Enunciado

Nos exercicios 19-21, prove que o conjunto com as operações dadas é um espaço vetorial.

19 O conjunto Mmn de todas as matrizes mxn com as operações padrão de adição e multiplicação por escalar.

Passo 1

As operações definidas são as seguintes:

u + v = u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + v 11 v 12 … v 1 n v 21 v 22 … v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ v m 1 v m 2 … v m n

u + v = u 11 + v 11 u 12 + v 12 … u 1 n + v 1 n u 21 + v 21 u 22 + v 22 … u 2 n + v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 + v m 1 u m 2 + v m 2 … u m n + v m n

e

a u = a u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n

a u = a u 11 a u 12 … a u 1 n a u 21 a u 22 … a u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a u m 1 a u m 2 … a u m n

Com escalares a quaisquer.

Passo 2

Agora vamos conferir os Axiomas 1 e 6. Se eles valerem, vamos conferir os outros axiomas que ficaram faltando.

Seja u ,   v ∈ V e a ∈ R , então

Axioma 1:

u + v = u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + v 11 v 12 … v 1 n v 21 v 22 … v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ v m 1 v m 2 … v m n

u + v = u 11 + v 11 u 12 + v 12 … u 1 n + v 1 n u 21 + v 21 u 22 + v 22 … u 2 n + v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 + v m 1 u m 2 + v m 2 … u m n + v m n

A soma de duas matrizes m × n continua sendo uma matriz m × n , então o espaço é fechado para a soma.

Axioma 6:

a u = a u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n

a u = a u 11 a u 12 … a u 1 n a u 21 a u 22 … a u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a u m 1 a u m 2 … a u m n

A matriz que obtemos continua sendo uma matriz m × n , ou seja, o espaço vetorial também e fechado para a multiplicação por escalar.

Agora vamos para os outros.

Passo 3

Axioma 2:

Seja u ,   v ∈ V , então:

u + v = u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + v 11 v 12 … v 1 n v 21 v 22 … v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ v m 1 v m 2 … v m n

u + v = u 11 + v 11 u 12 + v 12 … u 1 n + v 1 n u 21 + v 21 u 22 + v 22 … u 2 n + v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 + v m 1 u m 2 + v m 2 … u m n + v m n

Como os termos dessa sequencia são reais podemos reescrever dessa forma

u + v = v 11 + u 11 v 12 + u 12 … v 1 n + u 1 n v 21 + u 21 v 22 + u 22 … v 2 n + u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ v m 1 + u m 1 v m 2 + u m 2 … v m n + u m n

u + v = v 11 v 12 … v 1 n v 21 v 22 … v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ v m 1 v m 2 … v m n + u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n

u + v = v + u

Axioma 3:

Seja u ,   v ,   w ∈ V , então:

u + v + w =

= u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + v 11 v 12 … v 1 n v 21 v 22 … v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ v m 1 v m 2 … v m n + w 11 w 12 … w 1 n w 21 w 22 … w 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ w m 1 w m 2 … w m n

= u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + v 11 + w 11 v 12 + w 12 … v 1 n + w 1 n v 21 + w 21 v 22 + w 22 … v 2 n + w 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ v m 1 + w m 1 v m 2 + w m 2 … v m n + w m n

= u 11 + v 11 + w 11 u 12 + v 12 + w 12 … u 1 n + v 1 n + w 1 n u 21 + v 21 + w 21 u 22 + v 22 + w 22 … u 2 n + v 2 n + w 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 + v m 1 + w m 1 u m 2 + v m 2 + w m 2 … u m n + v m n + w m n

Como os termos dessa matriz são reais podemos reescrever dessa forma

= u 11 + v 11 + w 11 u 12 + v 12 + w 12 … u 1 n + v 1 n + w 1 n u 21 + v 21 + w 21 u 22 + v 22 + w 22 … u 2 n + v 2 n + w 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 + v m 1 + w m 1 u m 2 + v m 2 + w m 2 … u m n + v m n + w m n

= u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + v 11 v 12 … v 1 n v 21 v 22 … v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ v m 1 v m 2 … v m n + w 11 w 12 … w 1 n w 21 w 22 … w 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ w m 1 w m 2 … w m n

= u + v + w

Axioma 4:

Seja u ∈ V , então:

u + 0 = u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + 0 0 … 0 0 0 … 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 0 0 … 0

u + 0 = u 11 + 0 u 12 + 0 … u 1 n + 0 u 21 + 0 u 22 + 0 … u 2 n + 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 + 0 u m 2 + 0 … u m n + 0

u + 0 = u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n = u

u + 0 = 0 + u 11 0 + u 12 … 0 + u 1 n 0 + u 21 0 + u 22 … 0 + u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 0 + u m 1 0 + u m 2 … 0 + u m n

u + 0 = 0 0 … 0 0 0 … 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 0 0 … 0 + u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n

u + 0 = 0 + u

Axioma 5:

Seja u ∈ V , então:

u + - u = u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + - u 11 - u 12 … - u 1 n - u 21 - u 22 … - u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ - u m 1 - u m 2 … - u m n

u + - u = u 11 - u 11 u 12 - u 12 … u 1 n - u 1 n u 21 - u 21 u 22 - u 22 … u 2 n - u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 - u m 1 u m 2 - u m 2 … u m n - u m n

u + - u = 0 0 … 0 0 0 … 0 ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 0 0 … 0

u + - u = 0

Axioma 7:

Seja u ,   v ∈ V e a ∈ R , então:

a u + v = a u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + v 11 v 12 … v 1 n v 21 v 22 … v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ v m 1 v m 2 … v m n

a u + v = a ⋅ u 11 + v 11 u 12 + v 12 … u 1 n + v 1 n u 21 + v 21 u 22 + v 22 … u 2 n + v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 + v m 1 u m 2 + v m 2 … u m n + v m n

a u + v = a u 11 + v 11 a u 12 + v 12 … a u 1 n + v 1 n a u 21 + v 21 a u 22 + v 22 … a u 2 n + v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a u m 1 + v m 1 a u m 2 + v m 2 … a u m n + v m n

Como os termos dessa sequencia são reais podemos reescrever dessa forma

a u + v = a u 11 + a v 11 a u 12 + a v 12 … a u 1 n + a v 1 n a u 21 + a v 21 a u 22 + a v 22 … a u 2 n + a v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a u m 1 + a v m 1 a u m 2 + a v m 2 … a u m n + a v m n

a u + v = a u 11 a u 12 … a u 1 n a u 21 a u 22 … a u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a u m 1 a u m 2 … a u m n + a v 11 a v 12 … a v 1 n a v 21 a v 22 … a v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a v m 1 a v m 2 … a v m n

a u + v = a u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + a v 11 v 12 … v 1 n v 21 v 22 … v 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ v m 1 v m 2 … v m n

a u + v = a ⋅ u + a ⋅ v

Axioma 8:

Seja u ∈ V e a , b ∈ R , então:

a + b ⋅ u = a + b ⋅ u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n

a + b ⋅ u = a + b u 11 a + b u 12 … a + b u 1 n a + b u 21 a + b u 22 … a + b u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a + b u m 1 a + b u m 2 … a + b u m n

a u + v = a u 11 + b u 11 a u 12 + b u 12 … a u 1 n + b u 1 n a u 21 + b u 21 a u 22 + b u 22 … a u 2 n + b u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a u m 1 + b u m 1 a u m 2 + b u m 2 … a u m n + b u m n

a u + v = a u 11 a u 12 … a u 1 n a u 21 a u 22 … a u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a u m 1 a u m 2 … a u m n + b u 11 b u 12 … b u 1 n b u 21 b u 22 … b u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ b u m 1 b u m 2 … b u m n

a + b ⋅ u = a u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n + b u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n

a + b ⋅ u = a u + b u

Axioma 9:

Seja u ∈ V e a , b ∈ R , então:

a b u = a b ⋅ u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n

a b u = a ⋅ b u 11 b u 12 … b u 1 n b u 21 b u 22 … b u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ b u m 1 b u m 2 … b u m n

a b u = a b u 11 a b u 12 … a b u 1 n a b u 21 a b u 22 … a b u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a b u m 1 a b u m 2 … a b u m n

Por se tratar de números Reais, podemos escrever:

a b u = a b u 11 a b u 12 … a b u 1 n a b u 21 a b u 22 … a b u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a b u m 1 a b u m 2 … a b u m n

a b u = a b u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n

a b u = a b u

Axioma 10:

Seja u ∈ V , então:

1 u = 1 ⋅ u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n

1 u = 1 ⋅ u 11 1 ⋅ u 12 … 1 ⋅ u 1 n 1 ⋅ u 21 1 ⋅ u 22 … 1 ⋅ u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ 1 ⋅ u m 1 1 ⋅ u m 2 … 1 ⋅ u m n

1 u = u 11 u 12 … u 1 n u 21 u 22 … u 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ u m 1 u m 2 … u m n

1 u = u

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

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