-se em partes chamadas teorias matemáticas. O

desenvolvimento de uma qualquer teoria é constituído por três etapas fundamentais:

(1) a construção dos objectos matemáticos da teoria;

(2) a formação de relações entre estes objectos;

(3) a pesquisa das relações que são verdadeiras, ou seja, a demonstração de

teoremas.

Objectos matemáticos são, por exemplo, os números, as funções ou as figuras

geométricas; a Teoria dos Números, a Análise Matemática e a Geometria são,

respectivamente, as teorias matemáticas que os estudam. Os objectos matemáticos

(provavelmente) não existem na natureza; são apenas modelos abstractos de objectos

reais mais ou menos complicados. As relações entre os objectos matemáticos são

afirmações (ou proposições ou sentenças), verdadeiras ou falsas, que podem enunciar-

se a seu respeito e que, de algum modo, correspondem a propriedades hipotéticas dos

objectos reais que eles modelam.

Para provar os seus resultados a matemática usa um determinado processo de

raciocínio que se baseia na Lógica (bivalente) que adopta como regras fundamentais

de pensamento os dois princípios seguintes:

Princípio da não contradição: Uma proposição não pode ser verdadeira

e falsa (ao mesmo tempo).

Princípio do terceiro excluído: Uma proposição ou é verdadeira ou é falsa

(isto é, verifica-se sempre um destes casos e nunca um terceiro).

A matemática, como qualquer outra ciência, utiliza a sua linguagem própria constituída

por termos – palavras ou símbolos – e proposições que são combinações de termos de

Page 10: Matematica linear e Algebra

Lógica

10

acordo com determinadas regras. Numa teoria matemática qualquer podem distinguir-

se dois tipos de termos:

(1) termos lógicos, que não são específicos daquela teoria e fazem parte da

linguagem matemática geral, e

(2) termos específicos da teoria que se está a considerar.

Termos lógicos como, por exemplo, “variável”, “relação”, etc. são comuns a todas as

teorias matemáticas. Pelo contrário, “ponto”, “recta” e “ângulo” são termos específicos

da geometria, enquanto que “número”, “<”, “adição” são termos específicos da teoria

dos números, etc.

O papel principal da lógica em matemática é o de comunicar as ideias de forma

precisa evitando erros de raciocínio.

1.2 Conjectura e demonstração

Chama-se demonstração formal a uma sequência finita , , ,1 2 np p p… de proposições

cada uma das quais ou é um axioma (proposição cuja veracidade se admite à priori)

ou resulta de proposições anteriores por regras de inferência (que são formas muito

simples e frequentes de argumentação válida, tradicionalmente designadas por

silogismos). Cada uma das proposições ,1jp j n≤ ≤ é designada por passo da

demonstração. Neste sentido, teorema será o último passo de uma dada

demonstração, isto é, demonstrar um teorema consiste na realização de uma

demonstração cujo último passo é o teorema em questão.

Fora da Lógica raramente se fazem demonstrações formais rigorosas: o que em geral se

faz é estabelecer os passos fundamentais da demonstração suprimindo todos os

detalhes lógicos que, muitas vezes, não ajudam a esclarecer a verdadeira natureza da

proposição sob análise. Estes procedimentos designar-se-ão simplesmente por

demonstrações (ou demonstrações matemáticas) por contraposição a demonstrações

formais.

Page 11: Matematica linear e Algebra

Lógica

11

Exemplo L1

Na tabela que se segue, para cada número natural n de 2 a 10, calculou-se o número

2 1n − obtendo-se os seguintes resultados:

n

é primo?

2 1n −

é primo?

2 Sim 3 Sim

3 Sim 7 Sim

4 Não 15 Não

5 Sim 31 Sim

6 Não 63 Não

7 Sim 127 Sim

8 Não 255 Não

9 Não 511 Não

10 Não 1023 não

Observando cuidadosamente a tabela parece verificar-se o seguinte: sempre que n é

um número primo, o número 2 1n − também é primo! Será verdade?

Em matemática dá-se o nome de conjectura a este tipo de afirmações cujo valor

lógico de verdade ou falsidade necessita de ser provado. Assim, esta tabela suscita as

duas conjecturas seguintes:

Conjectura I

Dado um número inteiro n superior a 1, se n for primo então o número 2 1n − é

primo.

Conjectura II

Dado um número inteiro n superior a 1, se n não for primo o número 2 1n −

também não é primo.

Destas duas conjecturas a primeira pode refutar-se imediatamente: para tal é suficiente

continuar a desenvolver a tabela para valores de n superiores a 10. Assim, para 11n =

vem

112 1 2047 23 89− = = ×

Page 12: Matematica linear e Algebra

Lógica

12

o que mostra que a conjectura é falsa: 11 é um número superior a 1 e é primo, mas

112 1− é um número composto. O número 11, neste caso, constitui o que se designa

geralmente por contra-exemplo para a conjectura: um simples contra-exemplo é

suficiente para mostrar que a conjectura é falsa. Mas há mais contra-exemplos: 23 e 29,

por exemplo, são outros contra-exemplos.

Considere-se agora a segunda conjectura: estendendo a tabela a outros números

inteiros não primos superiores a 10 não se encontra nenhum contra-exemplo. Isto,

contudo, não nos permite concluir que a conjectura é verdadeira pois por muito que se

prolongue a tabela nunca será possível experimentar todos os números compostos

possíveis: eles são em número infinito! Poderá haver contra-exemplos que sejam tão

grandes que nem com os actuais meios computacionais seja possível testá-los. Para

demonstrar ou refutar a conjectura é necessário adoptar então outros métodos.

A conjectura II é, de facto, verdadeira.

Demonstração

Visto que n não é primo então existem inteiros positivos a e b maiores que 1 tais que

a n< e b n< e n ab= . Sendo 2 1bx = − e ( )121 2 2 2 a bb b

y−= + + + +… , então

( ) ( )( )( )( ) ( )( )

( ) ( )( )

12

1 12 2

12 3 2

2 1 1 2 2 2

2 1 2 2 2 1 2 2 2

2 2 2 2 1 2 2 2

2 1

2 1

a bb b b

a b a bb b b b b

a bb b b ab b b

ab

n

xy−

− −

= − ⋅ + + + +

= ⋅ + + + + − + + + +

= + + + + − + + + +

= −

= −

… …

… …

Visto que b n< pode concluir-se que 2 1 2 1b nx = − < − ; por outro lado, como 1b > então

12 1 2 1 1bx = − > − = donde se segue que 2 1ny xy< = − . Então 2 1n − pode decompor-se

num produto de dois números inteiros positivos x e y maiores que 1 e menores que

2 1n − o que prova que 2 1n − não é primo. �

Page 13: Matematica linear e Algebra

Lógica

13

Uma vez que se provou que a conjectura II é verdadeira, esta passou a adquirir o

estatuto de teorema, podendo então escrever-se:

Teorema

Dado um número inteiro n superior a 1, se n não for primo então o número 2 1n −

também não é primo.

1.3 Lógica Proposicional

Tal como referido no ponto anterior, a demonstração de conjecturas é essencial em

matemática. A Lógica estuda os métodos de raciocínio, especialmente os que podem

expressar-se sob a forma de argumentos. Um argumento consiste numa série (finita) de

proposições declarativas, chamadas premissas, a partir das quais se infere uma outra

proposição, a conclusão. Há vários tipos de argumentos: os dois principais são os

argumentos indutivos e os argumentos dedutivos. O primeiro, usado no dia a dia pelas

ciências empíricas, parte de dados da experiência para concluir que uma dada

proposição, provavelmente, é verdadeira. Os dados da experiência tornam provável a

veracidade da conclusão, mas não a garantem em absoluto.

Um argumento dedutivo, pelo contrário, garante que se todas as premissas forem

verdadeiras a conclusão também o será. A argumentação dedutiva está na base das

demonstrações matemáticas.

Proposições ou sentenças são os elementos básicos da lógica que são afirmações

precisas (verdadeiras ou falsas, mas não ambas as coisas). Por exemplo, “2 é maior que

3” é uma proposição cujo valor lógico é o de “falsidade” enquanto que “todos os

triângulos têm três lados e três ângulos” é uma proposição cujo valor lógico é o de

“verdade”. Por outro lado “ 3x < ” não é uma proposição (depende do valor que venha

a ser atribuído à variável x ). Representar-se-ão por letras (geralmente minúsculas) as

proposições genéricas (ou variáveis proposicionais) e por 1 e 0 os valores lógicos de

“verdade” e “falsidade”, respectivamente.

Page 14: Matematica linear e Algebra

Lógica

14

Exemplo L2

As afirmações

1. A Lua é feita de queijo verde.

2. ( )2 2e e

π π=

3. 6 é um número primo.

4. o milionésimo dígito na dízima de 2 é 6.

São exemplos de proposições. Por outro lado,

1. Será ( )2eπ igual a 2e π ?

2. Se ao menos todos os dias pudessem ser como este!

Claramente não são proposições.

Por vezes combinam-se várias proposições para obter proposições compostas: neste

caso, em geral, pretende-se obter os valores lógicos das proposições compostas em

função dos valores lógicos conhecidos das proposições mais simples que as compõem.

Uma conectiva lógica que modifica o valor de uma dada proposição “ p ” é a sua

negação “não p ”, denotada geralmente por “ p¬ ” ou “ ~ p ”, que é uma proposição

falsa quando “ p ” é verdadeira e verdadeira quando “ p ” é falsa. Isto pode expressar-se

à custa da chamada tabela de verdade da negação:

p p¬

1 0

0 1

Existem várias formas pelas quais se podem combinar duas proposições. Em particular,

as conectivas “e” e “ou”, conjunção e disjunção, denotadas geralmente por “ ∧ ” e

“ ∨ ”, respectivamente, são definidas pelas seguintes tabelas de verdade:

Page 15: Matematica linear e Algebra

Lógica

15

p q p q∧ p q∨

1 1 1 1

1 0 0 1

0 1 0 1

0 0 0 0

A conjunção de duas proposições é verdadeira quando e só quando duas proposições

forem simultaneamente verdadeiras; a disjunção é verdadeira desde que pelo menos

uma das proposições seja verdadeira.

A conectiva “⇒ ” que se lê “se ..., então ...”, designa-se por “implicação”, obedece à

seguinte tabela de verdade:

Quando temos a implicação p q⇒ dizemos que p é o antecedente e q o

consequente.

p q p q⇒

1 1 1

1 0 0

0 1 1

0 0 1

Considere-se, por fim, a conectiva lógica “ p se e só se q ”, por vezes abreviada para

“ p sse q ”, e geralmente denotada por “ p q⇔ ”.

É fácil verificar que “ p q⇔ ” têm o mesmo significado lógico que a proposição

“ ( ) ( )p q q p⇒ ∧ ⇒ ”.

Então a sua tabela de verdade pode ser dada por:

p q p q⇒ q p⇒ ( ) ( )p q q p⇒ ∧ ⇒

1 1 1 1 1

1 0 0 1 0

0 1 1 0 0

0 0 1 1 1

Page 16: Matematica linear e Algebra

Lógica

16

Ou seja

p q p q⇔

1 1 1

1 0 0

0 1 0

0 0 1

Na prática usa-se frequentemente esta relação: para mostrar que uma proposição da

forma “ p q⇔ ” é verdadeira decompõe-se essa proposição nas duas partes “ p q⇒ ” e

“ q p⇒ ” e mostra-se separadamente que cada uma delas é verdadeira.

1.3.1 Tautologias e contradições

Chama-se tautologia a uma proposição que é sempre verdadeira quaisquer que sejam

os valores atribuídos às variáveis proposicionais que a compõem. Dito de outra forma,

chama-se tautologia a uma proposição cuja tabela de verdade possui apenas 1s na

última coluna.

Exemplo L3

Exemplo de tautologia é a proposição ( )p p∨ ¬ , o princípio do terceiro excluído,

p p¬ ( )p p∨ ¬

1 0 1

0 1 1

Se p designar a proposição “5 é uma raiz primitiva de 17” então ( )p p∨ ¬ é sempre

verdadeira independentemente do significado (ou sentido) atribuído à expressão “raiz

primitiva de 17”.

Chama-se contradição à negação de uma tautologia: trata-se de uma proposição

cuja tabela de verdade apenas possui 0s na última coluna.

Page 17: Matematica linear e Algebra

Lógica

17

Nota

Não deve confundir-se contradição com proposição falsa, assim como não deve

confundir-se tautologia com proposição verdadeira. O facto de uma tautologia ser

sempre verdadeira e uma contradição ser sempre falsa deve-se à sua forma lógica

(sintaxe) e não ao significado que se lhes pode atribuir (semântica).

A tabela de verdade

p q p q∨ ( )p p q⇒ ∨ p q⇒ q¬ ( )p q∧ ¬ ( ) ( )p q p q ⇒ ∧ ∧ ¬

1 1 1 1 1 0 0 0

1 0 1 1 0 1 1 0

0 1 1 1 1 0 0 0

0 0 0 1 1 1 0 0

Mostra que ( )p p q⇒ ∨ é um tautologia, enquanto que ( ) ( )p q p q ⇒ ∧ ∧ ¬ é uma

contradição.

1. p p∨ ¬

2. ( )p p ¬ ∧ ¬

3. p p⇒

4. a) ( )p p p⇔ ∨ idempotência

b) ( )p p p⇔ ∧ idempotência

5. p p¬¬ ⇔ dupla negação

6. a) ( ) ( )p q q p∨ ⇔ ∨ comutatividade

b) ( ) ( )p q q p∧ ⇔ ∧ comutatividade

c) ( ) ( )p q q p⇔ ⇔ ⇔ comutatividade

7. a) ( )( ) ( )( )p q r p q r∨ ∨ ⇔ ∨ ∨ associatividade

b) ( )( ) ( )( )p q r p q r∧ ∧ ⇔ ∧ ∧ associatividade

8. a) ( )( ) ( ) ( )( )p q r p q p r∧ ∨ ⇔ ∧ ∨ ∧ distributividade

Page 18: Matematica linear e Algebra

Lógica

18

b) ( )( ) ( ) ( )( )p q r p q p r∨ ∧ ⇔ ∨ ∧ ∨ distributividade

9. a) ( )0p p∨ ⇔ identidade

b) ( )0 0p ∧ ⇔ identidade

c) ( )1 1p ∨ ⇔ identidade

d) ( )1p p∧ ⇔ identidade

10. a) ( ) ( )p q p q¬ ∧ ⇔ ¬ ∨ ¬ leis de Morgan

b) ( ) ( )p q p q¬ ∨ ⇔ ¬ ∧ ¬ leis de Morgan

11. a) ( ) ( ) ( )p q p q q p ⇔ ⇔ ⇒ ∧ ⇒ equivalência

b) ( ) ( ) ( )p q p q p q ⇔ ⇔ ∧ ∨ ¬ ∧ ¬ equivalência

c) ( ) ( )p q p q⇔ ⇔ ¬ ⇔ ¬ equivalência

12. a) ( ) ( )p q p q⇒ ⇔ ¬ ∨ implicação

b) ( ) ( )p q p q¬ ⇒ ⇔ ∧ ¬ implicação

13. ( ) ( )p q q p⇒ ⇔ ¬ ⇒ ¬ contrarecíproca

14. ( ) ( ) 0p q p q ⇒ ⇔ ∧ ¬ ⇒ redução ao absurdo

15. a) ( ) ( ) ( )p r q r p q r ⇒ ∧ ⇒ ⇔ ∨ ⇒

b) ( ) ( ) ( )p q p r p q r ⇒ ∧ ⇒ ⇔ ⇒ ∧

16. ( ) ( )p q r p q r ∧ ⇒ ⇔ ⇒ ⇒

17. ( )p p q⇒ ∨ adição

18. ( )p q p∧ ⇒ simplificação

19. ( )p p q q ∧ ⇒ ⇒ modus ponens

20. ( )p q q p ⇒ ∧ ¬ ⇒ ¬ modus tollens

21. ( ) ( ) ( )p q q r p r ⇒ ∧ ⇒ ⇒ ⇒ silogismo hipotético

22. ( )p q p q ∨ ∧ ¬ ⇒ silogismo disjuntivo

23. ( )0p p⇒ ⇒ ¬ absurdo

24. ( ) ( ) ( ) ( )p q r s p r q s ⇒ ∧ ⇒ ⇒ ∨ ⇒ ∨

25. ( ) ( ) ( )p q p r q r ⇒ ⇒ ∨ ⇒ ∨

Page 19: Matematica linear e Algebra

Lógica

19

Na tabela acima apresentam-se alguns exemplos importantes de tautologias onde

, , ,p q r s designam variáveis proposicionais (isto é, afirmações que ou são verdadeiras ou

falsas, mas não ambas as coisas) e 1 e 0 designam as proposições tautologia e

contraditória, respectivamente.

Definição

Duas proposições a e b dizem-se logicamente equivalentes se tiverem os mesmos

valores lógicos em todas as circunstâncias, ou seja, se a proposição a b⇔ for uma

tautologia.

Dir-se-á que a proposição a implica logicamente a proposição b se a veracidade da

primeira arrastar necessariamente a veracidade da segunda, ou seja, se a proposição

a b⇒ for uma tautologia.

1.4 Teoremas e demonstrações

Sejam , ,p q r três proposições das quais se sabe seguramente que p e q são

proposições verdadeiras. Se for possível provar a implicação

( )p q r∧ ⇒

é verdadeira (isto é, que a veracidade de p e de q resulta sempre a veracidade de r ),

então pode argumentar-se que r é necessariamente verdadeira. Se, numa contenda,

as proposições p e q forem aceites como verdadeiras por ambas as partes assim como

a implicação anterior, então a veracidade de r resulta logicamente de pressupostos. A

uma tal proposição (composta) dá-se o nome de argumento e constitui o método

usado numa discussão para convencer uma parte das razões que assistem à outra.

Chama-se argumento a uma sequência finita de proposições organizadas na forma

seguinte

( )1 2 np p p q∧ ∧ ∧ ⇒…

Page 20: Matematica linear e Algebra

Lógica

20

Onde , , ,1 2 np p p… são designadas as premissas (ou hipóteses) e q a conclusão (ou

tese). Ao fazer a leitura desta implicação é costume inserir uma das loções “portanto”,

“por conseguinte”, “logo”, etc., lendo-se, por exemplo, “ , , ,1 2 np p p… portanto q ”. Para

sugerir esta leitura usa-se, frequentemente, a seguinte notação

1

n

p

p

q

� ou , ,1 np p q…

Interessa distinguir entre argumentos correctos ou válidos e argumentos incorrectos ou

inválidos.

Definição

Um argumento , ,1 np p q… diz-se correcto ou válido se a conclusão for verdadeira

sempre que as premissas , , ,1 2 np p p… forem simultaneamente verdadeiras e diz-se

incorrecto ou inválido no caso contrário, isto é, se alguma situação permitir que as

premissas sejam todas verdadeiras e a conclusão falsa.

Construção de demonstrações elementares

A demonstração de teoremas é feita de muitas formas dependendo em geral do

próprio conteúdo do teorema. Os próprios teoremas são formulados de muitas maneiras

distintas. Uma das mais frequentes é a que envolve uma conclusão do tipo

p q⇒

Para demonstrar a veracidade desta implicação começa-se por supor que p é uma

proposição verdadeira para depois se concluir que então q também é verdadeira.

[Note-se que se p for falsa a implicação é sempre verdadeira quer q seja verdadeira

quer seja falsa.] Observe-se também que desta forma se prova a validade da

implicação p q⇒ e não a veracidade de q . Para provara a veracidade de q seria

Page 21: Matematica linear e Algebra

Lógica

21

necessário para além de provar a veracidade da implicação p q⇒ que se afirmasse a

veracidade de p : supor que p é verdadeira não é a mesma coisa que afirmar que p é

verdadeira.

Exemplo L4

Suponha-se que a e b são números reais. Provar que se 0 a b< < então 2 2a b< .

Os dados do problema são as afirmações a ∈� e b ∈� e o objectivo é o de obter uma

conclusão da forma p q⇒ onde p é a afirmação 0 a b< < e q é a afirmação 2 2a b< .

Supor que p é uma proposição verdadeira é equivalente a juntar p aos dados do

problema. Assim, equivalentemente, pode ter-se

, 2 2

hipóteses tese

0

a b a b

a b

∈ ∈ <

< <

� �

A técnica de demonstração, neste caso, obtém-se por comparação das duas

desigualdades a b< e 2 2a b< . Multiplicando a primeira desigualdade por a (que é um

número real positivo!) vem

2a ab<

e multiplicando-a agora por b (que também é um número real positivo) vem

2ab b<

Desta forma, obtém-se que 2 2a ab b< < e, portanto, por transitividade, 2 2

a b< como se

pretendia mostra.

Mais formalmente, poder-se-ia apresentar este exemplo da seguinte forma:

Teorema

Suponha-se que a e b são dois números reais. Se 0 a b< < então 2 2a b< .

Page 22: Matematica linear e Algebra

Lógica

22

Demonstração

Suponha-se que 0 a b< < . Multiplicando a desigualdade a b< pelo número positivo a

conclui-se que 2a ab< e, de modo semelhante, multiplicando-a por b obtém-se 2

ab b< ,

portanto, 2 2a b< como se pretendia mostrar. Consequentemente, se 0 a b< < então

2 2a b< . �

Para provar uma implicação da forma p q⇒ , muitas vezes, é mais fácil supor q¬ e

provar então que se verifica p¬ obtendo-se assim q p¬ ⇒ ¬ , o que, como se sabe,

equivale logicamente a p q⇒ .

Exemplo L5

Suponha-se que ,a b e c são três números reais e que a b> . Mostrar que se ac bc≤ então

0c ≤ .

A demonstração neste caso tem o seguinte esquema:

, ,

hipóteses tese

0

a b c ac bc c

a b

∈ ∈ ∈ ≤ ⇒ ≤

>

� � �

A contra-recíproca da tese é a implicação

( ) ( )0c ac bc¬ ≤ ⇒ ¬ ≤

Ou seja,

0c ac bc> ⇒ >

e, portanto, pode realizar-se a demonstração de acordo com o seguinte esquema

, ,

hipóteses tese

0

a b c ac bc

a b

c

∈ ∈ ∈ >

>

>

� � �

Page 23: Matematica linear e Algebra

Lógica

23

A tese resulta agora imediatamente de se multiplicar a desigualdade a b> por 0c > .

Mais formalmente,

Teorema

Sejam , ,a b c três números reais tais que a b> . Se ac bc≤ então 0c ≤ .

Demonstração

A prova será feita pela contra-recíproca. Suponha-se que 0c > . Então, multiplicando

ambos os membros da desigualdade a b> por c obter-se-á ac bc> .

Consequentemente, 0ac bc c≤ ⇒ ≤ como se pretendia mostrar. �

1.5 Lógica com quantificadores

1.5.1 Variáveis e conjuntos

No desenvolvimento de qualquer teoria matemática aparecem muitas vezes

afirmações sobre objectos genéricos da teoria que são representados por letras

designadas por variáveis.

Se representarmos por x um número inteiro positivo genérico, pode ser necessário

analisar (sob o ponto de vista lógico) afirmações do tipo “ x é um número primo”. Esta

afirmação não é uma proposição, o seu valor lógico tanto pode ser o de verdade

como o de falsidade. Uma afirmação deste tipo denota-se por “ ( )p x ” para mostrar

que “ p ” depende da variável x obtendo-se, assim, uma fórmula com uma variável

livre. A afirmações (com variáveis livres) associam-se os chamados conjuntos de

verdade que são os conjuntos de valores para os quais ( )p x é verdadeira. Escreve-se

( ){ }:A x p x=

e lê-se A é o conjunto cujos elementos satisfazem ( )p x ou para os quais ( )p x é

verdadeira.

Page 24: Matematica linear e Algebra

Lógica

24

Conjuntos de verdade e conectivas lógicas

Suponha-se que A é um conjunto de verdade de uma fórmula ( )p x e B é o conjunto

de verdade de uma fórmula ( )q x . Então,

( ){ } ( ){ }( ){ } ( ){ }

: :

: :

A x p x x p x

B x q x x q x

= ∈

= ∈

U

U

ª

ª

O conjunto de verdade da fórmula ( ) ( )p x q x∧ é tal que

( ) ( ){ } { }: :x p x q x x x A x B A B∈ ∧ = ∈ ∈ ∧ ∈ = ∩U U

De modo semelhante,

( ) ( ){ } { }: :x p x q x x x A x B A B∈ ∨ = ∈ ∈ ∨ ∈ = ∪U U

1.5.2 Os quantificadores universal e existencial

Uma fórmula ( )p x , contendo uma variável x , pode ser verdadeira para alguns valores

de x pertencentes ao universo do discurso e falsa para outros. Por vezes, pretende-se

dizer que uma dada fórmula ( )p x se verifica para todos os elementos de x (do

universo). Escreve-se então

“para todo o ( ),x p x ” ou “qualquer que seja ( ),x p x ”

e representa-se simbolicamente por

( )x p x∀

O símbolo ∀ é designado por quantificador universal. A fórmula anterior é equivalente

a

( )x x p x ∀ ∈ ⇒ U

Page 25: Matematica linear e Algebra

Lógica

25

A quantificação pode ser feita apenas sobre uma parte de U. Assim, se D designar um

subconjunto próprio de U e ( )p x for uma fórmula com uma variável cujo domínio é D ,

então

( )x D p x∀ ∈ ou ( )x x D p x ∀ ∈ ⇒

afirma que ( )p x se verifica para todo o x D∈ .

Se, por exemplo, { }, , ,1 2 nD a a a= … a fórmula anterior é (logicamente) equivalente à

conjunção ( ) ( ) ( )1 2 np a p a p a∧ ∧ ∧… .

Exemplo L6

Suponha que ( )p x é a fórmula x − ≠2 2 0 . Então, ( )x x p x ∀ ∈ ⇒ � é uma proposição

verdadeira, enquanto que ( )x x p x ∀ ∈ ⇒ � é uma proposição falsa.

Escreve-se

( )x p x∃

Para significar que existe (no universo do discurso) pelo menos um elemento x para o

qual ( )p x se verifica, o que pode ler-se da seguinte forma

“existe pelo menos um x tal que ( )p x ”.

De outra forma, ( )x x p x ∃ ∈ ∧ U onde, U designa o universo do discurso. O símbolo ∃ é

chamado o quantificador existencial.

Se D for um subconjunto de U e ( )p x for uma fórmula com uma variável cujo domínio

é D , então ( )x p x∃ ou ( )x x D p x ∃ ∈ ∧ é uma fórmula com o quantificador existencial.

Se, por exemplo, { }, , ,1 2 nD a a a= … a fórmula anterior é (logicamente) equivalente à

disjunção ( ) ( ) ( )1 2 np a p a p a∨ ∨ ∨… .

Page 26: Matematica linear e Algebra

Lógica

26

O valor lógico (de verdade ou falsidade) de uma proposição quantificada depende do

domínio considerado. As duas proposições

2

2

2 0

2 0

x x x

x x x

∀ ∈ ⇒ − =

∃ ∈ ∧ − =

São falsas enquanto que as duas seguintes

2

2

2 0

2 0

x x x

x x x

∀ ∈ ⇒ − =

∃ ∈ ∧ − =

a primeira é falsa, mas a segunda é verdadeira.

Interessa também considerar quando o domínio da variável da fórmula ( )p x é o

conjunto vazio. Que valor lógico terão as expressões da forma

( ) ( )e x x p x x x p x ∀ ∈ ∅ ⇒ ∃ ∈∅ ∧

Visto que x ∈ ∅ é sempre falso, então a primeira expressão é uma proposição sempre

verdadeira. Quanto à segunda proposição ela tem a forma de uma conjunção de

proposições, das quais uma é sempre falsa, logo a proposição é sempre falsa.

Por vezes emprega-se o quantificador existencial numa situação simultânea de

unicidade, ou seja, quer-se afirmar não só que ( )x p x∃ mas ainda que a fórmula ( )p x

se transforma numa proposição verdadeira só para um elemento do domínio de

quantificação. Neste caso emprega-se a abreviatura

( )!x p x∃

Que significa “existe um e só um x tal que ( )p x ”.

Page 27: Matematica linear e Algebra

Lógica

27

Quantificação múltipla

Uma fórmula matemática pode ter mais do que uma variável. Considere-se, por

exemplo, a afirmação

“para todo o número real x existe um número real y tal que 5x y+ = ”

simbolicamente, [ ]5x y x y∀ ∃ + = , que constitui uma proposição verdadeira (sendo

5y x= − para cada x ∈� ).

Se se trocarem os quantificadores obter-se-á

[ ]5y x x y∃ ∀ + =

que significa

“existe um número real y tal que para todo o número real x se tem 5x y+ = ”.

Esta proposição é falsa, pois não existe nenhum número real y , sempre o mesmo, para

o qual todo o número real x satisfaz a equação dada.

Estes exemplos ilustram a não comutatividade dos dois quantificadores universal, ∀ , e

existencial, ∃ .

Dois quantificadores da mesma espécie são sempre comutativos enquanto que dois

quantificadores de espécie diferente são geralmente não comutativos, isto é, a sua

permuta conduz a proposições de conteúdo distinto.

Negação de proposições quantificadas

Dadas as proposições com quantificadores ( )x x p x ∀ ∈ ⇒ U e ( )x x p x ∃ ∈ ∧ U pode

ser necessário analisar (logicamente) as proposições que são a negação destas, ou

seja,

( )x x p x ¬∀ ∈ ⇒ U equivale a ( )x x p x ∃ ∈ ∧ ¬ U

e

( )x x p x ¬∃ ∈ ∧ U equivale a ( )x x p x ∀ ∈ ⇒ ¬ U

Page 28: Matematica linear e Algebra

Lógica

28

De um modo genérico, têm-se as equivalências,

( )( ) ( )

( )( ) ( )

x p x x p x

x p x x p x

¬ ∀ ⇔ ∃ ¬

¬ ∃ ⇔ ∀ ¬

Conhecidas por segundas leis de Morgan.

Page 29: Matematica linear e Algebra

Lógica

29

Exercícios – Lógica

1. Diga, justificando, se as seguintes frases são ou não proposições (sentenças):

a) Se a terra for plana então 2+2=4.

b) Não é verdade que 3 seja número par ou que 7 seja primo.

c) Para algum ,22n

n n∈ =� .

d) Para todos os números reais , ,x y x y y x∈ + = +� .

e) Ele é muito inteligente.

f) Ou sais tu ou saio eu.

g) x y y x− = −

2. Suponha-se que , ,p q r representam as seguintes sentenças:

p ≡ “7 é um número inteiro par”

q ≡ “3+1=4”

r ≡ “24 é divisível por 8”

a) Escreva em linguagem simbólica:

i. 3 1 4+ ≠ e 24 é divisível por 8

ii. Não é verdade que 7 seja ímpar ou 3+1=4

iii. Se 3+1=4 então 24 não é divisível por 8

Construa as tabelas de verdade das proposições compostas obtidas.

b) Traduza por frases cada uma das sentenças:

i. ( )p q∨ ¬

ii. ( )p q¬ ∧

iii. ( ) ( )r q¬ ∨ ¬

3. Construa as tabelas de verdade das seguintes fórmulas lógicas (proposições

compostas) e diga, justificando, quais delas correspondem a tautologias:

a) ( )p q p q ⇒ ∧ ⇒

Page 30: Matematica linear e Algebra

Lógica

30

b) ( )p q r⇔ ⇒

c) ( )p p q ∧ ¬ ⇒

4. O operador lógico conhecido por “ou exclusivo” pode ser representado por ∨� , tal

que p q∨� é uma proposição verdadeira quando e só quando p e q tiverem

valores lógicos contrários.

a) Mostre que p q∨� é equivalente a ( )p q¬ ⇔ .

b) Construa as tabelas de verdade para ( ) ( ), e p p p q r p p p∨ ∨ ∨ ∨ ∨� � � � � .

5. Mostre que cada uma das proposições que se seguem

a) ( )p q¬ ∨

b) ( ) ( )q p¬ ⇒ ¬

c) ( )p q ¬ ∧ ¬

é equivalente á implicação p q⇒ .

6. Escreva as proposições recíprocas, inversas (contrárias) e as contra-recíprocas para

cada uma das seguintes proposições:

a) ( )p q r∧ ⇒

b) ( )p q p⇒ ⇒

c) ( ) ( )p q p q⇔ ⇒ ⇒

7. Traduza a afirmação “Sempre que chove existem nuvens no céu” através de uma

implicação lógica p q⇒ e, e seguida, escreva as afirmações correspondentes à

recíproca, à contrária e à contra-recíproca dessa implicação, indicando o valor

lógico de cada uma das afirmações.

Page 31: Matematica linear e Algebra

Lógica

31

8. Escreva cada uma das frases seguintes na forma de implicação p q⇒ :

a) Se tocares nesse bola apanhas.

b) Toca nesse bolo e arrepender-te-ás.

c) Sai ou chamo a polícia.

d) Vou-me embora se não pararem de falar.

9. Determine o antecedente e o consequente de cada uma das seguintes

proposições:

a) Plantas saudáveis crescem com água suficiente.

b) Um aumento significativo no poder dos computadores é uma condição

necessária para futuros avanços tecnológicos.

c) Erros serão introduzidos se efectuarmos uma modificação nesse programa.

d) Para poupar combustível é necessário instalar um bom isolamento térmico assim

como janelas duplas.

10. Usando tautologias apropriadas simplifique as proposições:

a) ( )p q p ∨ ∧ ¬

b) ( ) ( )p q ¬ ¬ ∧ ¬

c) ( ) ( )p q p q ∧ ∨ ∧ ¬

11. Por vezes usa-se o símbolo ↓ para denotar a proposição composta por duas

proposições e p q que é verdadeira quando e só quando e p q são

(simultaneamente) falsas e é falsa em todos os outros casos. A proposição p q↓ lê-

se “nem p nem q ”.

a) Faça a tabela de verdade de p q↓ .

b) Expresse p q↓ em termos das conectivas , e ∧ ∨ ¬ .

c) Determine as proposições apenas constituídas pela conectiva ↓ que sejam

equivalentes a , e p p q p q¬ ∧ ∨ .

Page 32: Matematica linear e Algebra

Lógica

32

12. Expresse a proposição p q⇔ usando apenas os símbolos , e ∧ ∨ ¬ .

13. Mostre que ( )p q r ¬ ⇒ ∨ implica logicamente ( )p q¬ ⇒ .

14. Supondo que , ,p q r representam as seguintes sentenças:

p ≡ “ir ao Porto”

q ≡ “apanhar o comboio”

r ≡ “chover”

a) Traduza através de uma proposição lógica a seguinte afirmação “Não vou ao

Porto se não apanhar o comboio ou se chover”.

b) Admitindo que r assume o valor lógico falso diga, justificando, qual o valor lógico

da proposição ( ) ( )p q q r p ∧ ⇒ ¬ ∨ ⇒ ¬ .

c) Obtenha uma proposição logicamente equivalente à proposição da alínea

anterior, mas que contenha a penas os operadores de negação e disjunção.

15. Supondo que , ,p q r representam as seguintes sentenças

p ≡ “Tenho gripe”

q ≡ “Falto ao exame de Mat I”

r ≡ “Fico aprovado a Mat I”

a) Escreva em linguagem comum cada uma das seguintes proposições:

i. q r¬ ⇔

ii. ( ) ( )p q q r∧ ∨ ¬ ∧

iii. ( ) ( )p r q r⇒ ¬ ∨ ⇒ ¬

b) Verifique, formalmente, que a proposição ( ) ( )p r q r⇒ ¬ ∨ ⇒ ¬ é equivalente a

( )p q r∧ ⇒ ¬ .

Page 33: Matematica linear e Algebra

Lógica

33

16. Encontre, justificando, proposições onde figurem apenas os operadores de

conjunção e negação que sejam equivalentes a

a) ( )p q∨ ¬

b) ( )p q p∨ ∧ ¬

17. Considere a proposição composta ( ) ( )p q p q¬ ∨ ¬ ∨ ¬ ∧ .

a) Encontre uma proposição equivalente que use a implicação lógica.

b) Diga se a proposição corresponde a uma contradição ou a uma tautologia , ou

nem a uma coisa nem outra.

18. Sejam , , ,A B C D quatro conjuntos e suponha-se que \A B C D⊆ ∩ e seja x A∈ .

Mostrar que se x D∉ então x B∈ .

19. Suponha-se que x é um número real tal que 0x ≠ . Mostrar que se 3

2

5 1

6

x

xx

+=

+ então

8x ≠ .

20. Sejam , , ,a b c d números reais tais que 0 a b< < e 0d > . Provar que se ac bd> então

c d> .

21. Analise a validade dos seguintes argumentos:

a) Bom tempo é necessário para se conseguir um bom jardim. Como o jardim está

muito bonito o tempo tem estado bom.

b) Se hoje o tempo estiver bom amanhã faremos um piquenique. Mas hoje o tempo

não está bom, logo, amanhã não faremos um piquenique.

22. Supondo que , , e t c d f representam as seguintes sentenças:

t ≡ “ver televisão”

c ≡ “ir ao cinema”

d ≡ “ter dinheiro”

f ≡ “ir de férias”

Page 34: Matematica linear e Algebra

Lógica

34

Considere o seguinte argumento:

a1. E le vê televisão ou vai ao cinema;

a2. Se não tem dinheiro então não vai ao cinema;

a3. Uma condição suficiente para ir de férias é ter dinheiro;

a4. Ele não vê televisão;

a5. Logo, ele vai de férias!

a) Traduza através de proposições lógicas as afirmações anteriores.

b) Mostre se o argumento é valido.

23. Sendo e P Q os conjuntos de verdade de, respectivamente, ( ) ( ) e p x q x , determine

os conjuntos de verdade das fórmulas ( ) ( ) ( ) ( )( ), ,p x q x p x q x¬ ¬ ∧ ¬ , e interprete em

termos de conjuntos de verdade as fórmulas ( ) ( ) ( ) ( ) e p x q x p x q x⇒ ⇔ .

24. Escreva as frases que se seguem usando notação lógica na qual x designa um

gato e ( )p x significa “ x gosta de creme”.

a) Todos os gatos gostam de creme.

b) Nenhum gato gosta de creme.

c) Um gato gosta de creme.

d) Alguns gatos não gostam de creme.

25. Escreva a proposição negação da proposição apresentada.

a) Algumas pessoas gostam de matemática.

b) Todas as pessoas gostam de gelado.

c) Algumas pessoas são altas e magras

Page 35: Matematica linear e Algebra

Lógica

35

26. Considere a proposição

( ) ( )( ) ( ): , ,1 1x yQ t x v y x p x y∈ ∈

∀ ∀ ∧ ⇒ ¬ � �

tal que, ( ) ( ) ( )' ', , ' ', , ' '1 1 divide t x x v y x y x p x y x y≡ > ≡ = + ≡ e o domínio de

quantificação é o conjunto dos naturais 1� .

a) Averigúe, justificando, o valor lógico da interpretação seguinte

( ) ( )( ) ( ), ,1 2 1 1 2t v p ∧ ⇒ ¬ .

b) Diga, justificando, qual o valor lógico de Q .

27. Traduza em linguagem simbólica as proposições que se seguem, indicando as

escolhas que são apropriadas para os domínios correspondentes.

a) 2 4 0x − = tem uma raiz positiva.

b) Toda a solução da equação 2 4 0x − = é positiva.

c) Nenhuma solução da equação 2 4 0x − = é positiva.

d) Todos os estudantes que entendem lógica gostam dela.

28. Considere ( ) ( ) e j x t x os predicados “ x ouve o jogo de futebol” e “ x vai à aula de

Mat I”, respectivamente.

a) Usando lógica de predicados, exprima de forma conveniente as seguintes

afirmações:

i. Nem todas vão à aula de Mat I.

ii. Nem todos os que ouvem o jogo faltam à aula.

iii. Todos os que faltam à aula ouvem o jogo.

b) Sendo e J T os conjuntos de verdade de ( ) ( ) e j x t x , respectivamente, formule

em termos de conjuntos as três afirmações anteriores.

Page 36: Matematica linear e Algebra

Lógica

36

29. Sendo 0� o domínio da quantificação, indique quais das proposições que se

seguem são verdadeiras e quais são falsas.

a) ( )2 0x y x y∀ ∃ − =

b) ( )2 0y x x y∃ ∀ − =

c) [ ]10 9x yx y x y ∀ < ⇒ ∀ < ⇒ <

d) ( )100y z y z∃ ∃ + =

e) ( )100x y y x y x ∀ ∃ > ∧ + =

30. Negue a proposição “toda a gente tem um parente de quem não gosta” usando a

simbologia lógica.

Page 37: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

37

2 Teoria de Conjuntos

Um conjunto designa-se geralmente por uma letra maiúscula, reservando-se as letras

minúsculas para os seus elementos. A expressão simbólica

x A∈

significa que “ x é elemento de A ”. A negação de x A∈ representa-se simbolicamente

por

x A∉

E lê-se “ x não pertence a A ” (ou “ x não é elemento de A ”).

Um conjunto pode ser escrito em extensão (quando o número dos seus elementos for

finito e suficientemente pequeno) enumerando explicitamente todos os seus elementos

colocados entre chavetas e separados por vírgulas ou em compreensão, enunciando

uma propriedade caracterizadora dos seus elementos (isto é, uma propriedade que só

os seus elementos possuam).

Exemplo TC1

(1) Conjunto das vogais descrito em extensão,

{ }V= a,e,i,o,u

(2) Conjunto dos números naturais pares descrito em compreensão

{ }: para algum2 p p q qΡ = ∈ = ∈� �

Conjunto universal e conjunto vazio

Pareceria razoável que intuitivamente se considerasse como conjunto qualquer

colecção de objectos (reais ou imaginários). No entanto, tal atitude conduz a situações

paradoxais.

Se se adoptar a concepção intuitiva de conjunto então pode dizer-se que alguns

conjuntos são membros de si próprios enquanto que outros não o são. Um conjunto de

Page 38: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

38

elefantes, por exemplo, não é um elefante e, portanto, não é um elemento de si

próprio; no entanto, o conjunto de todas as ideias abstractas é, ele próprio, uma ideia

abstracta, pelo que pertence a si próprio. As propriedades “ser membro de si próprio” e

“não ser membro de si próprio” parecem ser propriedades perfeitamente adequadas

para definir conjuntos. Mas, como se verá estas propriedades conduzem à criação de

um paradoxo.

Suponha-se que se define o conjunto A como sendo o conjunto de todos os conjuntos

que não são membros de si próprio, isto é,

{ }:A = Χ Χ ∉ Χ .

Coloca-se a questão de saber se A é ou não elemento de si próprio. Se A não for

elemento de si próprio, A A∉ , então satisfaz a propriedade definidora de A e, portanto,

A A∈ ; se A pertence a si próprio, A A∈ então não satisfaz a propriedade definidora de

A e, portanto, A A∉ . De cada uma das possíveis hipóteses pode deduzir-se a sua

negação, o que constitui um paradoxo.

Para eliminar possibilidades deste tipo supor-se-á, de ora em diante, que os conjuntos

considerados são todos constituídos por elementos de um conjunto U suficientemente

grande, chamado conjunto universal ou universo do discurso.

Em Matemática há conjuntos que constituem muito frequentemente os universos do

discurso. Alguns exemplos, dos mais importantes, são:

{ }:x x=� é um número real

{ }: é um número racional x x=�

{ }: é um inteiro númerox x=�

{ }, , ,=� …1 2 3

Os símbolos ∅ ou { } usam-se para denotar o conjunto vazio (conjunto sem elementos)

que pode ser escrito em compreensão por { } { }: , :x x x x x x≠ ∅ = ≠ .

Page 39: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

39

Conjuntos finitos e conjuntos infinitos

Um conjunto diz-se finito se for possível contar os seus elementos, ou seja, se for o

conjunto vazio ou se for possível estabelecer uma correspondência bijectiva entre os

seus elementos e os elementos de um conjunto da forma { }, , , ,1 2 3 n… para algum n ∈� .

Dir-se-á infinito caso contrário. O conjunto dos números inteiros positivos inferiores a 100 é

um conjunto finito enquanto que o conjunto de todos os números inteiros positivos é um

conjunto infinito.

Se A for um conjunto finito, designar-se-á por cardinalidade de A o número dos seus

elementos, o qual se representa por card( A ) ou #A . Um conjunto com cardinalidade

igual a 1 diz-se singular.

Quando um conjunto é infinito, é impossível defini-lo em extensão; logo, se um conjunto

puder ser definido em extensão, então certamente será um conjunto finito.

Por vezes para definir certos conjuntos infinitos usa-se uma notação parecida com a

definição de um conjunto em extensão: é o caso de

{ }, , ,=� …1 2 3

Refira-se que as reticências representam a quase totalidade dos elementos de �

qualquer que seja o número de elementos que apareçam no início.

Igualdade de conjuntos

Dois conjuntos são iguais se e só se tiverem os mesmos elementos, denota-se por A B= .

Se todo o elemento de A for também elemento de B dir-se-á que o conjunto A está

contido no conjunto B , o que se denota por A B⊆ ; neste caso também se diz que A é

um subconjunto de B .

Para verificar se dois conjuntos são iguais basta verificar se todo o elemento de A é

elemento de B ( A B⊆ )e se todo o elemento de B é elemento de A ( )B A⊆ .

Reciprocamente se os conjuntos A e B forem iguais então ter-se-á A B⊆ e,

simultaneamente B A⊆ .

Page 40: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

40

Se A B⊆ e A B≠ dir-se-á que A é um subconjunto próprio ou uma parte própria de B e

escreve-se A B⊂ . De acordo com estas definições resulta que quaisquer que sejam os

conjuntos A e B

[ ], , se e só se e A A A A B A B B A∅ ⊆ ⊆ = ⊆ ⊆

Considere-se a prova de, por exemplo, A∅ ⊆ qualquer que seja o conjunto A . A única

forma de mostrar que esta inclusão não é falsa é verificar que ∅ possui um elemento

que não pertence a A ; ora como ∅ não possui elementos então esta relação verifica-

se sempre.

2.1 Operações com conjuntos

Sendo A e B dois conjuntos, denota-se por A B∪ a união (ou reunião) de A com B ,

que é o conjunto contituido pelos elementos de A e pelos elementos de B . Mais

geralmente, se , , ,1 2 nA A A… forem conjuntos então a sua união

{ }: , , ,n

i n i

i

A A A A x x A i n

=

= ∪ ∪ ∪ = ∈ =… …∪ 1 21

para algum 1 2

é o conjunto constituído pelos elementos que pertencem pelo menos a um dos

conjuntos , , , ,1 2iA i n= … .

A intersecção de dois conjuntos A e B , denota-se por A B∩ , é o conjunto cujos

elementos pertencem simultaneamente a A e B . Analogamente, se , , ,1 2 nA A A… forem

conjuntos então

{ }: , , , .n

i n i

i

A A A A x x A i n

=

= ∩ ∩ ∩ = ∈ =… …∩ 1 21

para todos 1 2

Page 41: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

41

Dois conjuntos A e B dizem-se disjuntos se e só se A B∩ = ∅ , isto é, se não possuírem

elementos comuns.

Dados conjuntos ,iA i I∈ , dizemos que eles são disjuntos dois a dois se quaisquer ,i j I∈ ,

com i j≠ , se tem i jA A∩ = ∅ .

A diferença de A e B é o conjunto \A B definido por

{ }\ : eA B x x A x B= ∈ ∉

ou seja, é o conjunto constituído pelos elementos de A que não pertencem a B . Se,

em particular, se fizer A = U , o universo do discurso, então o conjunto { }\ :B x x B= ∉U

dá-se o nome de conjunto complementar de B e denota-se por B ou cB .

Conjunto das partes de um conjunto

Podem construir-se conjuntos cujos elementos são eles próprios, no todo ou em parte,

conjuntos. Assim, por exemplo, a letra x , o conjunto { },a b , o conjunto { }∅ e o número 4

podem constituir um novo conjunto que é o seguinte

{ } { }{ }, , , , .4x a b ∅

Neste caso podemos dizer por exemplo que:

o x A∈

o { }x A⊆

o { },a b A∈

o { }{ },a b A⊆

Dado um conjunto arbitrário, é possível construir novos conjuntos cujos elementos são

partes do conjunto inicial. Em particular, sendo A um conjunto qualquer, denota-se por

( )AP o conjunto constituído por todos os subconjuntos (próprios ou impróprios) de A ,

isto é,

( ) { }: .A A= Χ Χ ⊆P

Page 42: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

42

Se A é finito tem-se ( )( ) ( )cardCard 2 AA =P .

O produto cartesiano de A por B , designa-se por A B× e é dado por

( ){ }, :A B a b a A b B× = ∈ ∧ ∈ .

Analogamente, podemos considerar o produto cartesiano de n conjuntos:

( ){ }, , , :1 2 1 2 1 1 2 2n n n nA A A a a a a A a A a A× × × = ∈ ∧ ∈ ∧ ∧ ∈… … …

Por definição, nA A A A= × × ×… .

Se , , ,1 2 nA A A… são conjuntos finitos, então

( )1 2 1 2card card card cardn nA A A A A A× × × = × × ×… … .

Exemplo TC2

Se { }, ,A a b c= então ( ) { } { } { } { } { } { } { }{ }, , , , , , , , , , , ,A a b c a b a c b c a b c= ∅P é o conjunto das

partes de A , com cardinalidade igual a 8.

Teorema (Propriedade Distributiva)

Sendo , ,A B C três conjuntos arbitrários, ter-se-á:

a) ( ) ( ) ( )A B C A B A C∩ ∪ = ∩ ∪ ∩

b) ( ) ( ) ( )A B C A B A C∪ ∩ = ∪ ∩ ∪

Teorema (Leis de Morgan)

Sendo A e B dois conjuntos arbitrários, ter-se-á:

a) ( )A B A B∩ = ∪

b) ( )A B A B∪ = ∩

Page 43: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

43

Page 44: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

44

Page 45: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

45

Exercícios– Teoria de Conjuntos

1. Mostra que se A for um subconjunto do conjunto vazio então =A ∅.

2. Dado um conjunto arbitrário A ,

a) Será A elemento do conjunto { }A ?

b) Será { }A elemento do conjunto { }A ?

c) Será { }A um subconjunto de { }A

3. Seja { }{ }321 ,,=A . Quais das afirmações seguintes são verdadeiras?

a) A∈1 ;

b) {} A∈1 ;

c) {} A⊆1 ;

d) A∈3 ;

e) { } A∈3 ;

f) { } A⊆3 ;

g) { }{ } A⊆3 ;

h) ∅ A∈ ;

i) ∅ A⊆ ;

4. Descreva em compreensão os conjuntos seguintes:

{ }…,,,, 2015105=A

{ }…,,,, 3727177=B

{ }400399302301300 ,,,,, …=C

{ }…,,,,,,, 49362516941=D

{ }…,,,,, 1618141211=E

5. Indique quais dos conjuntos que se seguem são iguais:

{ }211 ,,−=A

{ }1, 2,1B = −

Page 46: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

46

{ }210 ,,=C

{ }2112 −−= ,,,D

{ }14 22 === xouxxE :

6. Determine em extensão os seguintes conjuntos:

{ }{ }32102 ,,,: ∈−= xxxA

( ){ }01 INnBn ∈−= :

{ }xxINxC 132220 =+∈= :

( )( ){ }11210 <++∈= xxINxD :

7. Diga quais dos seguintes conjuntos que se seguem são finitos e quais são infinitos:

a) O conjunto das linhas do plano que são paralelas ao eixo dos 'xx .

b) O conjunto das letras do alfabeto.

c) O conjunto dos múltiplos de 5.

d) O conjunto dos animais existentes na Terra.

e) O conjunto das raízes da equação 01921742 5182338 =+−−+ xxxx .

f) O conjunto das circunferências centradas na origem.

8. Determine quais dos conjuntos seguintes são iguais:

{ }ZnnA ∈+−= :1

{ }ZmmB ∈+= :22

ZC =

{ }ZppD ∈+−= :22

{ }ZqE q ∈= :5

{ }ZrrF ∈= :2

{ }ZsG s ∈= +− :15

Page 47: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

47

9. Qual é a cardinalidade dos seguintes conjuntos:

{ } { }{ } { } {} {}{ }111121 ,,,,,,,, ∅∅∅

10. Determine a cardinalidade do conjunto

≤∧∈= 10qpINqpq

pS ,,:

11. Seja { }9876543210 ,,,,,,,,,=U o conjunto universal. Dados os conjuntos { }7531 ,,,=A ,

{ }65432 ,,,,=B e { }86420 ,,,,=C , defina em extensão os conjuntos

( ) ( ) ( )( ) UCABACBA

CABACBACBCBBA

,,,,

,,,,

∩∅∩∅∪∪∩

∩∪∩∪∩∪∪∩

12. Sejam CBA ,, três conjuntos quaisquer contidos no universo U. Verifique as seguintes

igualdades:

a) UAA =∪

b) ∅=∩ AA

c) ABA ⊆∩

d) ABA ⊇∪

e) AA =

f) BABA ∩=\

13. Em que circunstâncias são verdadeiras as igualdades que se seguem:

BABA ∩=∪

ABA =∩

BBA =∩

( ) ABBA =∩∪

( ) BABBA ∪=∪∩

14. O facto de ser DBA =∪ implica que seja ABD =\ ? Se não, o que pode concluir-se

do facto de ser DBA =∪ e ABD =\ ?

Page 48: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

48

15. Sejam A e B dois subconjuntos do universo { }654321 ,,,,,=U tais que

{ } { } { }2134321 ,\,,,,, ==∩=∪ BABABA

Determine BA, e AB \ .

16. Verifique, justificando, se as afirmações seguintes são verdadeiras ou falsas.

a) Se CA ⊆ e CB ⊆ então CBA ⊆∪ .

b) Se AC ⊆ e BC ⊆ então BAC ∩⊆ .

c) Se BA ⊆ e CB ⊆ então CA ⊆ .

d) Se BA ⊄ e CB ⊆ então CA ⊄ .

e) Se CBCA ∩=∩ então BA = .

17. Determinar o conjunto das partes do conjunto

I. {}1=A

II. { }21,=B

III. { }321 ,,=C

18. Sendo { }4321 ,,,=M determinar { }∅∉∈ xMx : . Quantos elementos terá o conjunto

das partes de M ?

19. Descrever os elementos do conjunto ( )( )( )∅P P P onde ( )∅P designa o conjunto

das partes do conjunto vazio ∅.

20. Sejam os conjuntos { }{ }baA ,= e { }{ }babaB ,,,= . Determine:

a) BA ∩

b) BA ∪

c) ( )AP (conjunto das partes de A )

d) ( )B A∩P

Page 49: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

49

21. Determinar o conjunto das partes do conjunto das partes do conjunto { }a .

22. Dados dois conjuntos A e B . Verifique que:

a) ( ) ( ) ABABA =∩∪∩

b) ( ) BABA ∪=\

23. Usando um diagrama de Venn apropriado verifique:

a) A demonstração do teorema da propriedade distributiva;

b) A demonstração do teorema das Leis de Morgan.

24. Sendo RQP ,, três conjuntos, indicar quais das afirmações que se seguem são

verdadeiras.

a) Se P é um elemento de Q e Q é um subconjunto de R , então P é um elemento

de R .

b) Se P é um elemento de Q e Q é um subconjunto de R , então P é também um

subconjunto de R .

c) Se P é um subconjunto de Q e Q é um elemento de R , então P é um elemento

de R .

d) Se P é um subconjunto de Q e Q é um elemento de R , então P é um

subconjunto de R .

25. Sendo RQP ,, três conjuntos, provar:

a) ( ) ( )\ \ \P Q R P Q R= ∪

b) ( ) ( )\ \ \ \P Q R P R Q=

c) ( ) ( ) ( )\ \ \ \ \P Q R P R Q R=

Page 50: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

50

26. Chama-se diferença simétrica de dois conjuntos A e B ao conjunto constituído

pelos elementos que pertencem a A ou a B , mas não a ambos simultaneamente.

a) Denotando por BA ⊕ a diferença simétrica de A e B , mostrar que

( ) ( ) ( ) ( )BABAABBABA ∩∪=∪=⊕ \\\ .

b) Representar num diagrama de Venn a diferença simétrica de dois conjuntos A e

B quaisquer.

c) Se a diferença simétrica entre dois conjuntos quaisquer A e B for igual ao

conjunto A que poderá dizer a respeito de A e B ?

d) Verifique se as igualdades seguintes são verdadeiras ou falsas.

I. AAA =⊕

II. ( ) AAAA =⊕⊕

27. Sendo , ,A B C três conjuntos quaisquer, analise em termos lógicos, usando

quantificadores, a proposição “se A B⊆ então \ e A C B são disjuntos”.

Page 51: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

51

Page 52: Matematica linear e Algebra

Teoria de Conjuntos

52

Page 53: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

53

3 Relações e Funções

3.1 Produto cartesiano de conjuntos

Os conjuntos { },a b , { },b a e { }, ,a b a são iguais porque têm os mesmos elementos; a

ordem pela qual se escrevem os elementos é irrelevante, assim como não tem qualquer

significado que um elemento apareça escrito uma só vez ou várias vezes. Em

determinadas situações, é necessário distinguir conjuntos com os mesmos elementos

colocados por ordens diferentes ou conjuntos nos quais um mesmo elemento aparece

mais que uma vez.

Definição

Sejam A e B dois conjuntos não vazios. Chama-se produto cartesiano de A por B , e

representa-se por A B× , ao conjunto de todos os pares ordenados ( ),a b tais que a A∈ e

b B∈ , ou seja,

( ){ }, :A B a b a A b B× = ∈ ∧ ∈ .

No caso particular em que se tem A B= obtém-se o conjunto

( ){ }, ' : , '2A a a a a A= ∈

Designado por quadrado cartesiano de A .

O conceito de produto cartesiano pode ser estendido a mais de dois conjuntos. Assim, o

produto cartesiano de n conjuntos , , ,1 2 nA A A… , denotado por 1 2 nA A A× × ×… é definido

por

( ){ }, , , :1 2 1 2 1 1 2 2n n n nA A A x x x x A x A x A× × × = ∈ ∧ ∈ ∧ ∧ ∈… … …

Page 54: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

54

Se, em particular, se tiver 1 2 nA A A A= = = =… obtém-se

( ){ }, , : , , ,1 2 1 para todo 1 2nn n iA A A A x x x A i n× × × = = ∈ =… … …

que é a potência cartesiana de ordem n do conjunto A .

Definição

Chama-se relação binária de A para B a todo o subconjunto não vazio R do produto

cartesiano A B× . Se, em particular, for A B= então R diz-se uma relação binária

definida em A .

Exemplo RF1

Sejam dados os conjuntos { }, ,1 2 3A = e { },B r s= . Então

( ) ( ) ( ){ }, , , , ,1 2 3r s r=R

é uma relação de A para B .

Exemplo RF2

Sejam A e B conjuntos de números reais. A relação R (de igualdade) define-se da

seguinte forma

se e só se a b a b=R

para todo o a A∈ e todo o b B∈ .

Exemplo RF3

Seja dado o conjunto { }, , , ,1 2 3 4 5A B= = . Definindo a relação R (menor que) em A :

se e só se a b a b<R

então ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,1 2 1 3 1 4 1 5 2 3 2 4 2 5 3 4 3 5 4 5=R .

Page 55: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

55

Definição

Dada uma relação R do conjunto A para o conjunto B chama-se domínio e

contradomínio de R, respectivamente, aos conjuntos assim definidos:

( ) ( ){ }( ) ( ){ }

: ,

: ,

x A y y B x y

y B x x A x y

= ∈ ∃ ∈ ∧ ∈

= ∈ ∃ ∈ ∧ ∈

R R

R R

D

I

No exemplo RF3 ( ) { }

( ) { }, , ,

, , ,

=

=

1 2 3 4

2 3 4 5

D

I

R

R

3.2 Partições e relações de equivalência

Seja A um conjunto não vazio. Chama-se partição de A a uma família AP de

subconjuntos não vazios de A tais que:

1. cada elemento de A pertence a um e um só conjunto de AP .

2. Se 1A e 2A forem dois elementos distintos da partição AP então

1 2A A∩ = ∅ .

Os elementos de AP são designados por blocos ou células da partição

Exemplo RF4

Seja dado o seguinte conjunto { }, , , , , , ,A a b c d e f g h= e considerem-se os seguintes

subconjuntos de A :

{ }, , ,1A a b c d= , { }, , , , ,2A a c e f g h=

{ }, , ,3A a c e g= , { },4A b d= , { },5A f h=

Então { },1 2A A não é uma partição de A visto que 1 2A A∩ ≠ ∅ ; { },1 5A A também não é

uma partição visto que e A e A∉ ∉1 5e . A família { }, ,3 4 5A A A A=P é uma partição de A .

Page 56: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

56

Definição

Seja A um conjunto não vazio e R uma relação binária definida em A . A relação

2A⊆R dir-se-á uma relação de equivalência em A se satisfazer as seguintes

propriedades:

a) Reflexividade: [ ]a a A a a∀ ∈ ⇒ R

b) Simetria: [ ],a b A a b b a∀ ∈ ⇒R R

c) Transitividade: [ ], ,a b c A a b b c a c ∀ ∈ ∧ ⇒ R R R

Sendo A um conjunto e 2A⊆R uma relação de equivalência chama-se classe de

equivalência que contém o elemento a A∈ ao conjunto , denotado geralmente por

[ ]a , definido por

[ ] ( ){ }: ,a x A x a= ∈ ∈R

onde o elemento a A∈ diz-se representante da classe.

Teorema

Seja R uma relação de equivalência definida num conjunto A . Então:

(1) Cada elemento de A pertence à sua classe de equivalência, isto é, [ ]a a∈ ,

qualquer que seja a A∈ ;

(2) A reunião de todas as classes de equivalência é o conjunto A , isto é,

[ ]a A a A∈∪ = ;

(3) Dados dois elementos ,a b A∈ ter-se-á a bR quando e só quando a e b

pertencerem à mesma classe de equivalência, isto é,

[ ] [ ],a b A a b a b ∀ ∈ ⇔ = R

(4) As classes de equivalência de dois elementos a e b de A para as quais é falsa

a proposição a bR são disjuntas, isto é,

( ) [ ] [ ],a b A a b a b ∀ ∈ ¬ ⇒ ∩ = ∅ R

Page 57: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

57

Definição

Seja A um conjunto e R uma relação de equivalência em A . Chama-se conjunto

quociente de A por R, e denota-se por A R , ao conjunto de todas as classes de

equivalência determinadas em A por R,

[ ]{ }:A a a A= ∈R

Teorema

Seja P uma partição de um conjunto não vazio de A e R a relação definida em A por

e pertencem ao mesmo bloco de a b a b⇔R P . Então R é uma relação de equivalência.

Exemplo RF5

Seja dado o conjunto { }, , ,1 2 3 4A = e considere-se a partição { } { }{ }, , ,1 2 3 4=P .

Determinar a relação de equivalência determinada em A pela partição P.

Visto que os blocos de P são { }, ,1 2 3 e { }4 , então

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,11 1 2 1 3 2 1 2 2 2 3 3 1 3 2 3 3 4 4=R

É a relação de equivalência induzida em A pela partição P.

3.3 Relações de ordem

Seja A um conjunto não vazio e 2A⊆R uma relação binária qualquer definida em A .

Para indicar que o par ordenado ( ), 2a b A∈ pertence à relação R escreve-se também

frequentemente a bR , ou seja,

( ),a b a b⇔ ∈R R

quaisquer que sejam ,a b A∈ .

Page 58: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

58

Exemplo RF6

Se { }, , , , ,0 1 2 3 4 5A = ⊂ � e R for a relação ≤ usual em � , então

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )}

, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 11 1 2 1 3 1 4 1 5

2 2 2 3 2 4 2 5 3 3 3 4 3 5 4 4 4 5 5 5

≤=

e escreve-se ( ),a b a b≤ ⇔ ∈≤ quaisquer que sejam ,a b A∈ .

Definição

Chama-se relação de ordem definida no conjunto A a uma relação binária 2A⊆R

com as seguintes propriedades:

(1) Reflexividade: [ ]a a A a a∀ ∈ ⇒ R

(2) Anti-simetria: [ ],a b A a b b a a b ∀ ∈ ∧ ⇒ = R R

(3) Transitividade: [ ], ,a b c A a b b c a c ∀ ∈ ∧ ⇒ R R R

Se adicionalmente, R satisfizer a proposição

(4) Dicotomia: [ ], ,a b a b A a b b a ∀ ∈ ⇒ ∨ R R

dir-se-á uma relação de ordem total. Se R não for uma relação de ordem total também

se designa, por vezes, relação de ordem parcial.

Exemplo RF7

1. Seja A a família de conjuntos. A relação em A definida por “ A é um

subconjunto de B ” é uma ordem parcial.

2. Seja A um subconjunto qualquer de números reais. A relação ≤ em A é uma

relação de ordem total – é a chamada ordem natural.

3. A relação R definida em � por “ se e só se é múltiplo de x y x yR ” é uma relação

de ordem parcial em � .

Definição

Seja R uma relação de ordem definida em A ; a relação *2

A⊂R definida por

[ ], *a b A a b a b a b ∀ ∈ ⇔ ∧ ≠ R R

diz-se uma relação de ordem estrita definida em A .

Page 59: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

59

Definição

Chama-se conjunto ordenado a um par ordenado ( ),A R onde A é um conjunto não

vazio e R uma relação de ordem (parcial ou total) em A .

Se, para ,a b A∈ se tiver a bR dir-se-á que b domina a ou que a precede b .

Seja R uma relação de ordem num conjunto A . Então a relação inversa R-1, definida

por

1a b b a

− ⇔R R

quaisquer que sejam os elementos ,a b A∈ , é também uma relação de ordem.

Elementos extremais de um conjunto ordenado

Sendo ( ),A ≤ um conjunto (total ou parcialmente) ordenado dá-se o nome de máximo

de A ao elemento a A∈ , se existir, tal que

[ ]x x A x a∀ ∈ ⇒ ≤

ou seja, a é o máximo de A se dominar todos os outros elementos de A .

Note-se que se a ordem ≤ não for total pode acontecer que não exista um elemento

a A∈ comparável com todos os elementos x A∈ nos termos acima indicados: neste

caso A não possuirá máximo.

Um elemento a A∈ diz-se maximal de ( ),A ≤ se se verificar a condição

[ ]x A a x x a∀ ∈ ≤ ⇒ =

ou equivalentemente,

[ ]x A a x x a¬∃ ∈ ≤ ∧ ≠ .

Isto é, a A∈ é um elemento maximal de ( ),A ≤ se não existir nenhum outro elemento em

A que o domine estritamente.

Page 60: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

60

Chama-se mínimo de A ao elemento b A∈ , se existir, que satisfaz a condição

[ ]x x A b x∀ ∈ ⇒ ≤

ou seja, b é o mínimo de A se preceder todos s outros elementos de A . Tal como no

caso anterior um conjunto ordenado pode não possuir mínimo.

Um elemento b A∈ diz-se minimal se verificar a condição

[ ]x A x b x b∀ ∈ ≤ ⇒ =

ou equivalentemente,

[ ]x A x b x b¬∃ ∈ ≤ ⇒ ≠ .

Isto é, b A∈ é um elemento minimal de ( ),A ≤ se não existir nenhum outro elemento de

A que o preceda estritamente.

Exemplo RF8

O conjunto { }: 0 1A x x= ∈ < <� não possui máximo nem mínimo nem possui elementos

maximais nem minimais.

Teorema

Seja A um conjunto ordenado pela relação de ordem (parcial ou total) ≤ . Se a A∈ é

máximo então a é um elemento maximal e é o único elemento maximal de A . Se b A∈

é mínimo então b é um elemento minimal e é único elemento minimal de A .

Definição

Seja ( ),A ≤ um conjunto ordenado. Chama-se cadeia de A a um conjunto de A que é

totalmente ordenado por ≤ .

Page 61: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

61

Definição

Seja A um conjunto totalmente ordenado pela relação ≤ . Dir-se-á que ≤ é uma boa

ordem ou que A é bem ordenado por ≤ se todo o subconjunto não vazio de A possuir

mínimo.

3.4 Funções

Definição

Seja f A B⊂ × uma relação de A para B . Se, para todo o x A∈ existir um e um só y B∈

tal que ( ),x y f∈ dir-se-á que f é uma aplicação (ou função) de A em B ; para

significar que f é uma aplicação de A em B costuma escrever-se

:f A B→

e, neste caso, escreve-se ( )y f x= dizendo que y B∈ é a imagem por f de x A∈ .

Dada um aplicação :f A B→ , ao conjunto A também se dá o nome de domínio de f

e representa-se por ( ) ff ≡D D (ou, mais simplesmente, por D ).

O conjunto ( ) ( ) ( ){ }:f f A y B x x A y f x ≡ = ∈ ∃ ∈ ∧ = I designa-se por contradomínio da

aplicação f . Se ( )f A B= dir-se-á que f é uma aplicação sobrejectiva (ou aplicação

sobre B ) ; a aplicação :f A B→ diz-se injectiva (ou únivoca) se cada elemento de

( )f A for imagem de um só elemento de A , isto é, f é injectiva se e só se

( ) ( ), ' , ' ' 'x x x x A x x f x f x ∀ ∈ ⇒ ≠ ⇒ ≠

o que significa que elementos distintos de A têm necessariamente imagens por f

diferentes em ( )f A B⊂ . Se a aplicação :f A B→ for simultaneamente injectiva e

sobrejectiva diz-se que f é uma aplicação bijectiva.

Page 62: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

62

Duas aplicações ,f g são iguais, escrevendo-se f g= , se e só se forem satisfeitas as

duas condições seguintes

(1) f g= ≡D D D ;

(2) ( ) ( )x x f x g x ∀ ∈ ⇒ = D .

Sejam , ,A B C três conjuntos não vazios e :f A B→ e :g B C→ duas aplicações de A

em B e B em C , respectivamente. Chama-se aplicação composta de g com f à

aplicação

:gof A C→

definida por ( ) ( )( )gof x g f x C= ∈ .

Teorema

A composição de aplicações é associativa.

Definição

Dado um conjunto A chama-se aplicação identidade em A à aplicação :A A A→id

definida por

( )A x x=id

qualquer que seja x A∈ .

Teorema

Se :f A B→ for uma aplicação bijectiva a correspondência recíproca, que a cada

y B∈ associa ( )1f y− , o único elemento do conjunto { }( )1f y− , é uma aplicação

bijectiva e ,1 1B Afof f of− −= =id id .

A aplicação :1f B A− → é chamada aplicação inversa ou recíproca de :f A B→ .

Page 63: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

63

Teorema

Sendo :f A B→ uma aplicação arbitraria então of f=B

id e fo f=A

id .

Seja a aplicação :f A B→ e E uma parte de A . Chama-se imagem de E por f e

representa-se por ( )f E ao conjunto

( ) ( ){ }:f E y B x x E y f x = ∈ ∃ ∈ ∧ =

podendo também escrever-se

( ) ( ){ }:f E f x B x E= ∈ ∈ .

Se F for uma parte de B , chama-se imagem recíproca ou inversa de F e representa-

se por

( ) ( ){ }:1

f F x A y y F y f x− = ∈ ∃ ∈ ∧ =

podendo também escrever-se equivalentemente

( ) ( ){ }:1f F x A f x F− = ∈ ∈ .

Page 64: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

64

Page 65: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

65

Exercícios – Relações e Funções

1. Seja { }, ,1 2 3A = . Para cada uma das relações R indicadas a seguir, determine os

elementos de R, o domínio e o contradomínio de R e, finalmente, as propriedades

(de reflexividade, simetria, anti-simetria , transitividade e dicotomia) que possui R:

a) R é a relação < em A .

b) R é a relação ≥ em A .

c) R é a relação ⊂ em ( )AP .

2. Considere o conjunto { }, , , ,S a b c d e= .

a) Para a relação de equivalência ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }, , , , , , , , , , , , ,2

a a b b c c d d e e a c c a S= ⊆R ,

determine o conjunto [ ]a .

b) Indique os pares ordenados da relação de equivalência induzida em S pela

partição { } { }{ }, , , ,a b c d e

3. Seja R uma relação num conjunto não vazio A . Sendo x A∈ define-se a classe R de

x , denotada por [ ]xR

, por [ ] { }:x y A y x= ∈R

R .

Sendo { }, , ,1 2 3 4A = e ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }, , , , , , , , , , ,1 2 1 3 2 1 11 2 3 4 2=R determinar [ ]1R

, [ ]2R

, [ ]3R

e [ ]4R

.

4. Mostre que a relação ~ em � definida por ~ sse 2 para algum em x y x y k k− = � é

uma relação de equivalência e determine [ ]~

3 .

5. Seja R uma relação de para A B e S uma relação de para B C . Então a relação

composta oS R é a relação constituída por todos os pares ordenados ( ),a c tais que

( ) ( ), , e a b b c∈ ∈R S .

Page 66: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

66

Sendo { } { } { } ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,1 2 3 4A p q r s B a b C p a p b q b r a s a= = = =R e

( ) ( ) ( ){ }, , , , ,1 2 4a a b=S determine oS R .

6. Seja R a relação no conjunto { }, , , , , ,1 2 3 4 5 6 7A = definida por ( ) ( ),a b a b∈ ⇔ −R é

divisível por 4. determinar R e 1−R .

7. Seja R a relação definida em { }, , , ,2 2 3 4 5=� … por ( ), a b a∈ ⇔R é divisor de b .

a) Estude R quanto à reflexividade, simetria, anti-simetria e transitividade.

b) Determinar todos os elementos minimais e maximais do conjunto 2� ordenado

pela relação R.

8. Diga quais das relações que se seguem são equivalências e, nesses casos, indique o

correspondente conjunto quociente.

a) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }, , , , , , , , , , ,11 2 2 3 3 4 4 1 3 3 1

b) ( ) ( ) ( ) ( ){ }, , , , , , ,1 2 2 2 3 3 4 4

c) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }, , , , , , , , , , ,11 2 2 1 2 2 1 3 3 4 4

9. Seja { } { }, , , , , , , ,1 2 3 4 5 1 2 3 4 5A = × , e seja R definida em A por

( ) ( ), ,1 1 2 2 1 1 2 2x y x y x y x y⇔ + = +R

a) Verifique que R é uma relação de equivalência em A .

b) Determine as classes de equivalência ( ) ( ) ( ), , , ,1 3 2 4 e 11 .

c) Determine a partição de A induzida por R.

10. Considere a relação 2⊆ �R , tal que, ,a b∀ ∈� ,

( ) se a b a b−R é um número inteiro não negativo par.

Page 67: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

67

a) Verifique que R define uma relação de ordem em � .

b) R é uma relação de ordem total? Justifique.

11. Seja { }, , , , ,1 2 3 4 5 6A = e :f A A→ a função definida por

( )1 se 6

1 se 6

x xf x

x

+ ≠=

=

a) Determinar ( ) ( ) ( ) ( )( ), ,3 6 3 e 2f f fof f f .

b) Mostrar que f é injectiva.

12. Mostrar que a função :f →� � dada por ( ) 3f x x= é injectiva e sobrejectiva

enquanto que a função :g →� � dada por ( ) 2 1g x x= − não é injectiva nem

sobrejectiva.

13. Sendo � o conjunto dos números naturais e :f →� � a função definida por

( ) 2 5f n n= + , mostre que f é injectiva e determinar a função inversa. Será f

sobrejectiva? E a função inversa será sobrejectiva?

14. Seja { } { } { }, , , Y , , , , , , e 1 2 3 4p q r a b c dΧ = = Ζ = e sejam : Yg Χ → definida pelo conjunto

dos pares ordenados ( ) ( ) ( ){ }, , , , , : Y e p a q b r c f → Ζ definida pelo conjunto de pares

ordenados ( ) ( ) ( ) ( ){ }, , , , , , ,1 1 2 3a b c d . Escreva a função composta fog sob a forma de

um conjunto de pares ordenados.

15. Se ( ) ( ) e e f x ax b g x cx d fog gof= + = + = , determine uma equação que relacione a

constantes , , ,a b c d .

Page 68: Matematica linear e Algebra

Relações e Funções

68

Page 69: Matematica linear e Algebra

Matrizes

69

Parte II –Álgebra Linear

1 Matrizes

1.1 Conceitos e definições

Definição

Uma matriz m n× é uma tabela rectangular de números, chamados escalares, com m

linhas e n colunas.

Seja A uma matriz m n× , sendo o elemento da i-ésima linha e j-ésima coluna denotado

por ija . Assim :

11 12 1

21 22 2

1 2

n

nij

m m mn

a a a

a a aA a

a a a

= =

� � �

Cada ija K∈ , onde K é um corpo e representa-se ( )m nA M K×∈ .

Vamos considerar unicamente as matrizes cujos escalares são números reais ou seja

K = � (matrizes reais) ( )m nA M ×∈ � .

Definição

Se m n= a matriz diz-se quadrada.

Exemplo M1

1 3

5 0A

−=

Se 1m = a matriz chama-se matriz linha.

Exemplo M2

[ ]1 0 5 6B = −

Se 1n = a matriz chama-se matriz coluna.

Page 70: Matematica linear e Algebra

Matrizes

70

Exemplo M3

2C

π

=

Se todos os elementos são nulos, a matriz chama-se matriz nula.

Exemplo M4

O =

000

000

Uma matriz quadrada de ordem n cujos elementos são todos iguais a zero, excepto

pelo menos um dos elementos da diagonal principal (elementos ija em que i j= )

chama-se matriz diagonal.

Exemplo M5

A= diag (5, 5, 3) =

300

050

005

Uma matriz diagonal de ordem n cujos elementos da diagonal são todos iguais a um,

chama-se matriz identidade e denota-se por nI .

Exemplo M6

=

100

010

001

I3

Uma matriz quadrada de ordem n em que todos os elementos abaixo da diagonal

principal são nulos, 0ija = para i j> , chama-se matriz triangular superior.

Exemplo M7

5 0 2

0 5 0

0 0 3

A

=

Uma matriz quadrada de ordem n em que todos os elementos acima da diagonal

principal são nulos, 0ija = para i j< , chama-se matriz triangular inferior.

Page 71: Matematica linear e Algebra

Matrizes

71

Exemplo M8

5 0 0

1 2 0

8 3 3

A

= − −

Uma matriz diz-se escalonada se se verificar as seguintes condições: todas as linhas

contendo apenas zeros devem estar na base da matriz; e a primeira entrada não nula

de cada linha deve estar à direita da primeira entrada não nula da linha anterior.

Exemplo M9

5 1 0 5 2

0 0 2 20 1

0 0 0 5 1

0 0 0 0 0

A

=

Uma matriz diz-se que está na forma canónica reduzida por linhas se for uma matriz

escalonada e se verificar as seguintes condições adicionais: a primeira entrada não

nula de cada linha é 1 e este 1 é o único elemento não nulo na sua coluna.

Exemplo M10

1 3 0 0 0

0 0 1 0 0

0 0 0 1 0

0 0 0 0 1

A

=

Definição

Uma matriz ( )ijB b= de ordem n m× , cujos elementos são dados por ij jib a= , é chamada

matriz transposta de A , e escreve-se ( )T TijA a= .

Seja A uma matriz quadrada de ordem n . A diz-se simétrica se e só se TA A= .

Definição

Seja A uma matriz quadrada de ordem n . Se existir uma matriz B tal que nAB BA I= = ,

diz-se que A é invertível ou não singular. À matriz B chama-se matriz inversa de A e

denota-se por 1A− . Se A não tem inversa diz-se não invertível ou singular.

Page 72: Matematica linear e Algebra

Matrizes

72

Seja A uma matriz quadrada de ordem n . A diz-se ortogonal se e só se T TnAA A A I= = .

1.2 Operações com matrizes

1.2.1 Adição de Matrizes e Multiplicação por Escalar

Sejam A e B duas matrizes com o mesmo tipo, isto é, o mesmo número de linhas e

colunas: ( ), m nA B M ×∈ � .

11 12 1

21 22 2

1 2

n

nij

m m mn

a a a

a a aA a

a a a

= =

� � �

11 12 1

21 22 2

1 2

n

nij

m m mn

b b b

b b bB b

b b b

= =

� � �

Seja C a matriz soma de A com B , C A B= + , então C é a matriz cujos elementos são

dados por ij ij ijc a b= + .

Ou seja,

( )11 11 12 12 1 1

21 21 22 22 2 2

1 1 2 2

n n

n nij ij

m m m m mn mn

a b a b a b

a b a b a bA B a b

a b a b a b

+ + + + + + + = + =

+ + +

� � �

O produto de um escalar k , pela matriz A , denota-se por kA , é a matriz obtida

multiplicando cada elemento de A por k , ( )ijkA ka= .

Ou seja,

( )11 12 1

21 22 2

1 2

n

nij

m m mn

ka ka ka

ka ka kakA ka

ka ka ka

= =

� � �

Page 73: Matematica linear e Algebra

Matrizes

73

Definição

� ( )1 ijA A a− = − ⋅ = −

� ( ) ( ) ( )ij ij ij ijA B A B a b a b − = + − = + − = −

Teorema M1

Sejam ( ), , m nA B C M ×∈ � , O , a matriz nula do tipo m n× e sejam 1k e 2k escalares, então

as seguintes condições são válidas:

a) ( ) ( )A B C A B C+ + = + +

b) A O A+ =

c) A B B A+ = +

d) ( )k A B k A k B+ = +1 1 1

e) ( )1 2 1 2k k A k A k A+ = +

f) ( ) ( )1 2 1 2k k A k k A⋅ =

g) A A A O⋅ = ⋅ =1 e 0

Demonstração

Exercício �

1.2.2 Multiplicação de matrizes

Para multiplicar duas matrizes A e B , e se A é do tipo m h× então B tem de ser do tipo

h n× , ou seja o número de colunas de A tem de ser igual ao número de linhas de B . O

produto irá ser uma matriz do tipo m n× .

A matriz C AB= , produto de A por B , é a matriz cujos elementos são dados por

.1

h

ij ik kj

k

c a b

=

=∑ .

Page 74: Matematica linear e Algebra

Matrizes

74

Exemplo M11

,A B AB

××

× + × + × × + × + ×

− × + × + × − × + × + × − − = = = = × + × + × × + × + × × + × + × × + × + ×

4 24 2

5 6 2 5 2 6 0 2 0 5 5 6 8 2 1 10 752 5

-1 0 3 1 2 0 0 3 0 1 5 0 8 3 1 2 2Se e 0 8 então

5 6 0 5 2 6 0 0 0 5 5 6 8 0 1 10 730 1

2 5 0 2 2 0 5 0 0 2 5 5 8 0 1 4 50

Teorema M2

Sejam ( ) ( ) ( ), ' , , ' ,p n n q q rA A M B B M C M× × ×∈ ∈ ∈� � � , então as seguintes igualdades são

válidas:

a) ( ) ( )AB C A BC=

b) ( )' 'A B B AB AB+ = +

c) ( )' 'A A B AB A B+ = +

d) ( ) ( ) ( ):k k AB kA B A kB∀ ∈ = =�

e) p nI A A AI= =

Demonstração

Exercício �

Teorema M3

Sejam ( ) ( ), ' ,p n n qA A M B M× ×∈ ∈� � . Então:

a) ( )' 'T T T

A A A A+ = +

b) ( )T T TAB B A=

c) Tn nI I=

d) ( )TT

A A=

Demonstração

Exercício �

Page 75: Matematica linear e Algebra

Matrizes

75

Teorema M4

Sejam ( ), nA B M∈ � , matrizes não singulares. Então:

a) A inversa de A é única.

b) ( ) 11A A

−− =

c) ( ) ( )1 1 TTA A

− −=

d) ( ) 1 1 1AB B A

− − −=

Demonstração

Exercício �

Nota

A multiplicação de matrizes não goza da propriedade comutativa. Quando se tem

AB BA= , as matrizes dizem-se comutáveis.

1.3 Equivalência por linhas e Operações elementares por linhas

Definição

Diz-se que a matriz A é equivalente por linhas a uma matriz B se pode ser obtida por

uma sequência finita das seguintes operações elementares por linhas:

a) Troca de linhas, i jL L↔ .

b) Multiplicação de uma linha por um escalar não nulo, i ikL L↔ .

c) Substituição de uma linha pela soma dessa linha com outra multiplicada por um

escalar não nulo, i j iL kL L+ ↔ .

E denota-se por ~A B .

Teorema M5

Toda a matriz A é equivalente por linhas a uma única matriz na forma canónica

reduzida por linhas.

Page 76: Matematica linear e Algebra

Matrizes

76

Exemplo M12

Considere a matriz

2 4 6 0

2 4 2 2

3 6 4 3

A

− = − −

, através das transformações elementares é

possível transformar a matriz A numa matriz equivalente, mas que esteja na forma

canónia reduzida por linhas:

-

-

1 1 2 1 3

2 2 3 3

1 2 -3 0 1 2 -3 0 1 2 -3 01

~ L 2 4 -2 2 ~-2 0 0 4 2 ~ 3 0 0 4 2 ~2

3 6 -4 3 3 6 -4 3 0 0 5 3

1 2 -3 0 1 2 -3 0 1 2 3 01

~ 0 0 1 1 2 ~ 5 0 0 1 1 2 ~2 ~ 0 0 1 1 24

0 0 5 3 0 0 0 1 2 0 0 0 1

A L L L L

L L L L

+ +

− +

- 3 2 2 1

~

1 2 -3 0 1 2 0 01

~ 0 0 1 0 ~3 0 0 1 02

0 0 0 1 0 0 0 1

L L L L

+ +

Page 77: Matematica linear e Algebra

Matrizes

77

,3 1 0 3 0 2

2 4 7 7 1 8

A B−

= = − −

Exercícios - Matrizes

1. Considere as seguintes matrizes :

Calcule:

a) A B+

b) 3A

c) 2 3A B−

2. Mostre o teorema M1.

3. Considere as seguintes matrizes :

-, , ,

-

3 4 51 3 43 1 0 2 0 2

0 3 0 32 4 7 0 5 1

2 5 6 4

A B C D

π

− = = = = − − − −

Calcule:

a) AC c) AD

b) CA d) BC

4. Mostre o teorema M2 e M3.

5. a) Mostre que se a matriz A é não singular então a inversa de A é única.

b) Mostre o teorema M4.

6. Dê exemplos de :

a) matrizes A e B não nulas, tal que 0AB = .

b) matrizes não nulas A , B e C tais que AB AC= mas B C≠ .

c) duas matrizes A e B tal que AB está definido mas BA não.

Page 78: Matematica linear e Algebra

Matrizes

78

7. Mostre que:

a) se A é não singular e se AB AC= então B C= .

b) se A é matriz simétrica então TB AB é simétrica.

c) se A e B são matrizes ortogonais então AB é uma matriz ortogonal.

d) se A é uma matriz ortogonal então 1A

− é uma matriz ortogonal.

8. Considere as matrizes

- -

--

0 1 31 2 0 1

2 3 0 1 2 2 1

3 1 10 1 1 2

1 2 1

A e B

− = = − −

a) Determine uma matriz escalonada equivalente por linhas A .

b) Determine a forma canónica reduzida por linhas equivalente a A .

c) Repita a) e b) para a matriz B .

Page 79: Matematica linear e Algebra

Matrizes

79

Page 80: Matematica linear e Algebra

Matrizes

80

Page 81: Matematica linear e Algebra

Sistemas de Equações Lineares

81

2 Sistemas de Equações Lineares

2.1 Definição. Interpretação Geométrica

Por uma equação linear entendemos uma expressão do tipo 1 1 2 2 n na x a x a x b+ + + =… ,

onde ia ∈� são os coeficientes e ix são incógnitas (também chamadas de variáveis ou

indeterminadas). O termo “linear” significa que cada uma das incógnitas ix tem

expoente igual a 1.

Um sistema de equações lineares é uma sequência finita de equações lineares,

11 1 12 2 1 1

21 1 22 2 2 2

1 1 2 2

n n

n n

m m mn n m

a x a x a x b

a x a x a x bS

a x a x a x b

+ + + = + + + =

= + + + =

onde ija são os coeficientes de S e os ib são os termos independentes do sistema S .

Definição

Dizemos que ( ), , ,1 2n

nk k k ∈… � é uma solução particular de S , se ( ), , ,1 2 nk k k… for

solução de todas as equações do sistema. O conjunto de todas as soluções é chamado

o conjunto solução do sistema.

Podemos representar um sistema de equações lineares da seguinte forma matricial

1 111 12 1

21 22 2 2 2

1 2

n

n

m m mn n m

x ba a a

a a a x b

a a a x b

=

� � � � �

Page 82: Matematica linear e Algebra

Sistema de Equações Lineares

82

Denotamos por Ax b= , onde ( )ijA a= é a matriz dos coeficientes, ( )iB b= a matriz

coluna dos termos independentes e ( )jx x= a matriz coluna das incógnitas.

É claro que ( ), , ,1 2n

nk k k ∈… � é uma solução particular de S se e só se

1 111 12 1

21 22 2 2 2

1 2

n

n

m m mn n m

k ba a a

a a a k b

a a a k b

=

� � � � �

Definição

A matriz alargada de A , que se denota por A b , é a matriz que se obtem

acrescentando à matriz A dos coeficientes, a matriz coluna dos termos independentes.

Definição

Se não admite solução o sistema diz-se impossível (insolúvel ou inconsistente).

Diz-se que um sistema de equações lineares é possível ( solúvel ou consistente) se

admite pelo menos uma solução. Se S é possível, diz-se que é determinado se tiver

apenas uma solução, ou indeterminado se tiver mais do que uma solução.

Qualquer sistema de equações lineares tem

1. solução única - sistema possível e determinado

2. infinitas soluções - sistema possível e indeterminado

3. nenhuma solução - sistema impossível.

Interpretação Geométrica

Um sistema representa a intercessão ou não de planos (em 3� ). Em n� também

podemos interpretar um sistema como a intersecção de m hiperplanos (planos em n� )

que nos são dados pelas m equações do sistema. A posição relativa desses hiperplanos

depende do número de soluções do sistema .

Assim,

Page 83: Matematica linear e Algebra

Sistemas de Equações Lineares

83

Se o sistema é impossível então os os hiperplanos nunca se cruzam.

Se o sistema é possível e indeterminado então os hiperplanos cruzam-se em mais do

que um ponto (por exemplo: uma recta; ou um plano).

Se o sistema é possível e determinado então os hiperplanos cruzam-se num ponto.

Page 84: Matematica linear e Algebra

Sistema de Equações Lineares

84

...

...

... ... ...

...

11 1 12 2 1 1

21 1 22 2 2 2

1 1 2 2

n n

n n

m m mn n m

a x a x a x b

a x a x a x bS

a x a x a x b

+ + + = + + + =

= + + + =

...

...

... ... ...

...

11 1 12 2 1

21 1 22 2 20

1 1 2 2

0

0

0

n n

n n

m m mn n

a x a x a x

a x a x a xS

a x a x a x

+ + + = + + + =

= + + + =

2.2 Sistemas Homogéneos

Definição

Um sistema de equações lineares diz-se homogéneo, se os termos independentes são

nulos, isto é 0ib = .

Dado um sistema de equações lineares

Chamamos sistema homogéneo associado a S ao sistema:

Nota

Todos os sistemas homogéneos têm pelo menos uma solução. A solução

( ) ( ), , , , , ,1 2 0 0 0nx x x =… … , chamada solução nula ou trivial.

Teorema S1

Seja v uma solução particular de um sistema de equações lineares e W a solução geral

do sistema homogéneo associado, 0Ax = .

Então { }:U v W v w w W= + = + ∈ é a solução geral do sistema S .

Demonstração

Exercício �

Page 85: Matematica linear e Algebra

Sistemas de Equações Lineares

85

Exemplo S1

O sistema de equações lineares homogéneo dado por 2 2 2 0

2 0

x y z

x y z

+ + =

− − =, facilmente se

deduz que o conjunto solução deste sistema é dado por , , ,332 2z z

W z z

= − ∈ ∈

� � .

E dado o sistema 2 2 2 2

2 3

x y z

x y z

+ + =

− − =, facilmente vemos que ( ), ,2 1 0v = − é uma solução do

sistema, então o conjunto solução deste é dado por , , ,332 1

2 2z z

S z z

= + − − ∈ ∈

� � .

2.3 Operações elementares. Sistemas equivalentes

Definição

Dois sistemas de equações lineares dizem-se equivalentes se toda a solução dum

sistema é solução do outro e reciprocamente.

Teorema S2

Se um sistema de equações lineares é obtido de outro por um número finito de

operações elementares, então os dois sistemas são equivalentes.

Operações elementares são:

I. Troca de duas equações, i jL L↔ .

II. Multiplicação de uma equação por um escalar não nulo, i ikL L↔ .

III. Substituir uma linha pela soma dessa linha com outra multiplicada por um escalar

não nulo, i j iL kL L+ ↔ .

2.4 Método de Eliminação de Gauss

Este método é baseado numa “redução” do sistema dado a um sistema equivalente,

cuja matriz dos coeficientes se encontra na forma escalonada ou na forma canónica

reduzida por linhas.

Page 86: Matematica linear e Algebra

Sistema de Equações Lineares

86

Exemplo S2

-

-

- -

1

2 3 4

4 6

x y z

S x y z

x y z

+ =

= + = =

~ ~ ~

~

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 3 1 4 0 5 3 2 0 5 3 2 0 5 3 2

4 1 1 6 4 1 1 6 0 5 3 2 0 0 0 0

1 1 1 1

0 1 3 5 2 5

0 0 0 0

III III III

II

− − − − − − − − − − − − −

− − −

O sistema é possível e indeterminado.

Resolvendo por substituição inversa :

2 3 7 21

1 1 5 5 5 53 2 3 2 3 2 3 2

5 5 5 5 5 5 5 50 0 0 0 0 0 0 0

x z z x zx y z x y z

y z y z y z y z

= + + − = + + − = + − =

− = − ⇔ = − ⇔ = − ⇔ = −

= = = =

Todas as soluções do sistema dado são obtidas a partir do sistema final de duas

equações, sendo z um número real qualquer:

,

7 25 53 25 5

0 0

x t

y t t

= +

= − ∈

=

Page 87: Matematica linear e Algebra

Sistemas de Equações Lineares

87

2.5 Inversão de matrizes

Diz-se que A é invertível, se existe uma matriz B tal que nAB BA I= = . À matriz B

chama-se inversa e denota-se por 1A

− .

Considere-se a matriz -

2 5

1 0A

=

, calcular a inversa será tentar encontrar uma matriz

x y

w z

tal que -

2 5

1 0

x y

w z

=1 0

0 1

.

Ficamos então com a seguinte igualdade de matrizes:

2 5 2 5 1 0

0 1

x w y z

x y

+ + = − −

que é equivalente a resolver o sistema:

12 5 1

50

02 5 0

01

1

x w w

xx

y zz

yy

− + = = − = =⇔

+ = = − = = −

, então 1 0 1

1 5 0A

− − =

.

Em matrizes de ordem n , usar este método era equivalente a resolver um sistema de 2n

equações com 2n incógnitas.

Teorema S3

Seja ( )nA M∈ � , então A é uma matriz invertível sse for equivalente por linhas à matriz

identidade ( )nI . Se efectuarmos transformações elementares sobre linhas em nI , pela

mesma ordem que permitem "transformar" A na nI , obtemos então a inversa, 1A− .

Page 88: Matematica linear e Algebra

Sistema de Equações Lineares

88

Para calcular a inversa de uma matriz A de ordem n , considera-se a matriz ( )nA I ,

sendo I a matriz identidade de ordem n . Reduz-se a matriz ( )nA I à forma canónica

reduzida por linhas, obtendo-se assim a matriz ( )1nI A

− .

Exemplo S3

Seja A

= −

1 2 0

3 3 1

0 2 1

, pretende-se calcular 1A− .

| -

-

- -

1 2 0 1 0 01 2 0 1 0 0 1 2 0 1 0 01 1 3 3 1 0 1 0 0 3 1 3 1 0 0 1 1 03 3

0 2 1 0 0 1 0 2 1 0 0 1 0 2 1 0 0 1

2 2 2 21 0 1 0 1 0 1 03 3 3 3 1 0 0 5 2 21 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 03 3 3 3

1 2 0 0 1 6 2 30 0 2 13 3

A I

= → − − → − − −

− − → − − → − − → −−

-

-

-

1

1 0 3 1 1

0 0 1 6 2 3

5 2 2

3 1 1

6 2 3

A

− − = − −

Verifique se 1A− está correctamente calculada.

Page 89: Matematica linear e Algebra

Sistemas de Equações Lineares

89

Exercícios – Sistemas de equações lineares

1. Mostre que se v é uma solução particular de um sistema linear não homogéneo

Ax b= , então x v w= + também o é, onde w é solução do sistema homogéneo

associado 0Ax = . Mostre ainda que se v é uma solução particular de um sistema

linear não homogéneo Ax b= , qualquer solução deste sistema é da forma x v w= + .

2. Resolva os seguintes sistemas de equações lineares utilizando o método de

eliminação de Gauss e dê uma interpretação geométrica para as diferentes

situações:

a)

2 3 1

2 5 8 4

3 8 13 7

x y z

x y z

x y z

+ − =

+ − = + − =

b)

2 2 10

3 2 2 1

5 4 3 4

x y z

x y z

x y z

+ − =

+ + = + + =

c)

2 3 1

3 2 7

5 3 4 2

x y z

x y z

x y z

+ − = −

− + = + − =

d)

2 3 0

3 2 0

5 3 4 0

x y z

x y z

x y z

+ − =

− + = + − =

e)

2 4 5

2 2 3 3

3 3 4 2 1

x y z t

x y z t

x y z t

+ − + =

+ − + = + − − =

f)

2 3 4

2 3 3 3

5 7 4 5

x y z t

x y z t

x y z t

+ − + =

+ + − = + + + =

g)

2 3 0

2 5 8 0

3 8 13 0

x y z

x y z

x y z

+ − =

+ − = + − =

h)

2 3 1

4 2 6 2

3 9 33

2 2 2

x y z

x y z

x y z

+ − =

+ − = + − =

3. Discuta o seguinte sistema em função dos parâmetros indicados, e determine as

respectivas soluções para os casos possíveis:

a) ,

1

2 3 3

3 2

x y z

x y kz k

x ky z

+ − =

+ + = ∈ + + =

b) , , ,

2 3

2 6 11

2 7

x y z a

x y z b a b c

x y z c

+ − =

+ − = ∈ − + =

Page 90: Matematica linear e Algebra

Sistema de Equações Lineares

90

c)

( )( )( )

, ,

5 2 2 4 2

10 5 5 2 5 8

4 2 2 2

a x y z b

a x y z b a b

a x y z b

+ + + = −

+ + + = − ∈

+ + + = +

� d) , ,

3 4

2 4

5 2 5 2 2

x ay z a

x bz b a b

x ay z a

+ + =

+ = − ∈ + + = −

4. Indique quais das seguintes matrizes são ou não singulares e calcule a sua inversa:

a) 1 2

1 3

b) 0 2

1 3

c)

1 2 0

0 1 1

1 2 1

d)

2 2 0

1 1 1

1 1 1

− −

e)

1 2 0

1 1 1

2 1 1

5. Considere um sistema de equações lineares cuja representação matricial é Ax b= .

Mostre que se A é invertível a solução é dada por 1x A b

−= .

6. Considere o seguinte sistema:

2 1

1

2 4

x y z

x y

y z

− + = −

− = − − =

a) Resolva o sistema utilizando o método de eliminação de Gauss.

b) Considere a matriz dos coeficientes

2 1 1

1 1 0

0 1 2

A

− = − −

, determine 1A− .

Utilizando o resultado de b), determine a solução do sistema dado.

Page 91: Matematica linear e Algebra

Sistemas de Equações Lineares

91

Page 92: Matematica linear e Algebra

Sistema de Equações Lineares

92

Page 93: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

93

3 Espaços Vectoriais

Definição

Definições

Seja Ä um conjunto não vazio e θ uma operação, ( Ä, θ) é um grupo sse:

a) é uma operação interna em Ä, ou seja, se ,x y ∈Ä então θx y ∈Ä .

b) θ goza da propriedade associativa, , , x y z∀ ∈Ä então ( ) ( )θ θ θ θx y z x y z= .

c) θ tem elemento neutro, um elemento u tal que ,θ θa u u a a a= = ∀ ∈Ä .

d) Todos os elementos tem oposto (inverso ou simétrico)

se a ∈Ä então, 'a∃ ∈Ä tal que ' 'θ θa a a a u= = .

Se θ é comutativa ( ), ,θ θa b b a a b= ∀ ∈Ä então diz-se ( ),θÄ é um grupo comutativo ou

abeliano.

Exemplo EV1

( ),+� é um grupo comutativo porque:

- se somar quaisquer dois elementos, a soma ainda pertence a � .

- a adição é associativa.

- 0 é o elemento neutro.

- se a é um número real então a− é o elemento oposto (neste caso chamado

simétrico).

Diz-se que ( ), ,⊕ ⊗Ä é um corpo sse :

1. ( ),⊕Ä é um grupo comutativo. Ao elemento neutro deste grupo chama-se zero

do corpo e denota-se por 0, e a cada elemento oposto chama-se simétrico e

denota-se por a− .

Page 94: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

94

2. { }( )\ ,0 ⊗Ä é um grupo comutativo. Ao elemento neutro deste grupo chama-se

identidade, e denota-se por 1, todos os elementos de Ä , tirando o 0, têm oposto,

ao qual se chama inverso e denota-se por 1a

− .

3. A operação ⊗ é distributiva relativamente à operação ⊕.

( )( ) , , ,

a b c a b a c

b c a b a c a a b c

⊗ ⊕ = ⊗ ⊕ ⊗

⊕ ⊗ = ⊗ ⊕ ⊗ ∀ ∈Ä

Definição

Considere-se o sistema ( ), ; ,*V + ¼ , onde V é um conjunto não vazio, “+” uma operação

binária definida em V (chamada adição) tal que ( ),V + é um grupo abeliano. ¼ um

corpo e “ * ” uma aplicação de em V V×¼ (chamada de multiplicação), que verifica

as quatro igualdades que passaremos a indicar:

i) ( )* * * , , ,k u v k u k v k u v V⊕ = ⊕ ∀ ∈ ∀ ∈¼

ii) ( )* * * , , ,1 2 1 2 1 2k k u k u k u k k u V⊕ = ⊕ ∀ ∈ ∀ ∈¼

iii) ( ) ( )* * * , , ,1 2 1 2 1 2k k u k k u k k u V⊗ = ∀ ∈ ∀ ∈¼

iv) * ,1 u u u V= ∀ ∈ , onde 1 é a unidade do corpo ¼

Muitas vezes em vez de escrevermos *k u , escrevemos simplesmente ku . E na operação

⊕ do corpo ¼, escrevemos simplesmente “+”. Assim as condições relativas à aplicação

ficam:

i) ( ) , , ,k u v ku kv k u v V+ = + ∀ ∈ ∀ ∈¼

ii) ( ) , , ,1 2 1 2 1 2k k u k u k u k k u V+ = + ∀ ∈ ∀ ∈¼

iii) ( ) ( ) , , ,1 2 1 2 1 2k k u k k u k k u V= ∀ ∈ ∀ ∈¼

iv) ,1u u u V= ∀ ∈ , onde 1 é a unidade do corpo ¼

� Os elementos de V dizem-se vectores e os elementos de ¼ dizem-se

escalares. Diz-se que V é um Espaço Vectorial sobre o corpo ¼ .

� Se ¼ é o corpo dos números reais. Então V diz-se espaço vectorial real.

Page 95: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

95

� O elemento 0 de V chama-se vector nulo ou vector zero. E pode ser escrito

como 0V .

Nota

� Repare que existe duas operações denotadas por adição. Na condição ii)

( )1 2 1 2k k u k u k u+ = + , o “+” do primeiro membro está definido no corpo ¼, e o do

segundo membro refere-se a adição entre vectores está definida no grupo

( ),V + .

� Um espaço vectorial não fica definido somente pelo conhecimento do grupo

abeliano ( ),V + e pelo conhecimento do corpo ¼. É necessário definir a

aplicação “ * ”, ou seja é necessário definir a operação multiplicação dum

escalar por um vector.

Exemplos (Espaços Vectoriais)

� O espaço das matrizes ( )m nM × � (conjunto de todas as matrizes reais m n× ),

algebrizado com as matrizes com as operações usuais de adição de matrizes e

multiplicação de uma matriz por um escalar real.

� O espaço 3� algebrizado com as operações de adição e multiplicação por um

escalar real.

� O espaço de polinómios ( )xÏ com coeficientes � , algebrizado com as

operações usuais e multiplicação de um polinómio por um escalar.

Teorema EV1

Se V é um espaço vectorial sobre um corpo ¼, verificam-se as seguintes propriedades:

a) ,0 0Vu u V= ∀ ∈¼

b) . ,0 0V Vα α= ∀ ∈¼

c) ( ) ( ) ( ) , ,u u u u Vα α α α− = − = − ∀ ∈ ∀ ∈¼

d) ( ) , , ,u u u u Vα β α β α β− = − ∀ ∈ ∀ ∈¼

e) ( ) , , ,u v u v u v Vα α α α− = − ∀ ∈ ∀ ∈¼

Page 96: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

96

Demonstração a) Atendendo a que 0 é o elemento neutro da adição em ¼, temos que 0+0=0.

Daqui resulta que

( )0 0 0u u+ =

Logo por um dos axiomas de espaço vectorial, (e.v.) concluímos que

0 0 0u u u+ = . Somando de ambos os lados, 0u− , resulta que 0 0 0u u u= − , ou seja

0 0Vu = (por definição de elemento simétrico)

b) Por raciocínio análogo ao anterior, vem que:

( )0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0

V V V

V V V

V V V

V V

α α

α α α

α α α

α

+ =

+ =

= −

=

c) Vamos começar por provar que ( )u uα α− = − , o que vale por dizer que os

vectores são simétricos um do outro. Ora dois vectores são simétricos

exactamente quando a sua soma é o vector nulo. Para provarmos aquela

igualdade, bastará, portanto, mostrar que

( ) ( )( ) 0

mas - 0 0

V

V

u u

u u u u

α α

α α α α

− + =

+ = − + = =

De modo análogo , provamos que

( ) ( )u uα α− = − , já que

( ) ( )( ) 0 0V Vu u u uα α α α− + = − + = =

d) Usando c) e as propriedades de e. v. vem que:

( ) ( )( ) ( ) ( )( )u u u u u u u uα β α β α β α β α β− = + − = + − = + − = −

e) Por um raciocínio semelhante ao anterior :

( ) ( )( ) ( )( )u v u v u v u vα α α α α α− = + − = + − = − �

Page 97: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

97

Subespaços vectoriais

Seja W um subconjunto de um espaço vectorial V sobre um corpo ¼. E W é um

espaço vectorial sobre ¼ em relação à adição de vectores e à multiplicação por um

escalar definidas em V . Temos um espaço vectorial, contido noutro espaço vectorial,

dizemos então que W é subespaço vectorial de V .

Definição

Seja V um espaço sobre um corpo ¼. Seja W um subconjunto de V . W é um

subespaço vectorial do espaço vectorial V sse:

1) 0V W∈

2) , ,u v W u v W+ ∈ ∀ ∈

3) , ,ku W u W k∈ ∀ ∈ ∀ ∈¼

Exemplos EV2

� O espaço das matrizes ( )nM � (conjunto de todas as matrizes quadradas de

ordem n ) é um subespaço do espaço vectorial das matrizes ( )m nM × � sobre Ñ.

� O espaço ( ){ }, , : ,0W a b a b= ∈� é um subespaço de Ñ3 sobre Ñ.

� O espaço de polinómios ( ) { }: , ,22 x ax bx c a b c= + + ∈�Ï é um subespaço do espaço

( )xÏ (espaço dos polinómios com coeficientes reais).

Teorema EV2

Seja V um espaço vectorial sobre ¼ e sejam 1 2 e V V subespaços vectoriais de V .

Então:

a) A intersecção de 1V com 2V é um subespaço vectorial de V

{ }:1 2 1 2 e V V x V x V x V∩ = ∈ ∈ ∈

b) A soma de 1V com 2V é um subespaço vectorial de V .

{ }:1 2 1 2 e V V x y V x V y V+ = + ∈ ∈ ∈

Page 98: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

98

Demonstração

Exercício .

Combinações Lineares. Espaço gerado

Definição

Considere V um espaço vectorial sobre um corpo ¼. Sejam , , ,1 2 nv v v… vectores de V e

sejam α1, α2,..., αn escalares pertencentes a ¼. Então 1 1 2 2 n nu v v vα α α= + + +… é um vector

de V , dizemos que u é combinação linear dos vectores , , ,1 2 nv v v… por meio dos

escalares α1, α2, ... , αn.

Exemplos EV3

1) Consideremos ( )( ), ; ,*x + �Ï , o espaço vectorial real dos polinómios.

Seja ( )21 2 1 2u x x x= + − ∈Ï . u é combinação linear dos vectores:

, 21 2 31 e v v x v x= = = ?

2) E se ,3

1 2 31 3 e v v x v x= = = será possível escrever u como combinação linear

destes vectores?

3) Seja 3V = � . Consideremos ( ), ,1 4 1 0v = , ( ), ,2 0 5 3v = , será o vector ( ), ,8 52 30u =

combinação linear dos dois vectores anteriores?

Teorema EV3

Considere V um espaço vectorial sobre um corpo ¼. Sejam , , ,1 2 nv v v… vectores de V .

Então o conjunto W , de todas as possíveis combinações lineares destes vectores, é um

subespaço vectorial. E para além disso é o menor subespaço vectorial de V que

contém os vectores , , ,1 2 nv v v… .

Page 99: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

99

Demonstração

� 1ª Parte

Queremos provar que { }: , , ,1 1 2 2 1 2n n nW v v vα α α α α α= + + + ∈… … ¼ é subespaço vectorial.

1) 0V W∈ , com efeito 1 20 0 0 0 nv v v= + + +…

2) Sejam u e v elementos deW , queremos mostrar que u v W+ ∈ ;

Como u e v ∈ W vem que 1 1 2 2 n nu v v vα α α= + + +… e

1 1 2 2 n nv v v vβ β β= + + +… , com , e i i iα β ∈ ∀¼

( ) ( ) ( )1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 1 2 2 2n n n n n n nu v v v v v v v v v vα α α β β β α β α β α β+ = + + + + + + + = + + + + + +… … …

( ) , logo i i u v Wα β+ ∈ + ∈¼

3) Seja a ∈¼ e u W∈ , queremos provar que au W∈ . Como u W∈ vem que

1 1 2 2 n nu v v vα α α= + + +…

Então ( ) ( ) ( ) ( )1 1 2 2 1 1 2 2n n n nau a v v v a v a v a vα α α α α α= + + + = + + +… … e ( )iaα ∈¼ , logo

au W∈ .

Logo W é subespaço vectorial.

� 2ª parte

Queremos provar que W é o menor subespaço vectorial de V que contém os

vectores , , ,1 2 nv v v… .

Hipótese: seja 'W um outro subespaço que contém , , ,1 2 nv v v… .

Page 100: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

100

Tese: 'W W⊂

Seja v W∈ , então v é da forma, 1 1 2 2 n nv v v vβ β β= + + +… , com ,i iβ ∈ ∀¼ .

Mas cada 'i iv Wβ ∈ ( 'W é subespaço e 'iv W∈ ) logo 'v W∈ .

Então 'W W⊂ �

Definição

A { }: , , ,1 1 2 2 1 2n n nW v v vα α α α α α= + + + ∈… … ¼ chama-se espaço gerado pelos vectores

, , ,1 2 nv v v… .

Denota-se por , , ,1 2 nW v v v= … .

Dependência e independência linear

Dados , , ,1 2 nv v v… vectores de V , um espaço vectorial sobre um corpo ¼, o vector

zero V∈ pode escrever-se como combinação linear dos ( ), , ,1 2 nv v v… .

Podem dar-se dois casos diferentes:

1) O vector 0V pode escrever-se de uma única maneira como combinação linear

dos vectores , , ,1 2 nv v v… , ou seja se

1 1 2 2 1 20 0n n V nv v vα α α α α α+ + + = ⇒ = = = =… …

Dizemos então que os , , ,1 2 nv v v… são vectores linearmente independentes.

2) O vector 0V pode escrever-se de mais do que uma maneira como combinação

linear dos vectores , , ,1 2 nv v v… . Isto é, existem α1, α2,...,αn ∈¼, não todos nulos tais

que 1 1 2 2 0n n Vv v vα α α+ + + =… .

Page 101: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

101

Ou seja

1 1 2 2 1 20 0n n V nv v vα α α α α α+ + + = ⇒ = = = =… …

Dizemos então que os , , ,1 2 nv v v… são vectores linearmente dependentes.

Teorema EV4

Seja V um espaço vectorial sobre um corpo ¼. Então os vectores , , ,1 2 nv v v V∈… são

linearmente dependentes sobre o corpo ¼ se e só se algum dos vectores for

combinação linear dos restantes.

Demonstração

(ï)

Comecemos por supor que os vectores , , ,1 2 nv v v… são linearmente dependentes. Por

definição, existirão escalares , , ,1 2 nα α α ∈… ¼ , não todos nulos tais que

1 1 2 2 0n n Vv v vα α α+ + + =…

Uma vez que entre os coeficientes há pelo menos um que é diferente de zero,

suponhamos que se tem 1 0α ≠ .

Temos então que:

1 1 2 2 n nv v vα α α= − − −…

21 2

1 1

nnv v v

ααα α

= − − −…

o que mostra que algum vector (neste caso o primeiro) é combinação linear dos

restantes.

(ì)

Admitamos que algum dos vectores dados, por exemplo, nv , é combinação linear dos

restantes:

1 1 2 2 1 1n n nv v v vα α α − −= + + +…

Page 102: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

102

daqui resulta que

1 1 2 2 1 1 0n n n Vv v v vα α α − −+ + + − =… .

Ora esta igualdade mostra que os vectores são dependentes, pois temos uma sua

combinação linear nula em que, pelo menos, o último escalar não é nulo. �

Teorema EV5

Seja V um espaço vectorial sobre um corpo ¼. Sejam , , ,1 2 nv v v… linearmente

independentes e w V∈ então os vectores , , , ,1 2 nv v v w… são linearmente dependentes

sse w se pode escrever como combinação linear dos primeiros, , , ,1 2 nw v v v∈ … .

Demonstração

(ï)

Por hipótese, os vectores , , , ,1 2 nv v v w… são linearmente dependentes, pelo que existirão

escalares, não todos nulos tais que

1 1 2 2 0n n Vv v v wα α α β+ + + + =…

Poderá ser 0β = ? Se assim acontecesse, e uma vez que algum dos escalares

, , , ,1 2 nα α α β… é não nulo, concluiríamos que algum dos escalares , , ,1 2 nα α α… seria não

nulo. Mas a igualdade anterior arrasta, para 0β = , o seguinte:

1 1 2 2 0n n Vv v vα α α+ + + =…

Ora isto é um absurdo, visto os vectores , , ,1 2 nv v v… serem, por hipótese, independentes.

Assim, terá de ser 0β ≠ . E então vem imediatamente que

1 21 2

nnw v v v

αα αβ β β

= − − − −…

Page 103: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

103

(ì)

O recíproco é imediato, basta ter em conta o teorema EV4. �

Corolário EV6

Se um sistema de vectores linearmente independentes, gera um espaço V então é um

sistema linearmente independente. Ou seja se acrescentarmos qualquer vector ao

sistema ele torna-se linearmente dependente.

Corolário EV7

Qualquer sistema que contenha o vector nulo é linearmente dependente.

Bases e dimensão

Definição

Seja V um espaço vectorial sobre um corpo ¼. O conjunto { }, , ,1 2 nS v v v V= ⊂… , diz-se

uma Base de V se se verificarem duas condições:

1) , , ,1 2 nv v v… são linearmente independentes

2) , , ,1 2 nv v v… geram V .

Exemplo EV5

Em Ñ3 os vectores (1, 0, 0); (0, 1, 0); (0, 0, 1) são linearmente independentes e qualquer

vector pertencente a Ñ3 pode ser escrito como combinação linear dos primeiros.

Então (1, 0, 0); (0, 1, 0); (0, 0, 1) formam uma base. Esta é conhecida como a base

canónica de Ñ3.

Definição

Um espaço vectorial que contenha uma base com n vectores diz-se que tem dimensão

finita n e escreve-se dimV n= .

Page 104: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

104

Teorema de Steinitz EV8

Seja V um espaço de dimensão finita sobre ¼. Sejam , , ,1 2 nv v v… vectores de V tais que

, , ,1 2 nv v v V=… .

Se { }, , ,1 2 pu u u… são vectores linearmente independentes de V então tem-se:

1) p n≤

2) É possível substituir, no p dos vectores , , ,1 2 pu u u… , no sistema , , ,1 2 nv v v… ,de modo

a que o sistema obtido ainda gere o espaço V .

Teorema EV9

Um conjunto { }, , ,1 2 nS v v v V= ⊂… , é uma base de V se e só se todo o vector v V∈ se

puder escrever de maneira única como combinação linear dos vectores de S .

Demonstração

1ª parte

Hipótese: { }, , ,1 2 nS v v v V= ⊂… é uma base de V

Suponhamos que w V∈ se escreve nas formas:

1 1 2 2 n nw v v vα α α= + + +… , e

, ,1 1 2 2 com e n n i iw v v v iβ β β α β= + + + ∈ ∀… ¼

( ) ( )1 1 2 2 1 1 2 2 0n n n nv v v v v v w wα α α β β β+ + + − + + + = − =… …

( ) ( ) ( ) ( ) ,1 1 1 2 2 2 0n n n i iv v v iα β α β α β α β− + − + + − ⇒ − = ∀… , logo, ,i i iα β= ∀

2ª parte

Reciprocamente temos como hipótese que: todo o vector v V∈ pode escrever-se de

maneira única como combinação linear dos vectores de S .

Page 105: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

105

Para S ser base

1) qualquer vector tem de se escrever como combinação linear dos vectores de

S , mas isso é imediato perante a hipótese.

2) Os vectores de S tem de ser independentes.

Seja

1 1 2 20 n nv v vα α α= + + +… , uma combinação linear de zero, mas por hipótese só se pode

escrever zero de um único modo logo, ,0i iα = ∀ . �

Teorema EV10

Seja V um espaço vectorial de dimensão finita. Então toda a base de V tem o mesmo

número de vectores.

Demonstração

Sejam , 'B B bases de V .

{ }, , ,1 2 nB v v v= …

{ }' , , ,1 2 pB u u u= …

Os vectores iu , são independentes e os vectores iv , geram V ( , 'B B são bases), então

pelo teorema EV8 (1.) vem que p n≤ .

Mas também os vectores iv , são independentes e os vectores iu , geram V ( , 'B B são

bases), então pelo teorema EV8(1.) vem que n p≤ .

Logo n p= . �

Page 106: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

106

Teorema EV11

Num espaço vectorial V , de dimensão n :

1) Qualquer subconjunto de V contendo mais do que n vectores é linearmente

dependente.

2) Qualquer conjunto de n vectores linearmente independentes formam uma

base de V .

3) Qualquer conjunto de n vectores que geram v formam uma base de V .

Demonstração

1) Seja { }, , ,1 2 nv v v… uma base de V . Então , , ,1 2 nV v v v= … , e os vectores

{ }, , ,1 2 nv v v… são linearmente independentes. Então pelo corolário EV6 temos

que { }, , , ,1 2 nv v v w… são linearmente dependentes.

2) Seja , , ,1 2 nv v v… um sistema de vectores independentes de V , e seja w um

vector arbitrário de V .

O sistema , , , ,1 2 nv v v w… tem 1n + vectores, pelo que, conforme se provou em

cima , não pode ser independente.

Estamos, nas condições seguintes: o sistema , , ,1 2 nv v v… é independente, mas o

sistema, , , , ,1 2 nv v v w… é dependente, então (pelo teorema EV5) w é

combinação linear dos vectores , , ,1 2 nv v v… .

Como w é arbitrário, concluímos que o espaço gerado pelos vectores

, , ,1 2 nv v v… , os quais, são independentes, constituem uma base de V .

3) Suponhamos que , , ,1 2 nV u u u= … . Continuando a supor que { }, , ,1 2 nv v v… é uma

base de V , logo também , , ,1 2 nV v v v= … .

Ora o sistema , , ,1 2 nv v v… é linearmente independente, por ser base, logo o

sistema , , ,1 2 nu u u… também o é.

Este sistema constitui portanto uma base. �

Page 107: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

107

Teorema EV12

Seja W um subespaço vectorial de um espaço vectorial V n - dimensional. Então

dimW n≤ . Em particular se dimW n= então W V= .

Demonstração

Exercício. �

Coordenadas de um vector numa determinada base

Seja { }, , ,1 2 nB v v v= … uma base de V . Então qualquer que seja v elemento de V este

escreve-se de maneira única com combinação linear dos vectores de B ,

1 1 2 2 n nv a v a v a v= + + +… .

Definição

Aos escalares ia chamam-se coordenadas de v em relação à base B .

Escreve-se ( ), , ,1 2 n Bv a a a= … .

Teorema EV13

Seja V um espaço vectorial sobre um corpo ¼, Seja dimV n= , B uma base de V ,

,u v V∈ e α ∈¼ . Seja ( ), , ,1 2 n Bv a a a= … e ( ), , ,1 2 n B

u b b b= … .

Então ( ), , ,1 1 2 2 n n Bv u a b a b a b+ = + + +… e ( ), , ,1 2 n B

v a a aα α α α= … .

Demonstração

Exercício. �

Característica de uma matriz

Definição

A característica de uma matriz A é o número de linhas não nulas da matriz equivalente

por linhas em forma canónica reduzida por linhas, ou equivalente, a característica de

uma matriz A é a dimensão do subespaço gerado pelas linhas de A . Denota-se por

( )c A .

Page 108: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

108

Teorema EV14

O número de linhas ou de colunas linearmente independentes de uma matriz A não é

alterado se sobre A se realizarem operações elementares sobre linhas ou colunas.

Teorema EV 15

O número máximo de linhas linearmente independentes de uma matriz A é igual ao

número máximo de colunas linearmente independentes de A .

A característica de uma matriz está relacionada com os sistemas.

Teorema EV16

Seja S o sistema de equações lineares representado por Ax b= onde ( )m nA M ×∈ � e

( )1mb M ×∈ � . Então

i) S é possível sse ( ) ( )c A b c A= .

ii) S é possível e determinado sse ( ) ( )c A c A b n= = .

iii) S é possível indeterminado sse ( ) ( )c A c A b n= < .

Corolário EV17

Um sistema linear homogéneo de m equações em n incógnitas, 0Ax = , tem solução

além da solução nula, 0x = , sse ( )c A n< .

Teorema EV18

Seja A uma matriz quadrada de ordem n . Então as seguintes afirmações são

equivalentes:

a) A é não singular

b) A é equivalente por linhas à matriz identidade

c) ( )c A n= .

Page 109: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

109

Exercícios – Espaços Vectoriais

1. Mostre que Ñ2 constitui um espaço vectorial sobre Ñ, para as operações adição e

multiplicação por um escalar assim definidas:

( ) ( ) ( )( ) ( ), , ,

, ,

a b c d a c b d

a b a bα α α

+ = + +

=

2. Denote o conjunto de todas as funções reais continuas cujo domínio é [0, 1] por ℑ .

Mostre que ℑ constitui um espaço vectorial sobre Ñ, para as operações de adição

e multiplicação por um escalar real, assim definidas:

( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )

f g x f x g x

f x f xα α

+ = +

=

3. Seja ( ){ }( )* , : , 2V x y x y= ∈� � com as seguintes operações

( ) ( ) ( )( ) ( )

, , ,

* , ,0

a b c d a c b d

a b aα α

+ = + +

=

Mostre que *V não é um espaço vectorial sobre Ñ.

4. Para cada um dos seguintes conjuntos determine quais dos axiomas de espaço

vectorial não se verificam:

a) O conjunto de todos os pares ordenados de números reais com as

operações de adição e multiplicação por um escalar assim definidas :

( ) ( ) ( )( ) ( ), , ,

, ,

a b c d a c b d

a b a bα α

+ = + +

=

b) O conjunto de todos os pares ordenados de números reais com as

operações de adição e multiplicação por um escalar assim definidas :

( ) ( ) ( )( ) ( ), , ,

, ,

a b c d a c b d

a b a bα α α

+ = − −

=

c) O conjunto de todas as funções reais de variável real tal que ( )0 1f = , com

as operações de adição e multiplicação por um escalar assim definidas:

Page 110: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

110

( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )

f g x f x g x

f x f xα α

+ = +

=

5. Seja V um espaço vectorial sobre um corpo ¼, ( ), ; *V + ¼ . Mostre que:

a) Se , , e u v w V u v u w∈ + = + então v w= .

b) Para todo ,u v V∈ , existe um único w V∈ , tal que u v w= + .

6. Veja quais dos seguintes conjuntos são subespaços de Ñ2 ou Ñ3 , conforme o caso,

(com as operações usuais), e dê uma interpretação geométrica dos conjuntos:

a) ( ){ }, :21 0V x y y= ∈ =�

b) ( ){ }, :22 1V x y y= ∈ =�

c) ( ){ }, :23 0V x y x y= ∈ + =�

d) ( ){ }, , :34 0V x y z y= ∈ =�

e) ( ){ }, , :35 1V x y z y= ∈ =�

f) ( ){ }, , :36 0 ou 0V x y z x y= ∈ = =�

g) ( ){ }, , :37 0 e 0V x y z x y= ∈ = =�

h) ( ){ }, , :3

8 0V x y z x y z= ∈ + + =�

i) ( ){ }, , :3

9 1V x y z x y z= ∈ + + =�

7. Seja ℑ o espaço vectorial sobre Ñ de todas as funções :f →� � com as

operações usuais :

( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )

f g x f x g x

f x f xα α

+ = +

=

(Dizemos que uma função f ∈ℑ é par se ( ) ( ) ,f x f x x− = ∀ ∈� ) .

Mostre que o conjunto de todas as funções pares é um subespaço de ℑ.

Page 111: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

111

8. Seja V um espaço vectorial sobre ¼ e sejam 1V e 2V subespaços vectoriais de V .

Mostre que :

a) A intersecção de 1V com 2V é um subespaço vectorial de V .

{ }:1 2 1 2 e V V x V x V x V∩ = ∈ ∈ ∈

b) A soma de 1V com 2V é um subespaço vectorial de V .

{ }:1 2 1 2 e yV V x y V x V V+ = + ∈ ∈ ∈

9. Escreva o vector (0, 5, –6) como combinação linear dos vectores (2, 1, –8 ), ( 0, 1, 1)

e (1, –1, 0).

10. Determine o espaço gerado pelos conjuntos:

a) {(2, 1), (1, –2)}

b) {(0, 1), (1, –2), (1,0)}

c) { (3, 1), (–6, –2)}

d) {(2, 1, 0), (0, 1, –2)}

e) {(1, 1, 0), (1,.0, 0), (0, 0, –1)}

f) {(2, 0, 3), (–2,–2, 5), (2, 1, –1)}

g) {(1, 0, 0), (–2,.0, 3 ), (–1, 1, –1)}

h) {(1, –3), (2, –6)}

i) { },2 21x x x+ + −

j) { }, ,3 2 31 3 2x x x x x− + +

11. a) Sejam ( ) ( ) ( ), , , , , , , ,6 3 1 1 2 1 2 2u v w k= = = vectores de Ñ3. Para que valor de k

será w uma combinação linear dos vectores e u v ?

b) Sejam ( ) ( ) ( ), , , , , , , ,3 6 1 1 2 1 2 2u v w k= = = vectores de Ñ3. Mostre que não existe

k ∈� tal que w seja uma combinação linear dos vectores e u v .

12. Determine se os seguintes vectores são ou não linearmente independentes:

a) ( ) ( ), , ,1 0 2 1u v= =

Page 112: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

112

b) ( ) ( ), , , , ,2 1 0 0 1 2u v= = −

c) ( ) ( ) ( ), , , , , , , ,2 1 0 0 1 2 0 1 0u v w= = − =

d) ( ) ( ) ( ) ( ), , , , , , , , , , ,3 1 0 0 11 0 1 0 2 3 1u v w z= − = = = − −

e) ( ) ( ) ( ), , , , , , , ,2 2 0 0 1 1 2 4 2u v w= − = − = −

f) ( ) ( ) ( ), , , , , , , ,11 0 2 2 0 0 1 0u v w= − = − =

g) ,2 2 2u x x v x= + = − +

h) , ,2 2 22 2 2u x x v x x w x= + = + + = − +

13. Sejam , ,u v w vectores linearmente independentes. Mostre que

( ) ( ) ( ), e 2u v u v u v w− + + − são linearmente independentes.

14. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas e justifique:

a) Seja V um espaço vectorial de dimensão finita igual a n . Qualquer conjunto

de 1n + vectores são linearmente dependentes.

b) Seja V um espaço vectorial de dimensão finita igual a n . Qualquer conjunto

de vectores linearmente independentes tem n ou menos vectores.

c) Se um conjunto de n vectores de um espaço vectorial V é linearmente

independente então nenhum dos vectores é combinação linear dos restantes.

d) Se nenhum elemento de um conjunto de n vectores de um espaço

vectorial V é combinação linear dos restantes, então os n vectores são

linearmente independentes.

e) Se um conjunto de n vectores gera um espaço vectorial V então existe

pelo menos um conjunto de 1n + vectores de V linearmente

independentes.

f) Se um conjunto de n vectores linearmente dependentes de um espaço

vectorial V gera esse espaço, então dimV n< .

Page 113: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

113

g) Se um conjunto de n vectores linearmente dependentes gera um espaço

vectorial V , então qualquer subconjunto de 1n − vectores gera V .

h) Um conjunto de vectores contendo o vector nulo é linearmente

dependente.

15. Determine quais dos seguintes conjuntos formam uma base do espaço vectorial

Ñ3:

a) {(2,1, 0 ), (0, 1, –2)}

b) {(2, 0, 3), (–2, –2, 0), (1, –1, –1)}

c) {(1, 1, 0), (1, 0, 0), (0, 0, –1)}

d) {(0, –1, 4), (–2, –2, 5), (2, 1, –1)}

e) {(1, 0, 0), (–2, 0, 3), (–1, 1, –1), (1, 0, –1)}

16. Seja ( ) ( ) ( ) ( ), , , , , , , , , , , , , , , 40 11 1 2 1 0 0 0 1 0 1F k k k k k= − ∈� . Discuta a dimensão de F em

função de k .

17. Seja ( ) ( ) ( ){ }, , , , , , , ,2 1 8 0 11 1 1 0B = − − base de Ñ3. Determine as coordenadas do vector

(0, 5, –6) relativamente à base anterior.

18. Seja V o espaço vectorial das quadradas 2 x 2. Mostre que dim 4V = .

19. Determine uma base e a dimensão do subespaço de Ñ3 gerado pelos vectores:

a) ( ) ( ) ( ), , , , , , , ,2 0 0 0 1 1 1 1 0u v w= = − = −

b) ( ) ( ) ( ), , , , , , , ,11 0 2 2 0 0 1 0u v w= − = − =

c) ( ) ( ) ( ), , , , , , , ,111 2 1 0 3 2 1u v w= − = − = −

d) ( ) ( ) ( ), , , , , , , ,1 2 3 2 4 6 1 2 3u v w= = = − − −

20. Determine uma base e a dimensão dos seguintes subespaços de Ñ3:

a) ( ){ }, , :3 3A x y z x y z= ∈ − =�

Page 114: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

114

b) ( ){ }, , :3 3 0B x y z x y z= ∈ − + =�

c) ( ){ }, , :3 0 e 2C x y z x y z x y= ∈ − + = =�

21. Determine a característica das seguintes matrizes:

a)

1 1 2

1 0 1

2 2 0

c)

1 0 2

3 2 2

2 2 0

b)

1 1

2 1

1 3

d)

4 1

8 2

4 1

− − − −

e)

1

2

3

2

Page 115: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

115

Page 116: Matematica linear e Algebra

Espaços Vectoriais

116

Page 117: Matematica linear e Algebra

Determinantes

117

4 Determinantes

A qualquer matriz quadrada está associado um elemento de ¼, chamado

determinante, usualmente representado por

( )det ou AA .

Este elemento surge através do estudo e investigação de sistemas de equações

lineares.

Antes de definir determinante, necessitamos da noção de permutação.

4.1 Permutações

Definição

Uma aplicação biunívoca s do conjunto { }, , ,1 2nS n= … sobre si mesma é chamada uma

permutação. Denotamos a permutação s por

( )1 21 2

1 2 ou onde n i

n

nj j j j i

j j jσ σ σ

= = =

……

Exemplo D1

Em 3S existem 3!=6 permutações em: 123; 132; 213; 231; 312; 321.

Definição

Consideremos uma permutação par (ou impar) caso exista um número par (ou impar)

de pares ( ),i k para os quais i k> , mas i antecede k em s.

Page 118: Matematica linear e Algebra

Determinantes

118

Exemplo D2

Consideremos a permutação s= 35142 em 5S . 3 e 5 antecedem e são maiores que 1;

portanto (3, 1) e (5, 1) satisfazem a condição anterior, tal como (3, 2), (5, 2) , (4, 2), (5, 4).

Existem portanto exactamente 6 pares, logo s é uma permutação par.

Definição

Definimos o sinal ou paridade de s, denota-se por sgn s, por

sgn s = 1 se σ par

-1 se σ ímpar

Exemplo D3

No exemplo anterior, dado que a permutação é par, então o sgn s =1.

4.2 Determinantes. Definição e Propriedades

4.2.1 Definição

Seja ( )ijA a= uma matriz quadrada de ordem n sobre um corpo ¼.

11 12 1

21 22 2

1 2

n

n

n n nn

a a a

a a aA

a a a

=

� � �

Consideremos um produto de n elementos de A tal que um e somente um, elemento

provém de cada linha e um, e somente um , elemento provém de cada coluna.

Tal produto pode ser escrito na forma ..... .1 21 2 nj j nja a a

Isto é, onde os factores proveêm de linhas sucessivas; logo os primeiros índices estão na

ordem natural 1, 2,..., n . Agora, como os factores proveêm de colunas diferentes, a

sequência dos segundos índices forma uma permutação 1 2 nj j jσ = … em nS .

Reciprocamente cada permutação em nS , determina um produto da forma acima.

Assim, podemos formar !n desses produtos, a partir da matriz A .

Page 119: Matematica linear e Algebra

Determinantes

119

Definição

O determinante de uma matriz quadrada de ordem n , ( )ijA a= , denotado por

( )det ou AA , é a seguinte soma efectuada sobre todas as permutações 1 2 nj j jσ = …

em nS :

( ) ... .1 21 2sgn

nj j njA a a aσ

σ= ∑

Isto é

( ) ( ) ( )( ) ... .1 1 2 2sgnn

n n

S

A a a aσ σ σσ

σ∈

= ∑

Diz-se que o determinante da matriz quadrada de ordem n , é de ordem n e é

frequentemente representado por

11 12 1

21 22 2

1 2

n

n

n n nn

a a a

a a aA

a a a

=

� � �

4.2.2 Determinantes de 2ª ordem

Em 2S , a permutação 12 é par a permutação 21 é ímpar. Portanto

. .11 12

11 22 12 2121 22

a aA a a a a

a a= = −

Assim,

( ) ( )( )4 5

4 2 5 1 131 2

−= − − − − = −

− −

Page 120: Matematica linear e Algebra

Determinantes

120

4.2.3 Determinantes de 3ª ordem

Em 3S , as permutações 123, 231 e 312 são pares e as permutações 321, 213 e 132 são

ímpares. Portanto,

11 12 13

21 22 23 11 22 33 12 23 31 13 21 32 13 22 31 12 21 33 11 23 32

31 32 33

a a a

a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a

a a a

= + + − − −

Podemos escrever a expressão anterior da seguinte forma:

Que é o mesmo que

(I) 22 23 21 23 21 2211 12 13

32 33 31 33 31 32

a a a a a aa a a

a a a a a a− + .

Podemos recorrer a matrizes de ordem inferior para calcular o determinante.

Para além disso esta fórmula é facilmente memorizada visto que se obtém suprimindo à

matriz A a primeira linha e respectivamente, as primeiras, segundas e terceiras colunas.

O determinante de ordem 2 que se obtém suprimindo a primeira linha e a j -ésima

coluna deve ser multiplicado pelo elemento que ocupa a entrada ( ),1 j (i.e. o elemento

1ja ); os produtos obtidos devem ser considerados com sinais alternados e, finalmente

adicionados.

( ) ( ) ( )11 22 33 23 32 12 21 33 23 31 13 21 32 22 31a a a a a a a a a a a a a a a− − − + −

Page 121: Matematica linear e Algebra

Determinantes

121

•••

•••

•••

•••

•••

•••

� Regra de Sarrus

Esta regra dá-nos um modo para determinar as parcelas e os respectivos sinais. Só é

válida para determinantes de ordem 3.

Esta regra diz-nos que as parcelas positivas são o produto dos elementos da diagonal

principal, e também, os produtos dos elementos situados nos vértices de triângulos de

bases paralelas a essa diagonal; por outro lado, as parcelas negativas são o produto

dos elementos da outra diagonal, e também, os produtos dos elementos situados nos

vértices de triângulos de bases paralelas a essa diagonal. Esta regra pode ser ilustrada

pelos diagramas seguintes:

Parcelas com sinal + Parcelas com sinal –

Exemplo D4

Considere-se ( )3

1 0 3

2 1 5

0 2 1

A M

= − ∈ −

� .

Então pela regra de Sarrus, temos

A =1µ(–1)µ1+2µ(–2)µ3+0µ5µ0–0µ(–1)µ3–(–2)µ5µ1–2µ0µ1=–3

4.2.4 Outra definição de Determinante

A formula (I) sugere-nos a ideia de definirmos indutivamente o conceito de

determinante de uma matriz quadrada sobre um corpo ¼. Para efeito, começamos por

Page 122: Matematica linear e Algebra

Determinantes

122

introduzir a notação seguinte. Seja ( )ij nA a M = ∈ ¼ . Denotaremos por ( )A i j a matriz

que se obtém de A suprimindo a i -ésima linha e a j -ésima coluna.

Definição

Define-se o determinante de uma matriz ijA a = de ordem 1n + , como:

( ) | ( | ) | | ( | ) | | ( | ) | ( ) | ( | ) |1

1 21 11 12 1 1

1

1 1 1 1 1 2 1 1 1n

j nj n

j

A a A j a A a A a A n+

+ ++

=

= − = − + + − +∑ �

4.2.5 Propriedades de Determinantes

Teorema D1

O determinante de uma matriz A e da sua transposta TA são iguais: TA A= .

Demonstração

Suponhamos que ( )ijA a= . Então ( )TijA b= , onde ij jib a= . Portanto,

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ...

( ) ...

1 1 2 2

1 1 2 2

sgn

sgnn

n

Tn n

S

n n

S

A b b b

a a a

σ σ σσ

σ σ σσ

σ

σ

=

=

Seja t=s –1, que é a permutação que ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )... ...1 1 2 2 1 1 2 2n n n na a a a a aσ σ σ τ τ τ= , t ∈ nS .

= ( ) ( ) ( )( ) ...1 1 2 2sgnn

n n

S

a a aτ τ ττ

τ∈∑

= |A| �

Page 123: Matematica linear e Algebra

Determinantes

123

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ....( )...

( ) .... ...

| |

1 1 2 2

1 1 2 2

sgn

sgn

n

i

n

i j n n

S

i j n n

S

B a a ka a

k a a a a

k A

σ σ σ σσ

σ σ σ σσ

σ

σ

=

=

=

Teorema D2

Seja B a matriz obtida da matriz A por:

1) Multiplicação de uma linha (coluna ) por um escalar k ; então B k A= .

2) Troca entre si de duas linhas (respectivamente, colunas) de A ; então B A= − .

Demonstração

1) Se a i -ésima linha é multiplicada por k , então cada termo em A é multiplicado

por k ; então

ou seja, B k A= .

2) Vamos provar o teorema para o caso em que duas colunas são trocadas. Seja τ a

transposição que troca entre si dois números correspondentes às duas colunas de

A , que são trocadas entre si.

Se ( ) ( ) e ij ijA a B b= = , então ( )ij i jb a τ= . Portanto, para qualquer permutação σ.

Assim

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ... ( ) ...1 1 1 1 2 2sgn sgnn n

n n n n

S S

B b b a a aσ σ τσ τσ τσσ σ

σ σ∈ ∈

= =∑ ∑

Como τ é impar, sgn τσ = sgn τ. sgn σ, assim sgn σ = –sgn τσ, então

( ) ( ) ( )( ) ...1 1 2 2sgnn

n n

S

B a a aτσ τσ τσσ

τσ∈

= −∑

Dado que, σ percorre todos os elementos de nS , então τσ também percorre todos os

elementos de nS , portanto B A= − . �

Page 124: Matematica linear e Algebra

Determinantes

124

Teorema D3

Seja A uma matriz quadrada.

1) Se A tem uma linha (coluna ) de zeros então 0A = .

2) Se A tem duas linhas (colunas) idênticas, então 0A = .

3) Se A é triangular superior ou triangular inferior, então A = produto dos elementos da

diagonal principal. Assim em particular I =1, onde I é a matriz identidade.

Demonstração 1) Cada parcela em A contém um factor de cada linha; então contém um elemento

da linha de zeros. Assim, cada parcela de A é zero, logo 0A = .

2) Se trocarmos entre si duas linhas idênticas de A , ainda obtemos a matriz A . Logo,

pelo teorema D2, A A= − , então 0A = .

3) Suponhamos que ( )ijA a= é triangular inferior, isto é, os elementos acima da

diagonal principal são zeros, ou seja 0ija = , sempre que i j< . Consideremos um

termo t do determinante de A :

( ) ... , ...1 21 2 1 2sgn onde

ni i ni nt a a a i i iσ σ= = .

Suponhamos 1 1i ≠ . Então, 11 i< logo, 11 0ii = ; portanto, 0t = . Isto é, cada termo para o

qual 1 1i ≠ é zero.

Agora , suponhamos 1 1i = , mas 2 2i ≠ . Então, 22 i< ; logo 22 0ia = ; portanto 0t = . Assim,

cada termo para o qual 1 1i ≠ ou 2 2i ≠ é zero.

Analogamente, obtemos cada termo para o qual 1 1i ≠ ou 2 2i ≠ ou.... ou ni n≠ é zero.

De acordo com isso, 11 22 nnA a a a= … . Ou seja o produto dos elementos da diagonal. �

Page 125: Matematica linear e Algebra

Determinantes

125

Teorema D4

Seja B a matriz obtida da matriz A por substituição de uma linha (coluna) de A pela

soma dessa linha (coluna) multiplicada por um escalar; então B A= .

Demonstração Suponhamos que c vezes a k -ésima linha é somada à j -ésima linha de A . Usando o

símbolo para denotar a j -ésima posição num termo do determinante, temos:

( ) ( )( ) ( )

1 2

1 2 1 2

1 2

1 2 1 2

sgn

sgn sgn

k j n

n

k n j n

n n

i i ki ji ni

S

i i ki ni i i ji ni

S S

B a a ca a a

c a a a a a a a a

σ

σ σ

σ

σ σ

∈ ∈

= +

= +

∑ ∑

… …

… … … …

A primeira soma é o determinante de uma matriz, cujas k -ésimas e j -ésimas linhas são

idênticas; então pelo teorema D3 , a soma é zero. A segunda soma é o determinante

de A . Assim,

.0B c A A= + = �

Corolário D5

Seja A qualquer matriz quadrada n n× . Então são equivalentes as seguintes afirmações:

1) A é invertível

2) ( )c A n=

3) 0A ≠

Teorema D6

O determinante de um produto de duas matrizes A e B é igual ao produto seus

determinantes: .AB A B= .

Page 126: Matematica linear e Algebra

Determinantes

126

Corolário D7

Seja ( ) ( )ij nA a M= ∈ � . Então ,nA Aα α α= ∀ ∈� .

Corolário D8

Se A é invertível então 1 1A

A

− = .

4.2.6 Regra de Laplace

Teorema D9 (Regra de Laplace)

Seja ( ) ( )ij nA a M= ∈ ¼ . Então

I. ( ) | ( | ) |1

1n

i jij

j

A a A i j+

=

= −∑ (desenvolvimento segundo a i -ésima linha)

II. ( ) | ( | ) |1

1n

i jij

i

A a A i j+

=

= −∑ (desenvolvimento segundo a j -ésima coluna)

Demonstração

1) Trocando sucessivamente as linhas 1 2 1i il l l l−↔ ↔ ↔ ↔… (num total de 1i −

permutações) obtemos a matriz

1 2

11 12 1

11 12 1

11 12 1

1 2

i i in

n

i i i i n

i i i n

n n nn

a a a

a a a

A a a a

a a a

a a a

− − −

+ + +

=

� � �

� � �

Pelo teorema D2(2), temos que ( ) 11

i

iA A−

= − . Assim, obtemos

( ) ( ) ( ) | ( | ) | ( ) | ( | ) |1 1 1

1 1

1 1 1 1 1n n

i i j i ji ij i ij

j j

A A a A j a A i j− − + +

= =

= − = − − = −∑ ∑

Page 127: Matematica linear e Algebra

Determinantes

127

Uma vez que ( ) ( )1iA j A i j= isto estabelece a igualdade 1).

Para 2), consideramos a matriz TA . Por i), temos

( ) | ( | ) | ( ) | ( | ) |1 1

1 1n n

T i j i jij ij

j j

A b B i j a A j i+ +

= =

= − = −∑ ∑ ,

uma vez que ( ) ( ) e Tij jib a A i j A j ì= = . Dado que T

A A= , então

( ) | ( | ) |1

1n

i jij

i

A a A i j+

=

= −∑ . �

Exemplo D5

Neste exemplo, aplicamos a regra de Laplace para o cálculo do seguinte

determinante:

( ) ( )

.

2 3 1 1

2 0 1 0 02 0 0 0

4 3 10 0 3 0 01 4 3 1

1 3 3 1 2 2 1 51 4 0 3 11 2 1 5

3 3 31 2 1 1 52 3 3 3

2 3 5 3 3

4 3 1

6 3 2 1 5 18(4+2+15+1-20+6)= -144

1 1 1

+ +−

−= − = − −−

−−−

−−

= − =

Page 128: Matematica linear e Algebra

Determinantes

128

4.3 Matriz Adjunta

Definições

a) ( )A i j chamamos o ( ),i j - ésimo menor de A

� ( ) ( )1i j

A i j+

− chamamos o ( ),i j - ésimo cofactor de A . Denota-se por ij

A .

Nesta notação, a regra de Laplace toma a forma :

1 2 1 21 2 1 2i i in j j nji i in j j njA a A a A a A a A a A a A= + + + = + + +… …

Observemos os sinais ( )1i j+

− , que acompanham os menores, são alternadamente ”+” e

“–“ que se dispõem na forma que se segue, com os “+” na diagonal principal

����

+−+−

−+−+

+−+−

−+−+

Definição

Chamamos matriz adjunta de A , denota-se por *A à seguinte matriz

*

T

n

n nn

A A

A

A A

=

� �

11 1

1

Esta matriz dá- nos a seguinte relação entre a matriz inversa e a própria matriz:

* nAA A I=

Page 129: Matematica linear e Algebra

Determinantes

129

Teorema D10

Seja ( )nA M∈ ¼ . Então A é invertível sse 0A ≠ . Se é este o caso, temos

*1 1

A AA

− = .

Este resultado é muito útil principalmente para matrizes dois por dois.

Exemplo D6

Vamos calcular a inversa da seguinte matriz . 3 4

5 1A

=

.

3 20 17A = − = −

; ; ;11 12 21 22

1 5 4 3A A A A= = − = − =

Então *1 5

4 3

T

A−

= − , e a inversa é então 1 1 41

5 317A

− − = − −

.

4.4 Sistema de Cramer

A teoria dos determinantes pode ser aplicada à resolução de um certo tipo de sistemas

de equações lineares.

Com efeito, seja S um sistema de equações lineares representado matricialmente por

Ax B= , onde ( )nA M∈ ¼ e ( )1nB M ×∈ ¼ ( S tem o mesmo número de incógnitas e de

equações). Se 0A ≠ , então ( )c A n= e , portanto, S é possível e determinado, isto é

tem solução única. Um sistema nestas condições diz-se um SISTEMA DE CRAMER. O

resultado seguinte diz-nos que a única solução de S pode ser expressa em termos de

determinantes. De facto, temos:

Page 130: Matematica linear e Algebra

Determinantes

130

Teorema D11

Seja S um sistema de Cramer representado matricialmente por Ax B= , onde

( ) ( ) ( ) ( )1 e ij n ij nA a M B b M ×= ∈ = ∈¼ ¼ . Seja (α1, α2, ... , αn) ∈ ¼n a única solução de S .

Então

| |

11 1 1 1 1 1 1

21 2 1 2 2 2 2

1 1

j j n

j j n

n nj n nj n nn

j

a a b a a

a a b a a

a a b a a

− +

− +

− +=

� �

� �

� � � � �

� �

Demonstração

Como (α1, α2, ... , αn) ∈ ¼n é solução de S , temos

.

1 1

2 2

n n

b

bA

b

α

α

α

=

� �

Agora como A é invertível, podemos multiplicar a igualdade acima, à esquerda e à

direita, pela matriz 1A

− , obtendo

- -* .

| |

1 1 1 1

2 2 2 21 1 1

n n n n

b b

b bA A A A

M M M MA

b b

α α

α α

α α

= = =

Assim temos

(( ) | ( | ) | ( ) | ( | ) | ) ( ) | ( | ) | ),| |

1 21 2

11 1 1 2 1j j n j

j nA j b A j b A n j bA

α + + += − + − + + −�

uma vez que

* ( ) | ( | ) |1 i j

ijA A A i j+ = = −

.

Page 131: Matematica linear e Algebra

Determinantes

131

Ora pela regra de Laplace (desenvolvendo o determinante em relação à j -ésima

coluna)

( ) | ( | ) | ( ) | ( | ) | ) ( ) | ( | ) |

11 1 1 1 1 1 1

21 2 1 2 2 2 2 1 21 2

1 1

1 1 1 2 1

j j n

j j n j j n jn

n nj n nj n nn

a a b a a

a a b a aA j b A j b A n j b

a a b a a

− +

− + + + +

− +

= − + − + + −

� �

� ��

� � � � �

� �

Logo os αj têm a forma desejada. �

Exemplo D7

Seja S o sistema de três equações lineares a três incógnitas sobre Ñ

2 3 1

2 2

3

x y z

x y z

y z

+ − =

+ + = − + = −

Matricialmente, S é representado pelo sistema Ax B= , onde

( )3

2 3 1

1 1 2

0 1 1

A M

− = ∈ −

� e ( )3 1

1

2

3

B M ×

= ∈ −

� .

Como A =2+1+0–0+4–3= 4 ≠0, S é sistema de Cramer e a sua única solução (α1, α2, α3)

∈ Ñ3 é dada por

Page 132: Matematica linear e Algebra

Determinantes

132

| |1

1 3 1

2 1 2

3 1 1

− −= ,

| |2

2 1 1

1 2 2

0 3 1

−= ,

| |3

2 3 1

1 1 2

0 1 3

− −=

Logo,

α1=1 2 18 3 2 6 11

4 2+ − − + −

= − , α2 =2

9

4

1120034=

−+−++, α3=

2

3

4

940016=

++−+−−.

Page 133: Matematica linear e Algebra

Determinantes

133

Exercícios – Determinantes

1. Calcule os determinantes das seguintes matrizes:

a) u v

w x

, b) 1000

1 2 10

2 4 100

3 6π

, c)

0 7 6

5 8 5

1 1 0

,

d)

3 1 0 0

1 3 1 0

0 1 3 1

0 0 1 3

e)

1 3 2 1

0 1 1 0

2 3 1 2

1 0 1 3

− − −

f)

0 1 3 1

1 0 2 1

1 1 2 1

8 0 3 1

− − −

2. Supondo que 2 1 0 1

1 2 1

a b c

= , calcule os determinantes seguintes:

, ,

1 12 2

1 1 1

3 3 1 2 2 2 1 2 2 1 0

1 1 2 1 2 1 2 2 2 1

a b c a b c

a b c

a b c a b c− −

− −

+ +

− − − − − − −

3. Utilizando as propriedades dos determinantes mostre que :

4. Resolva as seguintes equações em Ñ:

( )3

2

2 2

2

a b c a b

c a b c b a b c

c a a b c

+ +

+ + = + +

+ +

, ,

1 2 13 1 1

0 1 1 3 15 3 1 0 0 0

1 2 1 16 6 4

0 0 0 1

a a a a a aa

a a a aa

a a a a a aa

a a a a a

++ −

+− = = =

+− +

+

Page 134: Matematica linear e Algebra

Determinantes

134

5. Seja ( )nA M∈ � . Prove que :

a) Se A é ortogonal então A = 1± .

b) Se A é anti-simétrica , i.e TA A= − e n é ímpar então 0A = .

c) Se ( )nB M∈ � é semelhante a A i.e. existe ( )nP M∈ � tal que 1B P AP−= , então

B A= .

6. Considere a matriz ( )3

2 2 1

0 3 0

1 1 1

A M

− = ∈ −

� .

a) Calcule A . Os vectores ( ) ( ) ( ), , , , , , , ,1 2 32 0 1 2 3 1 1 0 1v v v= − = − = constituem uma

base de Ñ3?

b) Determine a matriz adjunta de A , i.e. *A .

c) Determine 1A− .

7. Prove que os seguintes sistemas de coeficientes reais são sistemas de Cramer e

determine , usando a regra de Cramer, as suas ( únicas ) soluções.

x z tx y z

x y zx y z

y z tx y z

x y t

+ − = −+ − = + + = − − + = −

− − = − − + = + − = −

2 12 3 1

22 3 5 2 e

2 3 33 0

3 2 4

8. Seja S um sistema não homogéneo com 1n + equações lineares e n incógnitas e

seja 'A a sua matriz ampliada.

a) Prove que se S é possível então ' 0A = .

b) Diga, justificando, se o recíproco da alínea a) é verdadeiro .

Page 135: Matematica linear e Algebra

Determinantes

135

Page 136: Matematica linear e Algebra

Determinantes

136

Page 137: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

137

5 Aplicações Lineares

5.1 Definição e Conceitos Básicos

Definição

Sejam V e W dois espaços vectoriais sobre o mesmo corpo ¼. Uma aplicação

→V Wf: é chamada de aplicação linear ou homomorfismo de V em W se são satisfeitas

as duas condições seguintes:

1) f ( x + y ) = f(x) +f(y), ∀ x, y ∈ V

2) f ( αx ) = α f (x), ∀ α ∈ ¼, ∀ x ∈V

ou , equivalente, se satisfaz a seguinte condição:

f( αx + βy ) = α f (x) + β f (y) , ∀ α, β ∈ ¼ e ∀ x, y ∈ V.

Homomorfismos :

• Monomorfismo é um homomorfismo injectivo de V em W.

• Epimorfismo é um homomorfismo sobrejectivo de V em W.

• Isomorfismo é um homomorfismo bijectivo de V em W.

• Endomorfismo é um de V homomorfismo de V em V.

• Automorfismo é um de V homomorfismo bijectivo de V em V.

O espaço vectorial Hom( V, W):

Sejam f : V→W e g : V→W aplicações lineares de espaços vectoriais sobre um corpo ¼.

Para qualquer v ∈V e α ∈ ¼, definimos:

α α

+ = +

=

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

f g v f v g v

f v f v

Page 138: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

138

� Note-se que f + g e αf também são lineares, donde o conjunto de todas as

aplicações lineares de V em W, formarem um espaço vectorial sobre ¼. Este espaço

denota-se por Hom( V, W).

Teorema AL1

Seja f : V→W, uma aplicação linear. Então

1) f(–x) = –f(x)

2) f(x–y)= f(x)–f(y)

3) f(0V)= 0W

4) Se V’ subespaço vectorial de V, então f(V’) é subespaço vectorial de W

5) Se W’ subespaço vectorial de W então f –1(W’) subespaço de V.

Onde f–1(W’)={ x ∈ V: f(x) ∈ W’}.

Demonstração

1) f(–x)= f((–1).x)= (–1)f(x)= –f (x)

2) f(x–y)= f(x +(–y))= f(x)+f (–y)= f(x)+(–f(y))=f(x)–f(y)

3) f(0V)= f(x–x)= f(x)–f(x)=0w.

4) Por hipótese sabemos que V’ subespaço de V e f : V→W, uma aplicação linear.

Vejamos então que f(V’) subespaço de W.

1) Como 0V ∈ V’ temos que f(0V)= 0W logo 0W ∈ f(V’).

2) Sejam v’ e u’ ∈ f (V’) e vejamos que v’+u’ ∈ f (V’).

∃ w1 e w2 ∈ V’, tais que f(w1)=v’ e f(w2)=u’ então

v’+ u’= f(w1) + f(w2) = f(w1 + w2) ∈ f (V’)

∈ V’.

3) Sejam, α ∈ ¼, v’∈ f(V’) e vejamos que α v’ ∈ f (V’).

∃ w1 ∈ V’, tal que f(w1)=v’ então

αv’ =α f(w1) = f(αw1) ∈ f (V’)

∈ V’.

Page 139: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

139

5) Por hipótese temos que W’ subespaço vectorial de W e vamos provar que f –1(W’)

subespaço de V, com f –1(W’)={ x ∈ V: f(x) ∈ W’}.

1) 0W ∈ W’ e 0W =f(0V) fl 0V ∈ f–1(W’)

2) Sejam x e y ∈ f–1(W’) queremos provar que x + y ∈ f–1(W’)

Sabemos que f(x) e f(y) ∈ W’ f–1(W’) e que f (x +y) = f(x) +f(y) , como:

f(x)+ f(y)∈ W’ então f(x + y)∈ W’fl x+y ∈ f–1(W’)

3) ?∀ α ∈ ¼, ∀ x ∈ f–1(W’) queremos provar que αx∈ f–1(W’)

Como f(αx)=αf(x) ∈ W’ então αx ∈ f–1(W’).

5.2 Núcleo e Imagem de uma Aplicação Linear

Definição

Seja f : V→W uma aplicação linear.

1) Imagem de f =Im f ={w ∈ W: f(v) = w para algum v ∈ V}= f (V)

2) Núcleo de f = Ker f = {v ∈ V : f(v) = 0W }.

Teorema AL2

Seja f : V→W uma aplicação linear. Então a imagem de f é um subespaço vectorial de

W e o núcleo de f é um subespaço vectorial de V.

Demonstração

Exercício.

Observação

Seja f : V→W, uma aplicação linear, f é sobrejectiva sse dim(Im f) =dim W.

Page 140: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

140

Teorema AL3

Sejam v1, v2, ..., vn vectores quaisquer que geram um espaço vectorial V de dimensão

finita. Seja f:V→W uma aplicação linear onde W também é de dimensão finita. Então

f(v1),f(v2),...f(vn) geram Im f. Im f =< f(v1), f(v2), ...f(vn)>.

Demonstração

Seja y um qualquer elemento de Im f vamos provar y se pode escrever como

combinação linear de f(v1), f(v2), ...f(vn).

Se y ∈ Im f, então ∃ u ∈ V, tal que y = f(u)= f( α1v1 + α2v2 + ....+ αnvn ) já que v1, ..., vn

são vectores que geram um espaço vectorial V.

Logo

f(u) = α1f(v1)+ α2f(v2 )+ ....+ αnf(vn ),

ou seja y é combinação linear de f(v1), f(v2), ...f(vn).

Teorema AL4

Uma aplicação linear f : V→W é injectiva se e só se Ker f = 0v .

Demonstração

(ï)

É imediato que se f injectiva então o único elemento x tal que f(x)=0W, só poderá ser

x= 0V. Logo Ker f = 0v

(ì)

Supondo que Ker f = 0v queremos provar que f injectiva.

Sejam x, y ∈ V tais que

f(x) =f(y)

f(x)–f(y)= 0W

f(x–y) =0W

ou seja x–y ∈ Ker f = 0V

Logo x–y = 0 ï x = y.

Page 141: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

141

Teorema AL5

Uma aplicação linear f : V→W é injectiva se e só se a imagem de qualquer conjunto

linearmente independente é linearmente independente.

Demonstração

(ï)

Hipótese: f injectiva e { v1, v2, ..., vn } é um sistema de vectores linearmente

independente em V

Tese: {f(v1), f(v2), ...f(vn)} são linearmente independentes em W.

Seja 0W= α1f(v1)+ α2f(v2 )+ ....+ αnf(vn), combinação linear do vecto nulo, então

como

α1f(v1)+ α2f(v2 )+ ....+ αnf(vn)=f(α1v1)+ f(α2v2 )+ ....+ f(αn vn )= f(α1v1+α2v2 +...+ αn vn )= 0W

como a aplicação linear é injectiva então

α1v1+α2v2 +...+ αn vn = 0V.

Como { v1, v2, ..., vn } é um sistema de vectores linearmente independente logo para

qualquer i temos αi= 0.

(ì)

Hipótese : Se { v1, v2, ..., vn } é um sistema de vectores linearmente independente em

V, então o sistema de vectores {f(v1), f(v2), ...f(vn)} também é linearmente

independente em W.

Tese: f é uma função injectiva

Queremos provar quer Ker f = { 0V }, tomando u ∈V , tal que f(u)=0W,

Se u≠0V, o vector u seria independente, e então, por hipótese, a sua imagem seria

ainda independente, o que é falso, visto que f(u)=0W. Logo u=0V, o que mostra que f

injectiva.

Page 142: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

142

Observação

Seja { v1, v2. ..., vn} uma base de V, então f é injectiva sse {f(v1), f(v2), ..., f(vn)} é uma base

de Im f.

Teorema AL6

Sejam V e W dois espaços vectoriais sobre o mesmo corpo ¼, de dimensão finita. Seja

B={ v1, v2. ..., vn} uma base de V e w1, w2, ... , wn vectores quaisquer em W. Então existe

uma e só uma aplicação linear f : V→W tal que f(v1) = w1, f(v2) = w2, ... , f(vn)=wn.

Demonstração

Se u ∈ V então u = α1v1 + α2v2 + ....+ αnvn, para cada elemento diferente existe

escalares diferentes

Vamos considerar a seguinte aplicação f de V em W .Que a cada u faz

corresponder

f(u)= αααα1w1 + αααα2w2 + ....+ ααααnwn

1) Vamos provar que esta a aplicação assim definida é linear.

Dados u, v ∈ V, então u=α1v1 + α2v2 + ....+ αnvn, e v=b1v1 + b2v2 + ....+bnvn

Então

au+bv= a[α1v1 + ....+ αnvn]+b[b1v1+...+bnvn]=aα1v1+....+ aαnvn+bb1v1 +...+bbnvn=

(aα1+b b1)v1+....+(aαn+b bn)vn

Logo

af(u)+bf(v)=a[α1w1+...+ αnwn]+b[b1w1 +...+ bnwn]=

(aα1+b b1)w1 + ....+ (aαn+b bn)wn= f(au+bv)

2) f(vi)= wi, porque vi =0v1+...+1vi+...+0vn.

3) Falta então ver que esta aplicação é única.

Seja então g uma outra aplicação linear de V em W tal que g(vi)= wi.

Seja u um elemento arbitrário de V.

Então

g(u) = g(α1v1 + α2v2 + ....+ αnvn) = α1g(v1 )+ α2g(v2 )+ ....+ αng(vn)

= α1w1 + α2w2 + ....+ αnwn = f(u), logo ∀ u ∈ V f(u)= g(u) e f ª g.

g(vi)= wi

Page 143: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

143

Teorema AL7

Sejam V e W dois espaços vectoriais sobre o mesmo corpo ¼. seja V um espaço

vectorial de dimensão finita e f : V→W uma aplicação linear.

Então dim V = dim(Ker f ) + Dim (Im f ).

Demonstração

Seja {u1, u2, ...uk}uma base do Ker f, (se o núcleo for zero, tomaremos um conjunto

vazio).

Pelo teorema Steinitz é possível construir uma base de V que inclua estes vectores

seja B={u1, u2, ...uk, v1, v2, ...vn–k} a base.

De acordo com que já vimos sabemos que:

Im f =< f(u1), f(u2), ...f(uk), f(v1), f(v2), ...f(vn–k) > = < 0V, 0V, ..., 0V, f(v1), f(v2), ...f(vn–k) >

=< f(v1), f(v2), ...f(vn–k)>

Falta ver que que os vectores{ f(v1), f(v2), ...f(vn–k)} são linearmente independentes.

Seja uma combinação linear do vector nulo

0W= α1f(v1)+ α2f(v2 )+ ....+ αn–kf(vn–k )

Como α1f(v1)+ α2f(v2 )+ ....+ αn–kf(vn–k )= f(α1v1+α2v2 +...+ αn–kvn–k ) = 0W

temos que

α1v1+α2v2 +...+ αn–kvn–k ∈ Ker f.

Mas por construção, os vectores v1, v2, ...vn–k geram um espaço complementar ao

núcleo de f, pelo que α1v1+α2v2 +...+ αn–kvn–k= 0V. Como os vectores v1, v2 ...,vn–k são

linearmente independentes, vêm que os αi=0, ∀ i.

Assim dim(Im f) = n – k = dim V – dim(Ker f) .

Page 144: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

144

5.3 Matriz de uma Aplicação Linear

Sejam V e W espaços vectoriais de dimensão finita sobre um mesmo corpo ¼, sendo

dim V = n e dim W = m. Consideremos ainda S ={ u1, u2, ..., un} uma base do espaço

vectorial V e B = {w1, w2, ..., wn} uma base do espaço vectorial W.

Como os vectores f(u1), f(u2), ..., f(un) pertencem a W, cada um deles é combinação

linear dos vectores da base B de W, ou seja

f(u1) = a11w1 + a21w2 + ... + am1wm

f(u2) = a12w1 + a22w2 + ... +am2wm

....................................................

f(un) = a1nw1 + a2nw2+ ... +amn wm

A transposta da matriz dos coeficientes acima, denota-se por [ ]B

Sf , e é chamada de

matriz do operador linear f em relação às bases S e B:

Seja v ∈ V, v= α1u1 + α2u2 + ... + αnum. Então escreveremos o vector das coordenadas de

v em relação à base S como um vector coluna:

[v]S =

α

αα α α

α

= =

1

21 2

n

( , , , )...

TnS

V

=

11 12 1

21 22 2B

S

1 2

...

...f

... ... ... ...

...

n

n

m m mn

a a a

a a a

a a a

Page 145: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

145

Teorema AL8

Sejam V e W espaços vectoriais de dimensão finita sobre um mesmo corpo ¼, sendo

dim V = n e dim W = m. Consideremos ainda S ={ u1, u2, ..., un} uma base do espaço

vectorial V e B = {w1, w2, ..., wn} uma base do espaço vectorial W. Então

[ ] [ ] [ ]SB

SB vff(v) =

Demonstração

Vejamos em primeiro lugar que:

[ ] [ ]

α

α

α

=

α

α

α

=

=

=

=

n

1j

jnj

n

1j

jj2

n

1j

jj1

n

2

1

mn2m1m

n22221

n11211

S

B

S

a

a

a

...

a...aa

............

a...aa

a...aa

vf

Por outro lado

f(v)= α1f(u1)+ α2f(u2) + ... + αnf(um) =

α α α α α α α= = = = = = = = = = =

+ + + = = = =

∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑∑ ∑ ∑ ∑ ∑1 1 2 2

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

....m m m n m m n m n m n

i i i i n in i j ij i j ij i j ij i ij j ii i i j i i j i j i j

a w a w a w a w a w a w a w

Observação

Se f é uma aplicação linear, entre dois espaços vectoriais e B a matriz que representa a

aplicação em relação a duas bases fixas, então a dim(Im f) = c(B).

Teorema AL9

Sejam V e W espaços vectoriais de dimensão finita sobre o mesmo corpo ¼, sendo dim

V= n e dim W = m. Fixada uma base para V e uma para W, a aplicação f → [f], é um

isomorfismo entre o espaço Hom (V, W) e o espaço das matrizes de m x n com entradas

em ¼.

Page 146: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

146

Ficam assim identificadas matrizes com aplicações lineares.

Observação

Considere o sistema de m equações lineares em n incógnitas Ax = b.

A matriz A pode ser encarada como uma matriz de uma aplicação linear f : ¼n → ¼m .

Assim, a solução da equação Ax = b pode ser vista com sendo a pré – imagem de b por

f. E Ax = 0, pode ser vista como o núcleo da aplicação linear f.

Teorema AL10

A dimensão do espaço solução do sistema linear homogéneo de m equações em n

incógnitas Ax = 0 é n – c(A) .

Demonstração

dim V = dim (Ker A) + dim (Im A) ⇒ dim(Ker A) = n – dim (Im A).

5.4 Composição de Aplicações Lineares

Teorema AL11

Sejam V, W e U espaços vectoriais sobre o mesmo corpo ¼ e f: V→W e g: W→U

aplicações lineares. Então a função composta g o f : V→U é uma aplicação linear.

Demonstração

Exercício.

Teorema 4.12

Sejam V, W e U espaços vectoriais sobre o mesmo corpo ¼. Sejam f1 e f2 aplicações

lineares de V de V em W e g1 e g2 aplicações lineares de W em U. seja α ∈ ¼.

Então

1) g1 o (f1 + f2 ) = g1 o f1 + g1 o f2

2) (g1 + g2 ) o f1 = g1 o f1 + g2 o f1

3) a( g1 o f1 ) = (αg1) o f1 = g1 o (αf1)

Page 147: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

147

Demonstração

Exercício

5.5 Aplicações Lineares Invertíveis

Definição

Sejam V e W espaços vectoriais sobre o mesmo corpo ¼. sejam f: V→W e g: W→V

aplicações lineares satisfazendo g o f = 1V e f o g = 1W. Então dizemos que g é a inversa

de f. Diz-se que f é invertível e denota-se a inversa por f –1.

Nota

a) (f –1)–1= f

b) (g o f) –1 = f –1 o g–1.

Observação

� Seja f: V→W uma aplicação linear invertível , então a dim V= dim W.

� Considere-se f uma aplicação linear invertível. Seja [ ]B

Sf a matriz que representa f, B

e S são bases fixas de V e W respectivamente. Então [ ]B

Sf é uma matriz quadrada,

invertível.

Page 148: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

148

Page 149: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

149

Exercícios - Aplicações Lineares

1. Diga quais das seguintes aplicações são lineares e justifique:

a) f: Ñ3 → Ñ2

(x, y, z) → (2y, x + z)

b) p: Ñ2 → Ñ2 (x, y) → (2x+1, x +3y)

c) g: Ñ3 → Ñ3

(x, y, z) → (y, x2, –y + z) d) n: Ñ3 → Ñ3

(x, y, z) → (y – x, xz, –y + z)

e) m: Ñ3 → Ñ2

(x, y, z) → (0, x – z)

f) h: Ñ3 → Ñ3 (x, y, z) → (2, 0, –5y + 3z)

g) o: Ñ3 → Ñ3

(x, y, z) → (x +z, 2x – y + z, x + y + 2)

2. Considere as aplicações lineares de 1. Determine o núcleo e a imagem de cada

uma delas.

3. Considere a seguinte aplicação linear:

f: Ñ2 → Ñ2 (1, 0) → (1, 3)

(1, 1) → (2, –1)

a) Determine f (0, 1)

b) Determine a matriz de f em relação à base canónica de Ñ2.

c) Estude a injectividade de f.

d) Estude a sobrejectividade de f.

e) Represente f por uma expressão analítica .

4. Sejam V e W dois espaços vectoriais sobre o mesmo corpo ¼. seja f: V → W uma aplicação linear de V em W. Mostre que:

a) Se 0V e 0W são respectivamente, o vector nulo de V e o vector nulo de W, então

f(0V)=0W .

b) ∀ u ∈ V, f (–u) = –f (u).

c) Demonstre o teorema AL2

5. Sejam u, v, w três vectores constituindo uma base de Ñ3.

Page 150: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

150

a) Será que o conjunto S={u +v, 2u, 4v–w }constitui uma base de Ñ3? Justifique. b) Considere a seguinte matriz b, que representa uma aplicação linear f em

relação às bases b={u, v, w} e canónica de Ñ3:

c

bB =

−−

404

033

121

Qual a matriz de f em relação às bases S e canónica de Ñ3?

6. Determine uma expressão analitica para as seguintes aplicações lineares:

a) f: Ñ2 → Ñ2

(1, 0 ) → (1, –3)

(0, 1) → (1, 1)

b) g: Ñ2 → Ñ3

(1, 0) → (2, 1, –1)

(0, 1) → ( 2 ,3 ,–2 )

c) h: Ñ2 → Ñ3 (1, 1) → (2, 1, –1)

(2, –1) → (0, 3, –2)

d) p: Ñ3 → Ñ3

(1, 0, 0) → (–3, 1, –1)

(0, 1, 0) → (0, 3, –2)

(0, 0, 1) → (1, 1, –1)

7. Construa uma aplicação linear f: Ñ3 → Ñ3 tal que :

a) a imagem por f é gerada por o conjunto {(1, 2, 0), (0, 1, 1)}.

b) a imagem por f é o conjunto {(x, y, z}∈ Ñ3 : x – y + 2z = 0}.

c) f seja injectiva.

d) f seja não injectiva .

8. Considere as seguintes aplicações lineares:

f: Ñ3 → Ñ2

(x, y, z) → (2y, x + z)

g: Ñ3 → Ñ3 (x, y, z) → (y, x, –y + z)

h: Ñ3 → Ñ3 (x, y, z) → (2x +y, x +3y –2z, –5 y + 4z)

a) Determine a dimensão e uma base para Ker f, Ker g, Ker h.

b) Determine a dimensão e uma base para Im f, Im g, Im h.

c) Estude a injectividade e a sobrejectividade de f, g e h.

Page 151: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

151

9. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas justifique:

a) Existe um aplicação linear g: Ñ3 → Ñ3 injectiva e não sobrejectiva.

b) Existe um aplicação linear g: Ñ2 → Ñ3 sobrejectiva.

c) Existe um aplicação linear g: Ñ3 → Ñ3 não injectiva e sobrejectiva.

d) Existe um aplicação linear g: Ñ3 → Ñ2 injectiva.

e) Existe um aplicação linear g: Ñ3 → Ñ2 bijectiva.

f) Toda a aplicação linear g: IÑ3 → Ñ é sobrejectiva.

g) Toda a aplicação linear g: Ñ → Ñ2 é injectiva.

h) O vector nulo pode não pertencer ao núcleo de uma aplicação linear.

i) O vector nulo pertence sempre à imagem de uma aplicação linear.

j) Se uma aplicação linear g: Ñ3 → Ñ3 é injectiva então é também sobrejectiva.

k) Se uma aplicação linear g: Ñ3 → Ñ3 é sobrejectiva então é também injectiva.

10. Determine a representação matricial das seguintes aplicações lineares:

a) g: Ñ2 → Ñ2 (x, y) →(y, y – x)

i) em relação à base canónica de Ñ2.

ii) em relação às bases {(1, 0), (2, –1)}e canónica de Ñ2.

iii) em relação à base canónica e {(1, 0), (2, –1)}de Ñ2.

b) f: Ñ3 → Ñ2 (x, y, z) →(3y–z, x + y + z)

i) em relação à base canónica de Ñ3 e Ñ2.

ii) em relação às bases {(1, 0,–1), (0, –1, –1), (1, 0, 0 )} de Ñ3 e {(1, –1), (0, –1)} de Ñ2.

11. Considere o endomorfismo f de Ñ2, cuja matriz em relação à base S={(1, –2), (–1, 1)}

é: [ ]

−=

10

21f

S

S

Determine uma expressão analítica para f, (f (x, y)).

Page 152: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

152

12. Considere o endomorfismo f (x, y)=(–x + y, 2x) de Ñ2, cuja matriz em relação às bases S={(1, –2), (–1, 1)} e B é:

[ ]

−=

31

20f

B

S

Determine a base B.

13. Considere o endomorfismo f (x, y)=(–x + y, 2x) de Ñ2, cuja matriz em relação às bases B e S={(1, –2), (–1, 1)} e é:

[ ]

−=

11

21f

S

B

Determine a base B.

14. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas e justifique:

a) Existe uma aplicação linear f: Ñ3 → Ñ3 tal que dim (Ker f) = dim (Im f).

b) Existe uma aplicação linear f: Ñ4 → Ñ3 tal que dim (Ker f) = dim (Im f).

c) Existe um endomorfismo Ñ4 tal que Im f ⊂Ker f.

d) Existe um endomorfismo Ñ3 tal que Im f = { (0, 0, 0 )}.

e) Existe um endomorfismo Ñ3 tal que Im f tem somente um elemento.

f) Existe um endomorfismo Ñ3 tal que Im f = { (1, 1, 1 )}.

g) Existe um endomorfismo Ñ3 tal que dim (Im f) = 0.

15. Seja f: Ñn →Ñm uma aplicação linear e [ ]S

BfA = . Diga se as seguinte afirmações são

verdadeiras ou falsas e justifique:

a) Se o sistema homogéneo Ax=0 é possível e determinado, então f é injectiva.

b) Se f injectiva, então o sistema homogéneo Ax = 0 é possível e determinado.

c) Se o sistema Ax = b é possível e determinado para todo o b ∈ Mmµ1, então f é

sobrejectiva.

d) Se f é sobrejectiva, o sistema Ax = b é possível e determinado para todo o

b∈Mmµ1.

e) Se c(A|b) = c(A), então b ∈ Im f.

f) Se b∈ Im f então c(A|b) = c(A).

Page 153: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

153

16. Indique quais dos seguintes endomorfismos são bijectivos ( automorfismos ). Para esses calcule a inversa.

a) f: Ñ2 → Ñ2

(x, y) → (2y, x + y) b) g: Ñ3 → Ñ3

(x, y, z) → (y, x, –y + z)

c) h: Ñ2 → Ñ2 (x, y) → (x +y, 2x +2y)

17. Indique quais dos seguintes endomorfismos são bijectivos ( automorfismos ). Para

esses calcule a inversa. a) f: Ñ2 → Ñ2

(1, 0) → (1, –1) (0, 1) → (1, 1)

b) g: Ñ2 → Ñ2 (1, 0) → (2, –1) (0, 1) → (3 ,–3/2 )

c) h: Ñ2 → Ñ2

(1, 1) → (1, –1) (2, 1) → (0, 3)

Page 154: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

154

Page 155: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

155

Page 156: Matematica linear e Algebra

Aplicações Lineares

156

Page 157: Matematica linear e Algebra

Exames e Testes

157

Exames e Testes

1º Teste

Notas: • Leia com atenção as seguintes questões. Apresente todos os cálculos e justificações convenientes.

• No final da prova deve numerar e indicar o número de folhas de exame que entrega. Deve entregar todas as folhas de rascunho que utilizou.

1. Verifique se a proposição ( ) ( )a b b a⇒ ∧ ¬ ∧ é uma contradição.

2. Considere a seguinte proposição

2, y : x 1x y∀ ∈ ∀ ∈ < +Z Z .

a) Averigúe se é uma proposição falsa. Justifique.

b) Apresente a negação da proposição anterior.

3. Sejam A e B conjuntos. Mostre que se A B⊆ então \A B = ∅ .

4. Seja :f A B→ uma função. Considere a relação ( ) ( ) ( ){ }2, :R x y A f x f y= ∈ = . Mostre

que R é uma relação de equivalência em A .

5. Considere a relação R no conjunto { }, , ,A u v t w= , definida por

{ }( , ), ( , ), ( , ), ( , ), ( , ), ( , ), ( , ), ( , )u u v v t t w w t v u w t u t w=R .

a) Verifique se R é uma relação de ordem em A.

b) A propriedade dicotómica é válida em R ?

c) Indique os elementos maximais e minimais e diga justificando se são máximos ou mínimos.

6. Sejam A, B e C matrizes tais que A é uma matriz linha com 4 colunas, B œ M rµ t (Ñ), C

uma matriz invertível e D œ M qµ 3 (Ñ). Determine se existe valores r, t e q, para os quais (C–1A-2BT)D está bem definido.

7. Discuta o seguinte sistema de equações lineares em função dos parâmetros reais a e b:

=+−

=++

=+

bzyx

azyx

yx

6

2332

1

.

Época Normal

Semestral 1ª Chamada Anual 1ª Chamada 1º Teste 2º Teste Global

2ª Chamada 2ª Chamada

Época Recurso Época Especial Exame Especial

Duração: 1 h 00 m Tolerância: 30 minutos Com Consulta

Sem consulta

Docente: Ana Luísa Nunes Data: 04 / 11 / 2008

Page 158: Matematica linear e Algebra

Exames e Testes

158

2º Teste

Instituto Politécnico do Cávado e do Ave Página 1

Notas: • Leia com atenção as seguintes questões. Apresente todos os cálculos e justificações convenientes.

• No final da prova deve numerar e indicar o número de folhas de exame que entrega. Deve entregar todas as folhas de rascunho que utilizou.

1. Considere o seguinte subespaço vectorial de Ñ3, ( ){ }= ∈ − + =3, , : 3 0S x y z IR x y z .

a) Mostre que S é um subespaço vectorial de Ñ3.

b) Determine uma base para S e indique a sua dimensão.

c) Determine as coordenadas do vector ( ), ,−2 1 3 19 3 relativamente à base encontrada na

alínea b).

2. Seja A=

1 2 0

1

2 2 1

a b

a

− − −

, onde a, b ∈ Ñ.

a) Mostre que |A|=(a+2)×(-2b+1).

b) Determine os valores para os quais a, b de modo a que c(A)=3.

3. Considere B=2 4

3 1

.

a) Calcule |B|.

b) Determine B*.

c) Seja P ∈ Mn(Ñ), calcule o determinante de P–1B P.

d) As linhas da matriz B, são linearmente independentes? Justifique

4. Seja f: Ñ3 → Ñ3 uma aplicação linear definida da seguinte forma:

( ) ( )= − + − +, , 2 , ,3 5f x y z x y y z x y z

a) Determine o Núcleo de f. Qual a sua dimensão?

b) Determine a Imagem de f.

c) Com base nas alíneas anteriores diga, justificando, se f é injectiva. E sobrejectiva?

Época Normal

Semestral 1ª Chamada Anual 1ª Chamada 1º Teste 2º Teste Global

2ª Chamada 2ª Chamada

Época Recurso Época Especial Exame Especial

Duração: 1 h 00 m Tolerância: 30 minutos Com Consulta

Sem consulta

Docente: Ana Luísa Nunes Data: 10 / 12 / 2008

Bom trabalho!

Page 159: Matematica linear e Algebra

Exames e Testes

159

Recurso

Época Normal

Semestral 1ª Chamada Anual 1ª Chamada 1º Teste 2º Teste Global

2ª Chamada 2ª Chamada

Época Recurso Época Especial Exame Especial

Duração: 2 h 00 m Tolerância: 0 minutos Com Consulta

Sem consulta

Docente: Teresa Abreu/ Ana Luísa Nunes Data: 9 / 02 / 2009

Notas: • Leia com atenção as seguintes questões. Apresente todos os cálculos e justificações convenientes.

• No final da prova deve numerar e indicar o número de folhas de exame que entrega. Deve entregar todas as folhas de rascunho que utilizou.

1. a) Considere p, q proposições dadas. Verifique se a proposição ( )p q p q ∨ ∧ ¬ ⇒ é uma tautologia.

b) Simplifique a negação da proposição anterior.

c) Considere a proposição ( )( ) ( ) ( ) ( )x y p x q y p x q y ∀ ∈ ∃ ∈ ∨ ∧ ¬ ⇒ , : U U (*)

i) Tendo em conta a alínea a) , diga o valor lógico da proposição dada (*).

ii) Tendo em conta a alínea b), simplifique a negação da proposição (*)

2. Considere a relação R no conjunto { }1,2,3,4A = no conjunto, definida por

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }, , , , ( , ), ( , ), , , , , , , ,= 11 2 2 3 3 4 4 1 3 3 1 2 4 4 2R

a) Mostre que R não é uma relação de ordem.

b) Mostre que R é uma relação de equivalência

c) Determine AR

.

3. Sendo ,A B C três conjuntos quaisquer. Verifique se e AA B C⊂ ⊂ então B C⊂ .

4. Sejam A e B matrizes de dimensões sµr, 4µ3 respectivamente, e C uma matriz simétrica. Diga para que

valores de r e s a operação AC - 2BT está bem definida.

5. A seguinte matriz representa um sistema de equações lineares representado na forma matricial. Discuta o

seguinte sistema em função dos parâmetros indicados.

Page 160: Matematica linear e Algebra

Exames e Testes

160

2

1 2 3 5

0 1 3 ,

0 0 1 1

b

a c

− + +

a, b, c œ Ñ

1. Diga justificando se a matriz 2 5

1 3

é invertível e em caso afirmativo indique a inversa.

2. a) Verifique se B={(1, 4, 0), (0, 2, 3), (0, 0, 2)}é base de Ñ3 .

b) Verifique se S={(x, y, z) œ Ñ3: 2x–y = 0} é subespaço vectorial de Ñ

3 .

c) Determine uma base e a dimensão de S.

3. Considere a matriz

4 3

2 2

0 3 3

x

A x x

=

a) Resolva a seguinte equação em R : 0A =

b) Determine para que valores de x, a matriz A é invertível.

4. Seja B={u, v}uma base de Ñ2. Considere g:Ñ

2� Ñ

3 uma aplicação linear definida da seguinte forma:

2 3:

( ) (1,2,0)

( ) (0,0,3)

g

g u

g v

=

=

R R

a) Mostre que g não é sobrejectiva.

b) Calcule Im g.

c) A aplicação é injectiva? Justifique.

d) Calcule g (u + 2v)

Page 161: Matematica linear e Algebra

Exames e Testes

161

Especial

Época Normal

Semestral 1ª Chamada Anual 1ª Chamada 1º Teste 2º Teste Global

2ª Chamada 2ª Chamada

Época Recurso Época Especial Exame Especial

Duração: 2 h 00 m Tolerância: 0 minutos Com Consulta

Sem consulta

Docente: Teresa Abreu e Ana Luísa Nunes Data: 12 / 09 / 2009

Notas: • Leia com atenção as seguintes questões. Apresente todos os cálculos e justificações convenientes.

• No final da prova deve numerar e indicar o número de folhas de exame que entrega. Deve entregar todas as folhas de rascunho que utilizou.

1. Sendo, p e q duas proposições. Verifique se a seguinte proposição é uma tautologia

( ) ( )q p p q ¬ ⇒ ⇔ ¬ ⇒

2. Considere a seguinte proposição

, : 0y x x y∀ ∈ ∃ ∈ + =� �

a) Averigúe se é uma proposição verdadeira. Justifique.

b) Apresente a negação da proposição anterior:

3. Considere a relação R no conjunto { }, ,A α β π= , definida por

{ }( , ), ( , ), ( , ), ( , ), ( , )α α β β π π π β β π=R

a) Mostre que R é uma relação de equivalência em A .

b) Determine AR

.

4. Sejam os conjuntos { }{ }0,1, 2A = e { }{ }2, 1,3B = . Determine ( )B A∩P .

5. Diga o que é e dê um exemplo de uma matriz simétrica de dimensão 3.

6. Discuta o seguinte sistema em função do parâmetro real a

=+−

=+−

=++

222

1

3

zayx

zyx

zyx

Page 162: Matematica linear e Algebra

Exames e Testes

162

7. a) Determine <{(1, 4, 0), (0, 2, 0), (1, 0, 2)} > .

b) Verifique se S={(x, y, z) œ Ñ3: 2x–z = 0} é subespaço vectorial de Ñ3 .

8. Considere a matriz:

−−

3101

0122

1110

1210

a) Determine |A|.

b) Diga justificando se existe 1−A .

9. Considere g:Ñ3� Ñ2 uma aplicação linear definida da seguinte forma:

3 2:

( , , ) (2 , )

g

g x y z x y z

= +

R R

a) Calcule uma base e a dimensão do Núcleo de g.

b) Calcule Im g.

c) Diga o valor lógico da seguinte proposição:” g é uma aplicação bijectiva”.

Page 163: Matematica linear e Algebra

Bibliografia

163

Bibliografia

Santos, Fernando Borja: Sebenta de Matemáticas gerais. Lisboa. Plátano,

Newton-Smith, W. : Lógica. Um curso Introdutório. Lisboa. Gradiva. 1988

Lipschutz, S. :Álgebra Linear – Colecção Schaum, McGraw-Hill

Giraldes E. , Fernandes V., Smith P. :Curso de Álgebra Linear Geometria Analítica –

MacGraw-Hill

Page 164: Matematica linear e Algebra

Exames e Testes

164