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MathBio: Espacios vectoriales

Posted on 18 de septiembre de 2025

En álgebra lineal, un espacio vectorial (o también llamado espacio lineal) es una estructura algebraica creada a partir de un conjunto no vacío, una operación interna (llamada suma, definida para los elementos del conjunto) y una operación externa (llamada producto por un escalar, definida entre dicho conjunto y otro conjunto, con estructura de cuerpo) que satisface ciertas propiedades.

A los elementos de un espacio vectorial se les llama vectores y a los elementos del cuerpo se les conoce como escalares.

Nosotros trabajaremos con el plano, \(\mathbb{R}^2=\{(x,y)|x,y\in\mathbb{R}\}\), y el espacio euclídeo, \(\mathbb{R}^3=\{(x,y,z)|x,y,z\in\mathbb{R}\}\). En el plano podemos definir \[(x_1,x_2)+(y_1,y_2)=(x_1+y_1,x_2+y_2),\quad \forall(x_1,x_2),(y_1,y_2)\in\mathbb{R}^2\] y \[\lambda\cdot(x_1,x_2)=(\lambda x_1,\lambda x_2)\in\mathbb{R}^2,\quad \forall \lambda\in\mathbb{R},(x_1,x_2)\in\mathbb{R}^2.\]

Para abreviar la notación se suele poner \(\mathbf{x}=(x_1,x_2)\in\mathbb{R}^2\).

Esta definición es extensible a tres o más dimensiones. Así se puede verificar que

  1. \((\mathbb{R}^n,+)\) es un grupo conmutativo:
    1. \(+\) es asociativa:\(\forall \mathbf {v},\mathbf {u},\mathbf {w}\in \mathbb{R}^n;\ (\mathbf {v}+\mathbf {u})+c=\mathbf {v}+(\mathbf {u}+\mathbf {w})\)
    2. Existe \(\mathbf {e}\in \mathbb{R}^n\), tal que para todo \(\mathbf {v}\in \mathbb{R}^n\), es \(\mathbf {e}+ \mathbf {v}=\mathbf {v}+ \mathbf {e}=\mathbf {v}\)
    3. Para todo \(\mathbf {v}\in \mathbb{R}^n\), existe \(\mathbf {u}\in \mathbb{R}^n\) tal que \(\mathbf {u}+\mathbf {v}=\mathbf {v}+\mathbf {u}=\mathbf {e}\)
  2. Existe una aplicación, \(\cdot\,:\mathbb{R}\times \mathbb{R}^n\to \mathbb{R}^n\),(denominada producto por escalar) que cumple
    1. \( a\cdot (b\cdot \mathbf {v} )=(ab)\cdot \mathbf {v} \quad \forall a,b\in \mathbb{R}\;\forall \mathbf {v} \in \mathbb{R}^n\)
    2. Si 1 es el elemento neutro para la multiplicación en \(\mathbb{R}\), entonces, \(1\cdot \mathbf {v} =\mathbf {v} \quad \forall \mathbf {v} \in \mathbb{R}^n\)
    3. \(a\cdot (\mathbf {v} +\mathbf {w} )=(a\cdot \mathbf {v} )+(a\cdot \mathbf {w} )\quad \forall a\in \mathbb{R}\;\forall \mathbf {v} ,\mathbf {w} \in \mathbb{R}^n\)
    4. \((a+b)\cdot \mathbf {v} =(a\cdot \mathbf {v} )+(b\cdot \mathbf {v} )\quad \forall a,b\in \mathbb{R}\;\forall \mathbf {v} \in \mathbb{R}^n\)

Ejemplo: Sean los vectores \(\mathbf{u}=[2,-1,5,0]\), \(\mathbf{v}=[4,3,1,-1]\) y \(\mathbf{w}=[-6,2,0,3]\). Si \(\mathbf{x}+\mathbf{v}+3\mathbf{w}=2\mathbf{u}\), ¿cuánto suman las coordenadas de \(\mathbf{x}\)?

Solución: 8.

Producto escalar euclídeo

Un producto escalar entre dos vectores de \(\mathbb{R}^n\) verifica:

  • \(\forall\ \mathbf{u},\mathbf{v}\in \mathbb{R}^n,\ \mathbf{u}\bullet \mathbf{v}=\mathbf{v}\bullet \mathbf{u}\)
  • \(\forall\ \mathbf{u},\mathbf{v},\mathbf{w}\in \mathbb{R}^n,\ \forall\ \lambda,\mu\in \mathbb{R},\ (\lambda \mathbf{u}+\mu \mathbf{v})\bullet w=\lambda(u\bullet \mathbf{w})+\mu(\mathbf{v}\bullet \mathbf{w})\)
  • \(\forall\ \mathbf{u}\in \mathbb{R}^n,\ \mathbf{u}\neq \vec{0}, \mathbf{u}\bullet \mathbf{u} > 0\)
  • \(\forall\ \mathbf{u}\in \mathbb{R}^n,\ \mathbf{u}\bullet\mathbf{u} = 0\Leftrightarrow \mathbf{u}= \vec{0}\)

Propiedad: Para todo par de vectores \(\mathbf {v},\mathbf {u}\in\mathbb{R}^n\), la operación \[{\mathbf {v}}\bullet \mathbf {u}=v_1u_1 +v_2u_2+\ldots + v_nu_n\] es un producto escalar.

A este producto escalar entre vectores se le denomina producto escalar euclídeo.

Ejemplo: Sean los vectores \(\mathbf{u}=[1,2]\), \(\mathbf{v}=[2,a]\), ¿cuál es el valor de \(a\) para que el valor de \(\mathbf {u}\bullet\mathbf {v}=-4\)?

Solución: Como \(\mathbf {u}\bullet\mathbf {v}=2+2a=-4\), se cumple que \(a=-3\).

El producto escalar nos da pie a definir la norma(euclídea) de un vector como la raíz cuadrada de el producto escalar de un vector por si mismo: \[||\mathbf {v}||=\sqrt{\mathbf {v}\bullet\mathbf {v}}\]

Así la norma euclídea será: \[\|\mathbf{v}\|=\|(v_1,v_2,\ldots,v_n)\|=\sqrt{v_1^2 +v_2^2+\ldots + v_n^2}\]

Ejemplo: Sean los vectores \(\mathbf{u}=[-1,3,1]\), \(\mathbf{v}=[2,-1,a]\), ¿cuál es el menor valor de \(a\) para que \(\|\mathbf {u}-\mathbf {v}\|=\sqrt{29}\)?

Solución: Como \(\mathbf {u}-\mathbf {v}=[-3,4,1-a]\), es \(\|[-3,4,1-a]\|=\sqrt{(-3)^2+4^2+(1-a)^2}=\sqrt{25+(1-a)^2}\). Además, sabemos que \(\|\mathbf {u}-\mathbf {v}\|=\sqrt{29}\), luego \(\sqrt{25+(1-a)^2}=\sqrt{29}\); es decir, \({25+(1-a)^2}={29}\). Lo que implica, \({(1-a)^2}={4}\). De ahí, podemos deducir fácilmente que \(a=-1\).

La norma de un vector, denotada como $\| \mathbf{v} \|$, es una función que asigna a cada vector una longitud o magnitud no negativa. Las tres propiedades principales de la norma son:

  • No negatividad: La norma de un vector es siempre mayor o igual a cero. \( \| \mathbf{v} \| \ge 0 \). La norma es cero si y solo si el vector es el vector nulo. \(\| \mathbf{v} \| = 0 \iff \mathbf{v} = \mathbf{0} \)
  • Homogeneidad escalar: Multiplicar un vector por un escalar (un número) $\alpha$ multiplica su norma por el valor absoluto de ese escalar.
    \(\| \alpha \mathbf{v} \| = | \alpha | \| \mathbf{v} \| \)
  • Desigualdad del triángulo: La norma de la suma de dos vectores es menor o igual que la suma de sus normas. Esta propiedad refleja la idea geométrica de que la distancia más corta entre dos puntos es una línea recta.
    \( \| \mathbf{v} + \mathbf{w} \| \le \| \mathbf{v} \| + \| \mathbf{w} \| \)

Ejemplo: Verifique que $\| \mathbf{v} – 3\mathbf{w} \|^2 = 1$ cuando $\| \mathbf{v} \| = 2$, $\| \mathbf{w} \| = 1$, y $\mathbf{v} \cdot \mathbf{w} = 2$.

Si aplicamos las propiedades anteriores varias veces:
\begin{align*}
\| \mathbf{v} – 3\mathbf{w} \|^2 &= (\mathbf{v} – 3\mathbf{w}) \cdot (\mathbf{v} – 3\mathbf{w}) \\
&= \mathbf{v} \cdot (\mathbf{v} – 3\mathbf{w}) – 3\mathbf{w} \cdot (\mathbf{v} – 3\mathbf{w}) \\
&= \mathbf{v} \cdot \mathbf{v} – 3(\mathbf{v} \cdot \mathbf{w}) – 3(\mathbf{w} \cdot \mathbf{v}) + 9(\mathbf{w} \cdot \mathbf{w}) \\
&= \| \mathbf{v} \|^2 – 6(\mathbf{v} \cdot \mathbf{w}) + 9\| \mathbf{w} \|^2 \\
&= 2^2 – 6(2) + 9(1^2) \\
&= 4 – 12 + 9 \\
&= 1
\end{align*}

Definición: Un vector se dice unitario si su norma es 1.

Propiedad: Para todo vector \(\mathbf {v}\in\mathbb{R}^n\), el vector \(\frac{\mathbf{v}}{\|\mathbf {v}\|}\) es unitario.

Al proceso de obtener un vector unitario que tenga la misma dirección que un vector dado se le conoce como normalización del vector, razón por la cual es común referirse a un vector unitario como vector normalizado.

Distancia

Se denomina distancia entre dos vectores de \( \mathbb{R}^n\) a \[dist(\mathbf {u},\mathbf {v})=\|\mathbf {u}-\mathbf {v}\|\]

Propiedades: La distancia \(dist(\mathbf {u},\mathbf {v})\), entre vectores de \(\mathbb{R}^n\) cumple

  • \(dist(\mathbf {u},\mathbf {v})\in\mathbb{R}\)
  • \(dist(\mathbf {u},\mathbf {v})\geq 0\)
  • \(dist(\mathbf {u},\mathbf {v})=0 \quad \Longleftrightarrow \quad \mathbf {u}=\mathbf {v}\)
  • \(dist(\mathbf {u},\mathbf {v})=dist(\mathbf {v},\mathbf {u})\)
  • \({\displaystyle \forall \mathbf{u},\mathbf{v},\mathbf{w}\in \mathbb{R}^n\;:\quad dist(\mathbf {u},\mathbf {v})\leq dist(\mathbf {u},\mathbf {w})+dist(\mathbf {w},\mathbf {v})}\)

Definición: Se denomina distancia euclídea la que utiliza la norma euclídea.

Aplicación

La cartografía antigénica nos permite representar las relaciones de antigenicidad entre cepas virales y antisueros en un espacio tridimensional, lo que posibilita visualizar las diferencias y similitudes inmunológicas entre distintas variantes.

Por ejemplo, a continuación se muestra una tabla donde se presentan los resultados típicos de reactividad de cuatro cepas de virus frente a tres antisueros.

Reactividad antigénica de cepas virales
Cepa / Antiserum Antiserum A Antiserum B Antiserum C
Cepa 1 160 40 10
Cepa 2 80 80 20
Cepa 3 10 320 80
Cepa 4 20 60 160

La tabla muestra los títulos de neutralización (por ejemplo) que cada antiserum tiene frente a cada cepa en la cartografía antigénica.

Ejercicio: Considerando los datos de la tabla anterior como puntos dados en \( \mathbb{R}^3\), ¿cuál es la distancia euclídea entre la Cepa 1 y Cepa 3?.

Si consideramos los datos de la Cepa 1 como \(P(160,40,10)\) y los de la Cepa 3 como \(Q(10,320,80)\), tendremos
\[\|\vec{QP}\|=\sqrt{(10-160)^2+(320-40)^2+(80-10)^2}\approx 325,27 \]

Nota: Esta distancia no es la habitual en Cartografía Antigénica, aquí utilizamos la distancia euclídea solo como ejemplo de una posible distancia.


Proyección

Utilizando el producto escalar podemos definir el coseno de dos vectores: \(\vec{v},\vec{u}\in\mathbb{R}^n\), donde \(n\in\{2,3\}\), como \[\textbf{cos}(\mathbf {v},\mathbf{u})=\frac{\mathbf{v}\bullet\mathbf{u}}{||\mathbf{v}||\cdot ||\mathbf{u}||}\]

Ejemplo: Sean los vectores \(\mathbf{u}=[-1,-1]\), \(\mathbf{v}=[-2,-1]\), ¿cuál es el ángulo entre los dos vectores?

Solución: \(\theta=\textbf{arccos}\left(\frac{3}{\sqrt{2\cdot 5}}\right)\approx 18.43º\).

Otro vector que podemos definir es la proyección de un vector sobre otro, como \[\textbf{proy}_\mathbf{v}(\mathbf{u})=\frac{\mathbf{v}\bullet\mathbf{u}}{||\mathbf{v}||^2}\mathbf{v}\]

La componente de \(\mathbf{u}\) en la dirección de \(\mathbf{v}\), vendrá dada por \[\textbf{comp}_\mathbf{v}(\mathbf{u})=\frac{\mathbf{v}\bullet\mathbf{u}}{||\mathbf{v}||}\]

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: Determinar la proyección del vector \([3,2,1]\) sobre el vector \([2,-1,0]\)

Solución:
Es suficiente con ver que \[\textbf{proy}_\mathbf{v}(\mathbf{u})=\textbf{comp}_\mathbf{v}(\mathbf{u})\frac{\mathbf{v}}{||\mathbf{v}||}.\]

Luego \[\textbf{proy}_{[2,-1,0]}([3,2,1])=\frac{4}{5}[2,-1,0].\]


Bibliografía

  • Capítulo 4 y 6 de Álgebra lineal y sus aplicaciones, 5º edición. David C. Lay. Pearson. 2016.

Ejercicio: Sea \(x\)=(3,0,-1), ¿cuál de los siguientes vectores cumple que su componente sobre \(x\) es 1/√10?
  • (0,0,-1)
  • (1,1,0)
  • (-1,2,1)
  • Ninguno de ellos

A.)

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