Seja A uma matriz nxpe seja U=B in M n times n / A B=B A. Se A1=[ll0 & 1 0 & 0], encontre uma base para o subespaço U de M nxn e obtenha a dim U

Passo 1

Beleza, vamos entender o que a questão está pedindo. Temos uma matriz 0 & 1 0 & 0 e queremos encontrar todas as matrizes que têm o mesmo tamanho que (ou seja, 2x2) e que satisfazem a condição . Esse conjunto de matrizes forma um subespaço, chamado , dentro do espaço das matrizes 2x2. Nosso objetivo é encontrar uma base para esse subespaço e determinar a sua dimensão. Para resolver isso, vamos precisar entender conceitos de álgebra linear como subespaços vetoriais, matrizes comutativas e bases.

Passo 2

Primeiro, vamos lembrar o que significa que B = b11 & b12 b21 & b22 . Duas matrizes que satisfazem essa igualdade são chamadas de matrizes comutativas em relação a A1 B = 0 & 1 0 & 0 b11 & b12 b21 & b22 = (0)(b11) + (1)(b21) & (0)(b12) + (1)(b22) (0)(b11) + (0)(b21) & (0)(b12) + (0)(b22) = b21 & b22 0 & 0 . Nosso objetivo é encontrar todas essas matrizes B A1 = b11 & b12 b21 & b22 0 & 1 0 & 0 = (b11)(0) + (b12)(0) & (b11)(1) + (b12)(0) (b21)(0) + (b22)(0) & (b21)(1) + (b22)(0) = 0 & b11 0 & b21 .
Começamos assumindo que b21 & b22 0 & 0 = 0 & b11 0 & b21 é uma matriz genérica 2x2:
Agora, vamos calcular e :
Para que , as duas matrizes resultantes devem ser iguais:
Isso nos dá um sistema de equações:
  1. (que já está satisfazendo, então não adiciona informação)

Passo 3

Agora, vamos resolver esse sistema:
  1. De , sabemos que deve ser zero.
  2. De , temos que é igual a .
As outras entradas e não têm restrições adicionais, então elas podem ser quaisquer números reais.

Passo 4

Com base nisso, podemos expressar a matriz B = b11 & b12 0 & b11 da seguinte forma:
Aqui, e são quaisquer números reais. Isso mostra que o espaço é formado por todas as matrizes 2x2 onde a entrada é zero e .

Passo 5

Para encontrar uma base para B = b11 1 & 0 0 & 1 + b12 0 & 1 0 & 0 , identificamos os componentes livres (as entradas que podemos escolher livremente) e expressamos 1 & 0 0 & 1 , 0 & 1 0 & 0 como uma combinação linear desses componentes.
Observamos que e são livres. Então, podemos expressar como:
Portanto, uma base para é:

Passo 6

A dimensão de um subespaço é o número de vetores em uma base desse subespaço. Como nossa base para dim U = 2 tem 2 matrizes, isso significa que:

Resposta

Uma base para o subespaço 1 & 0 0 & 1 e 0 & 1 0 & 0 é composta pelas matrizes
e a dimensão de é 2.

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