Determine uma base e a dimensão do subespaço de formado por todas as matrizes diagonais.

Passo 1

Vamos começar resumindo o que o problema pede. Temos que encontrar uma **base** e a **dimensão** de um subespaço específico de , que é o conjunto de todas as matrizes com entradas reais. O subespaço em questão é formado por todas as **matrizes diagonais**. Para resolver isso, vamos precisar entender o que é uma base de um espaço vetorial e como determinar a dimensão desse espaço.

Passo 2

Primeiro, vamos lembrar o que é uma **matriz diagonal**. Uma matriz diagonal é uma matriz quadrada onde todos os elementos fora da diagonal principal são zero. Por exemplo, uma matriz diagonal tem a forma: Aqui, apenas os elementos podem ser diferentes de zero.

Passo 3

Agora, para encontrar uma **base** desse subespaço, precisamos encontrar um conjunto de matrizes diagonais que sejam **linearmente independentes** e que **gerem** todas as matrizes diagonais. Cada matriz na base terá apenas um elemento diferente de zero na diagonal principal, correspondendo a uma posição específica.

Passo 4

Vamos construir essas matrizes base. Para cada posição na diagonal principal, criamos uma matriz que tem 1 nessa posição e 0 nas outras. Assim, teremos: Essas quatro matrizes formam um conjunto que **gera** todas as matrizes diagonais, pois qualquer matriz diagonal pode ser escrita como uma combinação linear dessas.

Passo 5

Para confirmar que esse conjunto é uma **base**, precisamos verificar que as matrizes são **linearmente independentes**. Isso significa que a única combinação linear que resulta na matriz zero é aquela onde todos os coeficientes são zero. De fato, se tivermos: Isso implica que , o que confirma a independência linear.

Passo 6

Agora, para encontrar a **dimensão** do subespaço, contamos o número de vetores (matrizes) na base. Como temos quatro matrizes , a dimensão é 4.

Resposta

Uma base do subespaço é formada pelas matrizes diagonais e a dimensão desse subespaço é 4.

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