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ALG: Ejercicios de repaso

Posted on 28 de octubre de 2026

Núcleo e imagen de una aplicación lineal

Veamos cómo utilizamos maxima para calcular el núcleo e imagen de una aplicación lineal.

Recordemos es dada una aplicación lineal, \(T\), se define el núcleo (ker) y la imagen (Im) de \(T:V\to W\) como:

\(\mathbf{ker}(T)=\{\,v\in V:T(v)=0_W\,\}\)
\(\mathbf{Im}(T)=\{\,w\in W: \exists v\in V:T(v)=w\,\}\)

Ejemplo: Consideremos la aplicación lineal \(f : \mathbb{R}^3\to\mathbb{R}^2\) definida por \[f(x, y,z) = [x-2*y+z,x+y-3*z].\] Sea \(\mathbf{u}\) el vector unitario director del \(\mathbf{ker}(f)\). ¿Cuál es el valor de \([2,-1,3].\mathbf{u}\)?

(%i2) eq:[x−2·y+z,x+y−3·z]$
linsolve(eq,[x,y,z]);

\[\operatorname{ }\left[ x=\frac{5 {\mathrm{\% r1}}}{3}\operatorname{,}y=\frac{4 {\mathrm{\% r1}}}{3}\operatorname{,}z={\mathrm{\% r1}}\right] \]

(%i4) v:[5,4,3]$
[2,−1,3].v/sqrt(v.v),numer;

\[\operatorname{ }2.121320343559642\]


Ejemplo: Consideremos la aplicación lineal \(f : \mathbb{R}^3\to\mathbb{R}^2\) definida por \[f(x, y,z) = [x-2*y+z,x+y-3*z].\] Obtener una base de \(\mathbf{Im}(f)\).

(%i5) f(v):=[v[1]−2·v[2]+v[3],v[1]+v[2]−3·v[3]]$
I:ident(3)$
A:matrix(f(row(I,1)[1]))$
makelist(A:addrow(A,f(row(I,i)[1])),i,2,3)$
A;

\[\operatorname{ }\begin{bmatrix}1 & 1\\-2 & 1\\1 & -3\end{bmatrix}\]

(%i6) rank(A);

\[\operatorname{ }2\]

Como el rango es 2 solo necesitamos dos filas de la matriz \(A\) linealmente independientes para constituir una base de \(\mathbf{Im}(f)\)


Ejemplo: Sea la aplicación lineal \(f:\mathbb{R}^3\to\mathcal{M}_2(\mathbb{R})\) dada por \[f(x,y,z)=
\begin{bmatrix}x-y&y-z\\ z-x&x-y\end{bmatrix}.\] ¿Cuánto es \(\mathbf{dim}\,\mathbf{Ker}(f)+3\,\mathbf{dim}\,\mathbf{Im}(f)\)?

Recordemos que podemos establecer un isomorfismo \(\Phi :\mathcal{M}_2(\mathbb{R})\to\mathbb{R}^4\) dado por \[\Phi\begin{bmatrix}a&b\\ c&d\end{bmatrix}=[a,b,c,d].\]
Por tanto, podemos usar este isomorfismo para trabajar con vectores en vez de matrices.

(%i5) f(v):=[v[1]−v[2],v[2]−v[3],v[3]−v[1],v[1]−v[2]]$
I:ident(3)$
A:matrix(f(row(I,1)[1]))$
makelist(A:addrow(A,f(row(I,i)[1])),i,2,3)$
A;

\[\operatorname{ }\begin{bmatrix}1 & 0 & -1 & 1\\-1 & 1 & 0 & -1\\0 & -1 & 1 & 0\end{bmatrix}\]

(%i6) rank(A);

\[\operatorname{ }2\]

Como el rango es 2, nos dice que \(\mathbf{Im}(f)=2\). Si recordamos que \[dim\,\mathbf{Ker}(f) + dim\,\mathbf{Im}(f)=dim\,\mathbb{R}^3 \] tendremos que \(\mathbf{Ker}(f)=1\), luego \[\mathbf{dim}\,\mathbf{Ker}(f)+3\,\mathbf{dim}\,\mathbf{Im}(f)=1+3\cdot 2=7\]

Para terminar, observemos que una base del conjunto imagen la obtenemos con dos filas linealmente independientes de \(A\). Si consideramos las dos últimas, la matriz es escalonada, luego son l.i. Así la base la obtendríamos usando el isomorfismo \(\Phi ^{-1}\); es decir, transformando las filas en matrices:
\[\left\{
\begin{bmatrix}-1 & 1 \\ 0 & -1\end{bmatrix},
\begin{bmatrix}0 & -1 \\ 1 & 0\end{bmatrix}
\right\}\]


Ejercicio: Sean las aplicaciones lineales \(f:\mathbb{R}^3\to\mathbb{R}_{3}[X]\) dada por \[f(a,b,c)=a+(b-a)X+(c-a)X^2+(2a-b)X^3,\] y \(g:\mathbb{R}_3[X]\to\mathcal{M}_2(\mathbb{R})\) dada por \[g(p_0+p_1X+p_2X^2+p_3X^3)= \begin{bmatrix}p_0&p_2-p_1\\ p_1-p_2&p_3\end{bmatrix}.\] ¿Cuál es el valor del determinante de \((g\circ f)(-1,3,1)\)?

Recordad que para trabajar con mayor comodidad trabajaremos con los isomorfismos \(\Phi:\mathbb{R}_{3}[X]\to\mathbb{R}^4\), dado por \(\Phi(p_0+p_1X+p_2X^2+p_3X^3)=[p_0,p_1,p_2,p_3]\), y el \(\Psi:\mathcal{M}_2(\mathbb{R})\to\mathbb{R}^4\), dado por \(\Psi\begin{bmatrix}a&b\\ c&d\end{bmatrix}=[a,b,c,d]\)

(%i2) f(v):=[v[1],v[2]−v[1],v[3]−v[1],2·v[1]−v[2]];
g(v):=[v[1],v[3]−v[2],v[2]−v[3],v[4]];

\[\operatorname{f}(v)\operatorname{:=}\left[ {v_1}\operatorname{,}{v_2}-{v_1}\operatorname{,}{v_3}-{v_1}\operatorname{,}2 {v_1}-{v_2}\right] \]

\[\operatorname{g}(v)\operatorname{:=}\left[ {v_1}\operatorname{,}{v_3}-{v_2}\operatorname{,}{v_2}-{v_3}\operatorname{,}{v_4}\right] \]

Ahora calculamos las matrices asociadas a cada aplicación:

(%i6) I:ident(3)$
A:matrix(f(row(I,1)[1]))$
lt:makelist(A:addrow(A,f(row(I,i)[1])),i,2,3)$
Mf:transpose(lt[2]);

\[\begin{bmatrix}1 & 0 & 0\\-1 & 1 & 0\\-1 & 0 & 1\\2 & -1 & 0\end{bmatrix}\]

(%i10) I:ident(4)$
A:matrix(g(row(I,1)[1]))$
lt:makelist(A:addrow(A,g(row(I,i)[1])),i,2,4)$
Mg:transpose(lt[3]);

\[\begin{bmatrix}1 & 0 & 0 & 0\\0 & -1 & 1 & 0\\0 & 1 & -1 & 0\\0 & 0 & 0 & 1\end{bmatrix}\]

La matriz de la composicón será el producto de las matrices:

(%i11) Mg.Mf;

\[\begin{bmatrix}1 & 0 & 0\\0 & -1 & 1\\0 & 1 & -1\\2 & -1 & 0\end{bmatrix}\]

Ahora solo tenemos que multiplicarlo por el vector:

(%i12) Mg.Mf.transpose(matrix([−1,3,1]));

\[\begin{bmatrix}-1\\-2\\2\\-5\end{bmatrix}\]

Estas son las coordenadas de la matriz resultados. Si lo pasamos a matriz, tendremos

(%i13) s:matrix([−1,−2],[2,−5]);

\[\begin{bmatrix}-1 & -2\\2 & -5\end{bmatrix}\]

Para resolver el ejercicio, calculamos su determinante:

(%i14) determinant(s);

\[9\]


El plano afín \(\mathbb{R}^2\)

Ejemplo: Determinar si los puntos P(4,1), Q(3,-4) y R(2,-1) son colineales.


Ejemplo: ¿Cuánto suman los coeficientes que multiplican a \(x\) e \(y\) en la ecuación implícita de la recta del plano afín que pasa por los puntos P(4,1) y Q(7,-4)?

El espacio afín \(\mathbb{R}^3\)

Ejemplo: Determinar las ecuaciones paramétricas de la recta que pasa por los puntos P(4,1,2) y Q(3,-4,0)


Ejemplo: Determinar las ecuaciones implícitas de la recta que pasa por los puntos P(4,1,2) y Q(3,-4,0)

(%i2) P:[4,1,2]$
Q:[3,–4,0]$

Dados estos dos puntos la recta vendrá dada por uno de ellos, por ejemplo P, y el vector director obtenido de la resta de ambos, \(\overrightarrow{PQ}\)

(%i3) r:Q–P$

Así, las ecuaciones implícitas las determinaran las equaciones que impliquen rango igual a 1 en la matriz:

(%i4) A:transpose(matrix(r,[x,y,z]–P));

(A)(−1x−4−5y−1−2z−2)

Para conseguir estas ecuaciones, consideremas un menor de orden 1 distinto de cero y consigamos escalonar la matriz en base a dicho menor:

(%i6) A:rowop(A,2,1,A[2,1]/A[1,1])$
A:rowop(A,3,1,A[3,1]/A[1,1]);

0 errores, 0 advertencias(A)(−1x−40y−5⁢(x−4)−10z−2⁢(x−4)−2)

Las ecuaciones que buscamos se corresponde con las ecuaciones que hacen cero las dos lineas por debajo del menor escogido:

(%i8) rat(A[2,2])=0;
rat(A[3,2])=0;

(%o7)/R/ y−5⁢x+19=0(%o8)/R/ z−2⁢x+6=0


Ejemplo: Determinar la ecuación implícita del plano que pasa por el punto P(4,1,2) y tiene por vectores directores \(\vec{v}(1,5,3)\) y \(\vec{u}(3,-2,1)\)

Ejemplo: Sea S(\(x\),4,-3), ¿existe algún valor de \(x\) que hace a S coplanario con P(0,-2,1), Q(1,-2,-3) y R(1,-3,1)?

(%i9) S:[x,4,–3]$P:[0,–2,1]$Q:[1,–2,–3]$R:[1,–3,1]$
pq:Q–P$
pr:R–P$
ps:S–P$
eq:rat(determinant(matrix(pq,pr,ps)));
solve(eq,x);

(eq)−4⁢x−20(%o9) [x=−5]

El espacio afín euclídeo

Ejemplo: Sean \(\vec{v}=(1,-2,3)\) y \(\vec{u}=(2,1,-1)\), calcular \(\vec{v}\times\vec{u}\).

\[\begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} &\vec{k}\\ 1&-2&3 \\ 2&1&-1\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}-2&3\\ 1&-1\end{vmatrix}\vec{i} – \begin{vmatrix}1&3\\ 2&-1\end{vmatrix}\vec{j} +\begin{vmatrix}1&-2\\ 2&1\end{vmatrix}\vec{k}\] \[=-\vec{i} +7\vec{j} +5\vec{k}\]

Ejercicio: ¿Cuál es, en valor absoluto, el producto escalar del vector \([1,2,4]\) por el vector normal unitario de la recta definida por las ecuaciones \(\pi_1:-6z+9y+x-1=0\) y \(\pi_2:15z-18y-4x-5=0\)?

El vector normal de la recta definida por las ecuaciones \(\pi_1:-6z+9y+x-1=0\) y \(\pi_2:15z-18y-4x-5=0\) vendrá dado por el producto vectorial de los vectores normales de cada plano:

\[\begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\ 1&9&-6 \\ -4&-18&15\end{vmatrix}=27\mathbf{i}+9\mathbf{j}+18\mathbf{k}\]
Luego el vector normal es [27,9,18]. Ahora lo normalizamos(hacerlo unitario) \[\frac{1}{\|[27,9,18]\|}[27,9,18]=\left[ \frac{3}{\sqrt{14}},\frac{1}{\sqrt{14}},\frac{2}{\sqrt{14}}\right]\]
Por último,
\[[1,2,4].\left[ \frac{3}{\sqrt{14}},\frac{1}{\sqrt{14}},\frac{2}{\sqrt{14}}\right]=\frac{13}{\sqrt{14}}\approx 3.47\]


Ejemplo: Sean \(\vec{v}=(1,-2,3)\) y \(\vec{u}=(2,1,-1)\), ¿cuál es la segunda cifra decimal del \(\cos(\vec{v},\vec{u})\)?

Dados\(\vec{v}=(1,-2,3)\) y \(\vec{u}=(2,1,-1)\), \(\|(1,-2,3)\|=\sqrt{1^2+(-2)^2+3^2}=\sqrt{14}\), \(\|(2,1,-1)\|=\sqrt{6}\). Luego \[\mathbf{cos(\vec{v},\vec{u})}=-\frac{3}{\sqrt{6} \sqrt{14}}\approx -0.3273\]

Ejemplo: Cuál es la proyección de \(\vec{u}=(1,-2,3)\) sobre \(\vec{v}=(2,1,-1)\)?

\[\textbf{proy}_\vec{v}(\vec{u})=\frac{(1,-2,3)\bullet (2,1,-1)}{\|(2,1,-1)\|^2}(2,1,-1)=-\frac{3}{6}(2,1,-1)\]

Ejemplo: Determinar la componente del vector \([3,2,1]\) en la dirección del vector \([2,-1,0]\)

Solución:
Por la definición tendremos: \[\textbf{comp}_{[2,-1,0]}([3,2,1])=\frac{[3,2,1]\bullet[2,-1,0]}{\|[2,-1,0]\|}=\frac{4}{\sqrt{5}}\]

Ejemplo: ¿Cuál es la distancia entre los puntos \(P(1,-1,2)\) y \(Q(0,2,-2)\)?

\[[d(P,Q)=||\vec{QP}||=\sqrt{(0-1)^2 +(2-(-1))^2 + ((-2)-2)^2}=\sqrt{26}\]

Ejemplo: Cuál es la distancia del punto \(Q(0,2,-2)\) a la recta \(r:\{(1,-1,2)+\mathbf{Gen}\{(3,2,-1)\}\}\in \mathbb{R}^3\) ?

\[d(Q,r)=\frac{\|\vec{PQ}\times\vec{v}\|}{\|(3,2,-1)\|}=\frac{\|(5,-13,-11)\|}{\|(3,2,-1)\|}= \frac{3 \sqrt{35}}{\sqrt{14}}\approx4.7434\]

Ejemplo: Cuál es la distancia del punto \(Q(0,2,-2)\) al plano \(\pi:\{(1,-1,2)+\mathbf{Gen}\{(3,2,-1),(0,1,1)\}\}\in \mathbb{R}^3\) ?

La ecuación implícita del plano vendrá dada por: \[\begin{vmatrix}x-1 & y+1 & z-2\\
3 & 2 & -1\\
0 & 1 & 1\end{vmatrix}=3z-3y+3x-12=0\]
\[d(Q,\pi)=\frac{|(3,-3,3).(0,2,-2)-12|}{\|(3,-3,3)\|}=\frac{8}{\sqrt{3}}\approx 4.6188\]

Ejercicio: Determina si O(2,4,-13) es coplanario con \(P\)(1,-3,-1), \(Q\)(2,-2,1) y \(R\)(3,2,-4)


Ejercicio: Sea S(-2,3,x). ¿Qué valor de x hace que S sea coplanario con P(2,2,-1), Q(1,2,-3) y R(3,-2,1)


Ejercicio: Sean \(\vec{a}\) y \(\vec{b}\) dos vectores tales que \(||\vec{a}||=3\), \(||\vec{b}||=\sqrt{6}\) y \(\theta=45º\), ¿cuál es su producto escalar?

Sabemos que \(\cos(45º)=\cos(\tfrac{\pi}{4})=\frac{1}{\sqrt{2}}\). Además sabemos que \[\textbf{cos}(\vec{v},\vec{u})=\frac{\vec{v}\bullet\vec{u}}{||\vec{v}||\cdot ||\vec{u}||}.\] Luego, como el ángulo de nuestro vectores es de \(\frac{\pi}{\sqrt{4}}\), será \[\frac{1}{\sqrt{2}}=\textbf{cos}(\vec{a},\vec{b})=\frac{\vec{a}\bullet\vec{b}}{3\cdot \sqrt{6}}\Rightarrow \vec{a}\bullet\vec{b}=\frac{3\sqrt{6}}{\sqrt{2}}=3\sqrt{3}\]

 

Ejercicio: ¿Cuál de los puntos dados es coplanario con los puntos P(2,2,-1), Q(1,2,-3) y R(3,-2,1)?
  • (-4,1,6)
  • (0,6,-5)
  • (-1,1,5)


La solución se mostrará más adelante.

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