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DCC639 · Álgebra Linear Computacional · 2026/2

Quatrosubespaços fundamentais

Toda matriz carrega quatro subespaços: coluna, linha, nulo e nulo esquerdo. A aula define os dois novos, mostra que eles se organizam em dois pares ortogonais e fecha com o teorema que dá a dimensão de cada um.

Aula: A4 Tópicos: 9 + 4 exercícios de quadro P1 · aulas 1–13 Atualizado: 25/08/2026
A4 · 01

Quais são os quatro subespaços

Definição

Existem quatro subespaços fundamentais relacionados a uma matriz \(A\):

  • espaço coluna: \(C(A)\)
  • espaço linha: \(C(A^T)\)
  • espaço nulo: \(N(A)\)
  • espaço nulo esquerdo: \(N(A^T)\)

A aula inteira usa uma única matriz de exemplo:

$$A=\begin{bmatrix}1&2\\3&6\end{bmatrix}$$

Ela foi escolhida porque a segunda coluna é o dobro da primeira e a segunda linha é o triplo da primeira — os quatro subespaços saem todos retas, e dá para desenhar tudo no plano.

A4 · 02

Espaço linha e espaço coluna

Definição

O espaço coluna contém todas as combinações das colunas de \(A\):

$$C(A)=\{A\mathbf{x}\mid \mathbf{x}\in\mathbb{R}^n\}$$

O espaço linha contém todas as combinações das linhas de \(A\) — que são as colunas de \(A^T\):

$$C(A^T)=\{A^T\mathbf{y}\mid \mathbf{y}\in\mathbb{R}^m\}$$
Exemplo · slide

Espaço coluna. As colunas de \(A\) são \([1,3]^T\) e \([2,6]^T\), e a segunda é o dobro da primeira:

$$A=\begin{bmatrix}1&2\\3&6\end{bmatrix}\;\to\;C(A)=\mathrm{span}\left(\begin{bmatrix}1\\3\end{bmatrix}\right)$$

Espaço linha. Transpondo, as colunas de \(A^T\) são \([1,2]^T\) e \([3,6]^T\), e a segunda é o triplo da primeira:

$$A^T=\begin{bmatrix}1&3\\2&6\end{bmatrix}\;\to\;C(A^T)=\mathrm{span}\left(\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix}\right)$$
A4 · 03

Espaço nulo

Definição

O espaço nulo é formado por todos os vetores \(\mathbf{x}\) tais que \(A\mathbf{x}=\mathbf{0}\):

$$N(A)=\{\mathbf{x}\in\mathbb{R}^n:A\mathbf{x}=\mathbf{0}\}$$
Exemplo · slide $$A=\begin{bmatrix}1&2\\3&6\end{bmatrix}$$

Pela leitura por colunas, procurar \(\mathbf{x}\) é procurar pesos que anulem a combinação:

$$A\mathbf{x}=x_1\begin{bmatrix}1\\3\end{bmatrix}+x_2\begin{bmatrix}2\\6\end{bmatrix}=\mathbf{0}$$

Como \([2,6]^T\) é o dobro de \([1,3]^T\), basta tomar dois da primeira e menos um da segunda:

$$A\mathbf{x}=2\begin{bmatrix}1\\3\end{bmatrix}+(-1)\begin{bmatrix}2\\6\end{bmatrix}=\mathbf{0}$$
Generalização · slide $$A=\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}$$ $$A\mathbf{x}=\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}$$ $$A\mathbf{x}=\begin{bmatrix}ax_1+bx_2\\cx_1+dx_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}$$

Para encontrar \(N(A)\) no caso geral, precisamos resolver esse sistema — é aqui que a eliminação da aula anterior entra.

A4 · 04

Por que o espaço nulo é uma reta inteira

Duas propriedades

1. O vetor nulo sempre é solução, ou seja, sempre pertence a \(N(A)\):

$$A\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}=\mathbf{0}$$

2. Se existe uma solução \(\mathbf{x}\ne\mathbf{0}\) tal que \(A\mathbf{x}=\mathbf{0}\), então todo vetor \(\mathbf{y}=a\mathbf{x}\) também é solução:

$$A\mathbf{x}=\mathbf{0}$$ $$cA\mathbf{x}=c\mathbf{0}$$ $$A(c\mathbf{x})=\mathbf{0}$$ $$A\mathbf{y}=\mathbf{0}$$
Exemplo · slide

Com \(A=\begin{bmatrix}1&2\\3&6\end{bmatrix}\), achamos \(\mathbf{x}=[2,-1]^T\). Pela propriedade 2, todo múltiplo dele também zera \(A\mathbf{x}\). Logo

$$N(A)=\mathrm{span}\left(\begin{bmatrix}2\\-1\end{bmatrix}\right)$$

é a reta que passa pela origem e por \([2,-1]^T\).

Por que “subespaço”Essas duas propriedades são exatamente os requisitos de espaço vetorial vistos na A1: contém o vetor nulo e é fechado no produto por escalar. Achar uma solução não trivial já entrega a reta inteira.
A4 · 05

Espaço nulo esquerdo

Definição

O espaço nulo esquerdo é formado por todos os vetores \(\mathbf{y}\) tais que \(A^T\mathbf{y}=\mathbf{0}\):

$$N(A^T)=\{\mathbf{y}\in\mathbb{R}^m:A^T\mathbf{y}=\mathbf{0}\}$$
Exemplo · slide

É o mesmo procedimento, só que sobre a transposta:

$$A=\begin{bmatrix}1&2\\3&6\end{bmatrix}\;\to\;A^T=\begin{bmatrix}1&3\\2&6\end{bmatrix}$$

Pela leitura por colunas de \(A^T\):

$$A^T\mathbf{x}=x_1\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix}+x_2\begin{bmatrix}3\\6\end{bmatrix}$$

Como \([3,6]^T\) é o triplo de \([1,2]^T\), os pesos que anulam são 3 e \(-1\):

$$A^T\mathbf{x}=3\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix}+(-1)\begin{bmatrix}3\\6\end{bmatrix}=\mathbf{0}$$

Logo \(N(A^T)\) é a reta que passa por \(\mathbf{x}=[3,-1]^T\).

De onde vem o “esquerdo”\(A^T\mathbf{y}=\mathbf{0}\) é o mesmo que \(\mathbf{y}^TA=\mathbf{0}^T\) — o vetor multiplica \(A\) pela esquerda. Daí o nome.
A4 · 06

Espaço linha e espaço nulo são ortogonais

Os quatro subespaços têm relações entre si. A primeira: o espaço linha \(C(A^T)\) e o espaço nulo \(N(A)\) são ortogonais. Antes da demonstração, vale fixar o que a palavra quer dizer — o slide a usa sem definir.

Pré-requisito · fora do slide

Entre dois vetores. \(\mathbf{u}\) e \(\mathbf{v}\) são ortogonais quando o produto interno entre eles é zero:

$$\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}=u_1v_1+u_2v_2+\dots+u_nv_n=0$$

Geometricamente, é o ângulo de 90° entre eles. “Perpendicular” e “ortogonal” são a mesma ideia; o segundo nome é o que se usa quando há mais de três dimensões e o desenho já não cabe.

Entre dois subespaços. \(U\) e \(W\) são ortogonais quando todo vetor de um é ortogonal a todo vetor do outro:

$$U\perp W \iff \mathbf{u}\cdot\mathbf{w}=0 \;\text{ para todo } \mathbf{u}\in U,\; \mathbf{w}\in W$$
Por que basta testar a base“Todo vetor” é infinito, mas não é preciso testar um por um: se \(\mathbf{x}\) é ortogonal a cada vetor da base, ele é ortogonal a qualquer combinação linear deles, porque o produto interno distribui —
\((a_1\mathbf{v}_1+a_2\mathbf{v}_2)\cdot\mathbf{x}=a_1(\mathbf{v}_1\cdot\mathbf{x})+a_2(\mathbf{v}_2\cdot\mathbf{x})=0\).
É exatamente por isso que zerar o produto com cada linha de \(A\), como o slide faz abaixo, já prova a ortogonalidade dos dois espaços inteiros.
Exemplo · slide

Pela definição de espaço nulo, \(A\mathbf{x}=\mathbf{0}\). Com \(A=\begin{bmatrix}1&2\\3&6\end{bmatrix}\):

$$\begin{bmatrix}1&2\\3&6\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}$$ $$\begin{bmatrix}1x_1+2x_2\\3x_1+6x_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}$$

Agora leia cada componente como um produto interno entre uma linha de \(A\) e \(\mathbf{x}\):

$$\begin{bmatrix}A_1^T\cdot\mathbf{x}\\ A_2^T\cdot\mathbf{x}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}$$

Produto interno zero é ortogonalidade. Então \(A_1^T\) é ortogonal a \(\mathbf{x}\), \(A_2^T\) é ortogonal a \(\mathbf{x}\), e portanto \(C(A^T)\) é ortogonal a \(N(A)\).

A4 · 07

Espaço coluna e espaço nulo esquerdo são ortogonais

A segunda relação sai do mesmo argumento, aplicado à transposta: o espaço coluna \(C(A)\) e o espaço nulo esquerdo \(N(A^T)\) são ortogonais.

Exemplo · slide

Pela definição de espaço nulo esquerdo, \(A^T\mathbf{x}=\mathbf{0}\). Com \(A^T=\begin{bmatrix}1&3\\2&6\end{bmatrix}\):

$$\begin{bmatrix}1&3\\2&6\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}$$ $$\begin{bmatrix}1x_1+3x_2\\2x_1+6x_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}$$

As linhas de \(A^T\) são as colunas de \(A\), então cada componente é um produto interno entre uma coluna de \(A\) e \(\mathbf{x}\):

$$\begin{bmatrix}A_1\cdot\mathbf{x}\\ A_2\cdot\mathbf{x}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}$$

Logo \(A_1\) e \(A_2\) são ortogonais a \(\mathbf{x}\), e portanto \(C(A)\) é ortogonal a \(N(A^T)\).

A4 · 08

Os quatro juntos

As duas relações
  • o espaço linha \(C(A^T)\) e o espaço nulo \(N(A)\) são ortogonais;
  • o espaço coluna \(C(A)\) e o espaço nulo esquerdo \(N(A^T)\) são ortogonais.

Na matriz da aula, os quatro são retas, e o slide mostra os dois pares em dois planos separados — de um lado \(C(A^T)\) com \(N(A)\), do outro \(C(A)\) com \(N(A^T)\), cada par se cruzando em ângulo reto na origem:

ParSubespaçoGeradorConfere a ortogonalidade
1Espaço linha \(C(A^T)\)\(v=[1,2]^T\)\(1\cdot2+2\cdot(-1)=0\)
Espaço nulo \(N(A)\)\(x=[2,-1]^T\)
2Espaço coluna \(C(A)\)\(u=[1,3]^T\)\(1\cdot3+3\cdot(-1)=0\)
Nulo esquerdo \(N(A^T)\)\(y=[3,-1]^T\)
A4 · 09

Teorema Fundamental da Álgebra Linear

O enunciado inteiro é sobre dimensão, e o slide usa a palavra sem parar para defini-la. Vale fixar o conceito antes de ler o teorema.

Pré-requisito · fora do slide

A dimensão de um subespaço é o número de vetores da sua base — ou seja, quantos vetores linearmente independentes bastam para gerar o subespaço inteiro:

$$\dim(V)=\text{número de vetores de uma base de } V$$

Duas bases diferentes do mesmo subespaço sempre têm a mesma quantidade de vetores. É isso que faz a dimensão ser um número da estrutura, e não da escolha de quem calculou.

Lendo geometricamente — é a mesma escada de reta, plano e espaço já vista no span da A1:

DimensãoO subespaço é
0só a origem, \(\{\mathbf{0}\}\)
1uma reta que passa pela origem
2um plano que passa pela origem
\(n\)todo o \(\mathbb{R}^n\)

E daí sai a ponte com a A3: o posto é o número de colunas L.I. de \(A\), e as colunas L.I. são justamente a base do espaço coluna. Contar colunas L.I. é contar vetores da base, que é medir dimensão — por isso

$$\mathrm{posto}(A)=\dim\big(C(A)\big)=r$$

que é exatamente a primeira linha do teorema. O resto do enunciado diz o que sobra para os outros três espaços.

Enunciado · a tabela do quadro

Para uma matriz \(A\in\mathbb{R}^{m\times n}\) de posto \(r\le\min(m,n)\), o teorema entrega de uma vez a dimensão e o endereço de cada um dos quatro espaços:

EspaçoDimensõesGeometria
\(C(A)\)\(r\)subespaço de \(\mathbb{R}^m\)
\(N(A)\)\(n-r\)subespaço de \(\mathbb{R}^n\)
\(C(A^T)\)\(r\)subespaço de \(\mathbb{R}^n\)
\(N(A^T)\)\(m-r\)subespaço de \(\mathbb{R}^m\)

A coluna do meio se lê em pares: os dois espaços de dimensão \(r\) são os “cheios”, e os dois nulos ficam com o que sobra do lado onde moram. A coluna da direita é a que diz de que lado é esse — e o expoente muda de linha para linha.

A conferência que a tabela permite

Somando as duas linhas de cada lado, cada espaço se parte em duas peças que fecham o total:

$$\underbrace{r+(n-r)}_{C(A^T)\ \text{e}\ N(A)}=n \qquad\qquad \underbrace{r+(m-r)}_{C(A)\ \text{e}\ N(A^T)}=m$$

Na entrada \(\mathbb{R}^n\), espaço linha e espaço nulo somam \(n\). Na saída \(\mathbb{R}^m\), espaço coluna e nulo esquerdo somam \(m\). Se a sua conta não fechar em \(n\) e \(m\), algum \(m\) trocou de lugar com um \(n\).

Exemplo · slide

Para \(A=\begin{bmatrix}1&2\\3&6\end{bmatrix}\), cada subespaço é gerado por um vetor:

$$C(A)=\mathrm{span}\left(\left\{\begin{bmatrix}1\\3\end{bmatrix}\right\}\right)\qquad C(A^T)=\mathrm{span}\left(\left\{\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix}\right\}\right)$$ $$N(A)=\mathrm{span}\left(\left\{\begin{bmatrix}2\\-1\end{bmatrix}\right\}\right)\qquad N(A^T)=\mathrm{span}\left(\left\{\begin{bmatrix}3\\-1\end{bmatrix}\right\}\right)$$

Conferindo com o teorema: aqui \(m=n=2\) e \(r=1\), então

$$\dim C(A)=\dim C(A^T)=1,\qquad \dim N(A)=2-1=1,\qquad \dim N(A^T)=2-1=1$$

Quatro retas, como o desenho mostra.

Onde cada espaço mora — a troca clássicaÉ aqui que se perde ponto: não basta acertar a dimensão. \(C(A^T)\) e \(N(A)\) vivem em \(\mathbb{R}^n\); \(C(A)\) e \(N(A^T)\) vivem em \(\mathbb{R}^m\). Por isso os pares ortogonais são esses e não outros — só faz sentido falar em ângulo entre vetores do mesmo espaço. Numa matriz quadrada os dois coincidem e é fácil se confundir.
A4 · Extra

Espaço de entrada e espaço de saída

Fecho de revisão, fora do slide. É a moldura que faz os quatro subespaços pararem de ser quatro definições soltas: cada um deles mora de um lado da transformação.

Pré-requisito · fora do slide

A A1 fecha dizendo que toda matriz é uma transformação linear. Uma matriz \(A\in\mathbb{R}^{m\times n}\) define a função

$$L:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^m,\qquad \mathbf{x}\mapsto A\mathbf{x}$$

O espaço de entrada (domínio) é de onde vem o \(\mathbf{x}\). O espaço de saída (contradomínio) é onde cai o \(A\mathbf{x}\).

 EspaçoQuem determina
Entrada\(\mathbb{R}^n\)o número de colunas de \(A\)
Saída\(\mathbb{R}^m\)o número de linhas de \(A\)

O motivo é a regra de existência do produto, da A1: para \(A\mathbf{x}\) fazer sentido, \(\mathbf{x}\) precisa de uma componente por coluna de \(A\); e o resultado é uma combinação das colunas, que têm \(m\) componentes cada.

Exemplo · a transformação da A1

Com \(L(v_x,v_y)=[3v_x,\,2v_x+v_y,\,-v_y]\), a matriz é

$$A=\begin{bmatrix}3&0\\2&1\\0&-1\end{bmatrix}\in\mathbb{R}^{3\times2}$$

Três linhas, duas colunas: entra vetor de \(\mathbb{R}^2\), sai vetor de \(\mathbb{R}^3\). A matriz é \(3\times2\) e a função é \(\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}^3\) — os números aparecem trocados na notação, e isso é só convenção.

Saída não é imagemO espaço de saída é \(\mathbb{R}^m\) inteiro — onde o resultado tem permissão de cair. O que ele de fato alcança é o espaço coluna, que é a imagem: \(C(A)=\{A\mathbf{x}\}\subseteq\mathbb{R}^m\), de dimensão \(r\). No Exemplo 2 da A3, \(A\) é \(3\times3\) de posto 2: a saída é \(\mathbb{R}^3\), mas a imagem é só um plano dentro dele. É por isso que \(A\mathbf{x}=\mathbf{b}\) só tem solução com \(\mathbf{b}\) no espaço coluna.

Com isso os quatro subespaços se organizam sozinhos — dois de cada lado:

LadoSubespaçoDimensão
Entrada \(\mathbb{R}^n\)Espaço linha \(C(A^T)\)\(r\)
Espaço nulo \(N(A)\)\(n-r\)
Saída \(\mathbb{R}^m\)Espaço coluna \(C(A)\)\(r\)
Nulo esquerdo \(N(A^T)\)\(m-r\)

As dimensões fecham por lado: na entrada, \(r+(n-r)=n\); na saída, \(r+(m-r)=m\). Cada lado se parte em duas peças ortogonais que, somadas, dão o espaço inteiro — e é por isso que os pares do teorema são esses e não outros: só faz sentido falar em ângulo entre vetores que vivem no mesmo espaço.

Lido por esse ângulo, o espaço nulo deixa de ser abstrato: \(N(A)\) é a parte da entrada que a transformação esmaga na origem — a informação que \(A\) destrói. Quanto maior \(N(A)\), mais entradas diferentes colapsam na mesma saída.

Na matriz desta aula, \(m=n=2\) e \(r=1\): entrada \(\mathbb{R}^2\) partida em duas retas, saída \(\mathbb{R}^2\) partida em duas retas. As quatro retas do desenho.

A4 · Quadro · fecho 1

Exercício final 1 — solubilidade e o tamanho do espaço nulo

Primeiro dos quatro exercícios de fecho da aula, resolvido no quadro em três partes. Ele amarra solubilidade, espaço nulo e o preço de uma coluna redundante.

Montagem

Uma matriz \(A_{m\times n}\) recebe \(\mathbf{x}\in\mathbb{R}^n\) e devolve \(A\mathbf{x}\in\mathbb{R}^m\). Seja

$$\begin{bmatrix}1&0\\5&4\\2&4\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}b_1\\b_2\\b_3\end{bmatrix}$$

Aqui \(A\) é \(3\times2\): entra de \(\mathbb{R}^2\), sai em \(\mathbb{R}^3\).

Parte 1 · quando \(A\mathbf{x}=\mathbf{b}\) tem solução

Como pensar. Não tente resolver o sistema. Leia \(A\mathbf{x}\) por colunas: o lado esquerdo é sempre uma combinação linear das colunas de \(A\), e nada mais. Então a pergunta “existe \(\mathbf{x}\)?” vira a pergunta “\(\mathbf{b}\) é alcançável por essas colunas?”.

$$A\mathbf{x}=x_1\begin{bmatrix}1\\5\\2\end{bmatrix}+x_2\begin{bmatrix}0\\4\\4\end{bmatrix}$$

Resposta. \(A\mathbf{x}=\mathbf{b}\) será solúvel se \(\mathbf{b}\in C(A)\).

E o que é \(C(A)\) aqui? As duas colunas não são múltiplas uma da outra, então são L.I. e geram um plano dentro do \(\mathbb{R}^3\). Ou seja: a saída é \(\mathbb{R}^3\), mas a imagem é um plano — a maioria dos \(\mathbf{b}\) do \(\mathbb{R}^3\) deixa o sistema sem solução.

Parte 2 · o espaço nulo \(N(A)\)

Como pensar. Agora troque \(\mathbf{b}\) por zero e pergunte quais pesos anulam a combinação.

$$\begin{bmatrix}1&0\\5&4\\2&4\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x_1\\x_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\\0\end{bmatrix}$$

Linha por linha, de cima para baixo — a primeira já entrega uma variável:

$$1x_1+0x_2=0 \;\Rightarrow\; x_1=0$$ $$5x_1+4x_2=0 \;\Rightarrow\; 4x_2=0 \;\Rightarrow\; x_2=0$$ $$2x_1+4x_2=0 \;\Rightarrow\; 0=0 \quad(\text{já satisfeita})$$

Resposta. O sistema admite somente \(x_1=0,\;x_2=0\):

$$N(A)=\left\{\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix}\right\}\subset\mathbb{R}^2$$

O espaço nulo é só a origem — dimensão zero. Pela leitura por colunas, isso é o mesmo que dizer que as colunas de \(A\) são L.I.: nenhuma combinação não trivial delas dá zero.

Parte 3 · um espaço nulo maior

Agora acrescente uma terceira coluna:

$$B=\begin{bmatrix}1&0&1\\5&4&9\\2&4&6\end{bmatrix}$$

Como pensar. Antes de calcular qualquer coisa, olhe se a coluna nova é nova de verdade:

$$B_1+B_2=\begin{bmatrix}1\\5\\2\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}0\\4\\4\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}1\\9\\6\end{bmatrix}=B_3$$

Ela é a soma das outras duas. Logo não acrescenta direção nenhuma ao espaço gerado:

$$C(B)=C(A)$$

E o \(N(B)\)? A mesma igualdade, reescrita com tudo de um lado, é um vetor do espaço nulo — basta ler os coeficientes:

$$1\cdot B_1+1\cdot B_2-1\cdot B_3=\mathbf{0} \;\Longrightarrow\; \mathbf{x}=\begin{bmatrix}1\\1\\-1\end{bmatrix}$$

Conferindo no sistema:

$$\begin{bmatrix}1&0&1\\5&4&9\\2&4&6\end{bmatrix}\begin{bmatrix}1\\1\\-1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}1+0-1\\5+4-9\\2+4-6\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\\0\end{bmatrix}$$

E, pela propriedade do tópico 04, qualquer múltiplo também serve:

$$c\begin{bmatrix}1\\1\\-1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}c\\c\\-c\end{bmatrix}\in N(B)\quad\text{para todo }c\in\mathbb{R}$$
Por que \(N(B)\) é exatamente uma reta

Achar um vetor e seus múltiplos mostra que \(N(B)\) contém uma reta. Que ele não é maior que isso, quem garante é o Teorema Fundamental. As colunas \(B_1\) e \(B_2\) são L.I. e a terceira é combinação delas, então

$$\mathrm{posto}(B)=r=2,\qquad n=3$$ $$\dim\big(N(B)\big)=n-r=3-2=1$$

Dimensão 1 é, pela tabela do tópico 09, exatamente uma reta que passa pela origem. Como já temos uma reta dentro de um espaço de dimensão 1, ela é o espaço inteiro:

$$N(B)=\mathrm{span}\left(\begin{bmatrix}1\\1\\-1\end{bmatrix}\right)=\left\{\begin{bmatrix}c\\c\\-c\end{bmatrix}:c\in\mathbb{R}\right\}\subset\mathbb{R}^3$$
Observação · o que acontece com cada entrada

A entrada de \(B\) é o \(\mathbb{R}^3\): todo \(\mathbf{x}\) que entra tem três componentes, uma por coluna de \(B\). A saída também é \(\mathbb{R}^3\), porque \(B\) é \(3\times3\) — e é exatamente isso que faz confundir \(N(B)\) com \(C(B)\). Os dois não são comparáveis: \(N(B)\) mora na entrada, \(C(B)\) mora na saída.

Dado um \(\mathbf{x}\) da entrada, só há dois casos:

Se \(\mathbf{x}\) é…então \(\mathbf{x}\)…e \(B\mathbf{x}\) cai…
do modelo \([c,c,-c]^T\), como \([1,1,-1]^T\)está em \(N(B)\)na origem — \(B\) esmaga esse \(\mathbf{x}\) em \(\mathbf{0}\)
qualquer outra coisanão está em \(N(B)\)num ponto não nulo do plano \(C(B)\)

Note que o resultado cai em \(C(B)\) nos dois casos — a origem também pertence ao plano. Não é “ou vai para o espaço nulo, ou vai para o espaço coluna”: todo \(B\mathbf{x}\) vai para o espaço coluna, sempre. O que o espaço nulo decide é onde dentro dele: quem é do modelo colapsa no único ponto que todo subespaço contém, e o resto se espalha pelo plano.

Daí sai, em uma linha, por que a solução de \(B\mathbf{x}=\mathbf{b}\) nunca é única — somar um vetor do modelo não muda a saída:

$$B\left(\mathbf{x}+\begin{bmatrix}c\\c\\-c\end{bmatrix}\right)=B\mathbf{x}+\mathbf{0}=B\mathbf{x}$$

Duas entradas que diferem por um vetor do espaço nulo produzem exatamente a mesma saída. É esse o sentido de dizer que \(N(B)\) é a informação que \(B\) destrói.

A moral dos trêsCompare \(A\) e \(B\): a coluna extra não mudou a saída — \(C(B)=C(A)\), o mesmo plano, o mesmo \(r=2\). Ela mudou a entrada, de \(\mathbb{R}^2\) para \(\mathbb{R}^3\). Como \(\dim N=n-r\) e só o \(n\) cresceu, a redundância foi parar inteira no espaço nulo: de \(0\) para \(1\). Coluna redundante não aumenta a imagem; aumenta o espaço nulo. Na prática: \(A\mathbf{x}=\mathbf{b}\) e \(B\mathbf{x}=\mathbf{b}\) são solúveis para os mesmos \(\mathbf{b}\), mas a solução de \(A\) é única e a de \(B\) nunca é — sempre dá para somar \([c,c,-c]^T\).
A4 · Quadro · fecho 2

Exercício final 2 — \(\mathbf{x}=\mathbf{x}_p+\mathbf{x}_n\) e as bases pela eliminação

Segundo exercício de fecho, e o mais completo: junta as duas metades do caderno — a teoria dos subespaços, de um lado, e a eliminação da A3, do outro. Sai em quatro partes, todas sobre uma mesma matriz \(3\times4\) — outra, não a do exercício anterior.

Parte 1 · a decomposição da entrada

Seja \(A\mathbf{x}=\mathbf{b}\). Qualquer \(\mathbf{x}\in\mathbb{R}^n\) pode ser escrito como

$$\mathbf{x}=\mathbf{x}_p+\mathbf{x}_n,\qquad \mathbf{x}_p\in C(A^T),\quad \mathbf{x}_n\in N(A)$$

Isso não é truque: é o bloco de entrada e saída aplicado. A entrada \(\mathbb{R}^n\) se parte em duas peças ortogonais, \(C(A^T)\) de dimensão \(r\) e \(N(A)\) de dimensão \(n-r\), e \(r+(n-r)=n\) — juntas elas cobrem a entrada inteira, sem sobra e sem sobreposição.

A conta que dá o sentido

Substituindo a decomposição no sistema:

$$A\mathbf{x}=\mathbf{b}\;\Longrightarrow\;A(\mathbf{x}_p+\mathbf{x}_n)=A\mathbf{x}_p+\underbrace{A\mathbf{x}_n}_{=\,\mathbf{0}}=\mathbf{b}$$ $$\Longrightarrow\;A\mathbf{x}_p=\mathbf{b}$$

Como ler. A parcela \(\mathbf{x}_n\) é anulada por definição de espaço nulo, então só a componente no espaço linha faz trabalho. A componente no espaço nulo é invisível para \(A\): ela pode ser qualquer coisa que a saída não muda. É a mesma ideia do exercício anterior, agora enunciada em geral.

Parte 2 · achar \(N(A)\) por eliminação $$A=\begin{bmatrix}1&3&3&2\\2&6&9&7\\-1&-3&3&4\end{bmatrix}$$

Como pensar. Resolver \(A\mathbf{x}=\mathbf{0}\) direto, com quatro incógnitas, é confusão garantida. O caminho é escalonar primeiro: operação de linha não altera o conjunto de soluções do sistema homogêneo, porque toda operação é reversível. Por isso

$$R\mathbf{x}=\mathbf{0},\quad U\mathbf{x}=\mathbf{0},\quad A\mathbf{x}=\mathbf{0}\;\longrightarrow\;\textbf{mesmas soluções!}$$

Vale trabalhar com a forma mais simples das três.

Passo 1 · eliminação de Gauss

Pivô 1 na posição \((0,0)\). Zerar abaixo dele:

$$L_2\leftarrow L_2-2L_1,\qquad L_3\leftarrow L_3+L_1$$ $$L_2=[2,6,9,7]-2[1,3,3,2]=[0,0,3,3]$$ $$L_3=[-1,-3,3,4]+[1,3,3,2]=[0,0,6,6]$$

A coluna 2 ficou toda nula abaixo da primeira linha, então o próximo pivô não está nela — pula para a coluna 3, onde está o 3:

$$L_3\leftarrow L_3-2L_2 \;\Rightarrow\; [0,0,6,6]-2[0,0,3,3]=[0,0,0,0]$$ $$U=\begin{bmatrix}1&3&3&2\\0&0&3&3\\0&0&0&0\end{bmatrix}$$
Passo 2 · Gauss-Jordan até \(R\)

Normalizar o pivô 3 e zerar acima dele:

$$L_2\leftarrow \tfrac{L_2}{3}=[0,0,1,1]$$ $$L_1\leftarrow L_1-3L_2=[1,3,3,2]-3[0,0,1,1]=[1,3,0,-1]$$ $$R=\begin{bmatrix}1&3&0&-1\\0&0&1&1\\0&0&0&0\end{bmatrix}$$

Os pivôs estão nas colunas 1 e 3. Logo \(x_1\) e \(x_3\) são as variáveis pivô, e \(x_2\) e \(x_4\) são as variáveis livres.

Passo 3 · explicitar as variáveis pivô

Escrevendo \(R\mathbf{x}=\mathbf{0}\) linha a linha:

$$x_1+3x_2+0-x_4=0$$ $$x_3+x_4=0$$

Isolando cada pivô em função das livres, e deixando as livres em função de si mesmas:

$$x_1=-3x_2+x_4,\qquad x_2=x_2,\qquad x_3=-x_4,\qquad x_4=x_4$$

Agora empacote isso num vetor e separe por variável livre — é aqui que a base aparece:

$$\mathbf{x}=x_2\begin{bmatrix}-3\\1\\0\\0\end{bmatrix}+x_4\begin{bmatrix}1\\0\\-1\\1\end{bmatrix}$$
Resposta

Os vetores \((-3,1,0,0)^T\) e \((1,0,-1,1)^T\) geram \(N(A)\), e

$$\dim\big(N(A)\big)=2$$

Conferindo pelo Teorema Fundamental: \(A\) tem dois pivôs, então \(r=2\); e \(n=4\) colunas. Logo \(\dim N(A)=n-r=4-2=2\). Bate.

Parte 3 · as bases dos outros subespaços

Como pensar. O mesmo \(R\) que deu o espaço nulo entrega os outros dois de graça — não é preciso recomeçar nada. Quem manda são as colunas com pivô. Isto é, literalmente, a decomposição \(A=CR\) da A3: \(C\) são as colunas pivô, \(R\) são as linhas não nulas.

$$R=\begin{bmatrix}\boxed{1}&3&0&-1\\0&0&\boxed{1}&1\\0&0&0&0\end{bmatrix}\qquad\text{pivôs nas colunas 1 e 3}$$
Espaço coluna \(C(A)\)

A base são as colunas de índice 1 e 3 — tiradas de \(A\):

$$C(A)\text{ é formado por }\begin{bmatrix}1\\2\\-1\end{bmatrix}\text{ e }\begin{bmatrix}3\\9\\3\end{bmatrix}\in\mathbb{R}^3$$

Dois vetores L.I. em \(\mathbb{R}^3\): \(C(A)\) é um plano em \(\mathbb{R}^3\).

Dá para ver por que as outras duas colunas ficaram de fora — a coluna de \(R\) é a receita de cada uma:

$$A_2=3A_1,\qquad A_4=-1\,A_1+1\,A_3$$

Nenhuma das duas acrescenta direção nova, então nenhuma entra na base.

De onde as colunas são copiadasOs índices vêm de \(R\), mas os vetores vêm de \(A\). Montar \(C(A)\) com as colunas de \(R\) daria \([1,0,0]^T\) e \([0,1,0]^T\) — que geram um plano qualquer, não o plano de \(A\). É o mesmo erro clássico do algoritmo do \(A=CR\), na A3.
Por que os índices vêm de \(R\) e os vetores vêm de \(A\)

Vale entender o mecanismo, porque ele é o mesmo em toda a A3 e A4. Na Parte 2 usamos que a eliminação não muda o espaço nulo:

$$R\mathbf{x}=\mathbf{0}\iff A\mathbf{x}=\mathbf{0}$$

Mas o espaço nulo é exatamente o registro de quais colunas dependem de quais — um vetor de \(N\) é uma receita de combinação que dá zero. Se \(A\) e \(R\) têm o mesmo espaço nulo, então as relações de dependência entre as colunas são as mesmas nas duas, com os mesmos coeficientes. Conferindo nesta matriz:

Relaçãovale em \(R\)vale em \(A\)
\(\text{col}_2=3\,\text{col}_1\)\(3[1,0,0]^T=[3,0,0]^T\)\(3[1,2,-1]^T=[3,6,-3]^T\)
\(\text{col}_4=-\text{col}_1+\text{col}_3\)\([-1,1,0]^T\)\([2,7,4]^T\)

Em \(R\) as colunas pivô são \(\mathbf{e}_1,\mathbf{e}_2,\dots\) — L.I. a olho nu, e as demais visivelmente combinações delas. Como o padrão de dependência é o mesmo, as colunas de \(A\) de mesmo índice também são L.I., e as outras também são combinações. É daí que sai a receita: \(R\) revela quais índices formam a base.

O que a eliminação não preserva é o espaço coluna. As colunas pivô de \(R\) geram o plano \(xy\) do \(\mathbb{R}^3\); as de \(A\) geram outro plano. Mesma dimensão — o posto se preserva —, plano diferente:

$$\mathrm{Span}\left\{\begin{bmatrix}1\\0\\0\end{bmatrix},\begin{bmatrix}0\\1\\0\end{bmatrix}\right\}\;\ne\;\mathrm{Span}\left\{\begin{bmatrix}1\\2\\-1\end{bmatrix},\begin{bmatrix}3\\9\\3\end{bmatrix}\right\}$$

Por isso os índices podem vir de \(R\) e os vetores não.

O que cada operação preservaOperação de linha preserva o espaço nulo e o espaço linha, e destrói o espaço coluna. É por isso que o espaço linha pode usar as linhas de \(R\) direto, enquanto o espaço coluna precisa voltar em \(A\) — a assimetria entre os dois casos não é convenção, é consequência.
Espaço linha \(C(A^T)\)

A base são as linhas não nulas de \(R\) — aqui, ao contrário do espaço coluna, os vetores vêm mesmo de \(R\):

$$C(A^T)\;:\;\begin{bmatrix}1\\3\\0\\-1\end{bmatrix}\text{ e }\begin{bmatrix}0\\0\\1\\1\end{bmatrix}\in\mathbb{R}^4$$

Também dois vetores L.I., agora em \(\mathbb{R}^4\): \(C(A^T)\) é um plano em \(\mathbb{R}^4\). Pode usar as linhas de \(R\) porque operação de linha não muda o espaço gerado pelas linhas — cada linha nova é combinação das antigas, e o processo é reversível.

Parte 4 · achar \(N(A^T)\) sem transpor nada

Falta o quarto subespaço — o único que a tabela do exercício ainda não tinha. Por definição, procuramos os \(\mathbf{y}\) que anulam \(A\) pela esquerda:

$$\mathbf{y}^TA=\mathbf{0}^T \iff A^T\mathbf{y}=\mathbf{0}$$

Como pensar. O caminho óbvio é transpor \(A\) e repetir a eliminação inteira — foi o que o tópico 05 fez. Mas não precisa: a eliminação que já fizemos em \(A\) guarda a resposta.

O motivo é que toda linha de \(U\) é uma combinação das linhas de \(A\). Se uma linha de \(U\) saiu nula, então existe uma combinação das linhas de \(A\) que dá zero — e os coeficientes dessa combinação são exatamente um vetor de \(N(A^T)\). Multiplicar \(A\) pela esquerda é justamente combinar as linhas dela.

Passo 1 · rastrear de onde veio a linha nula

Voltando às operações do Passo 1, agora anotando cada linha nova em função das antigas:

$$L_2'\leftarrow -2L_1+L_2,\qquad L_3'\leftarrow L_1+L_3$$

e, no segundo pivô,

$$L_3''\leftarrow -2L_2'+L_3'$$

Essa \(L_3''\) é a linha que zerou. Substituindo \(L_2'\) e \(L_3'\) pelo que elas são em termos de \(L_1,L_2,L_3\):

$$L_3''=-2\big(-2L_1+L_2\big)+\big(L_1+L_3\big)$$ $$=4L_1-2L_2+L_1+L_3$$ $$=5L_1-2L_2+L_3$$
Passo 2 · ler os coeficientes

A terceira linha de \(U\) é nula, então essa combinação vale zero:

$$5L_1-2L_2+L_3=\mathbf{0}^T$$

Os coeficientes, na ordem das linhas, são o vetor procurado:

$$\mathbf{y}=\begin{bmatrix}5\\-2\\1\end{bmatrix}$$

Conferindo direto nas linhas de \(A\):

$$5[1,3,3,2]-2[2,6,9,7]+[-1,-3,3,4]$$ $$=[5,15,15,10]-[4,12,18,14]+[-1,-3,3,4]=[0,0,0,0]\;\checkmark$$

Ou, na forma \(A^T\mathbf{y}=\mathbf{0}\) — cada linha de \(A^T\) é uma coluna de \(A\):

$$\begin{bmatrix}1&2&-1\\3&6&-3\\3&9&3\\2&7&4\end{bmatrix}\begin{bmatrix}5\\-2\\1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\\0\\0\end{bmatrix}$$
Resposta $$N(A^T)=\mathrm{Span}\left\{\begin{bmatrix}5\\-2\\1\end{bmatrix}\right\}\subset\mathbb{R}^3$$ $$\dim\big(N(A^T)\big)=m-r=3-2=1$$

Uma reta na saída \(\mathbb{R}^3\). Bate com o Teorema Fundamental e com a caixa marcada com \(\times\) no mapa: é a direção da saída que nenhum \(A\mathbf{x}\) alcança.

Onde essa conta dá erradoOs coeficientes têm de ser escritos nas linhas originais de \(A\). Parar em \(-2L_2'+L_3'\) e ler \((0,-2,1)\) é o erro clássico — \(L_2'\) e \(L_3'\) já não são linhas de \(A\), são linhas do meio do caminho. É preciso substituir até sobrarem só \(L_1\), \(L_2\) e \(L_3\). Teste rápido: o vetor lido tem de zerar \(A^T\mathbf{y}\); \((0,-2,1)\) não zera.
Quantos vetores esperarCada linha nula de \(U\) entrega um vetor da base, e o número de linhas nulas é \(m-r\) — aqui, uma só. Se \(U\) não tiver nenhuma linha nula, então \(r=m\) e \(N(A^T)=\{\mathbf{0}\}\): não há o que procurar.

Com isso os quatro subespaços desta matriz estão fechados. \(A\) é \(3\times4\) com \(r=2\), então \(m=3\), \(n=4\):

SubespaçoBaseVive emDimensão
Espaço coluna \(C(A)\)colunas pivô de \(A\)saída \(\mathbb{R}^3\)\(r=2\) · plano
Espaço linha \(C(A^T)\)linhas não nulas de \(R\)entrada \(\mathbb{R}^4\)\(r=2\) · plano
Espaço nulo \(N(A)\)um vetor por variável livreentrada \(\mathbb{R}^4\)\(n-r=2\) · plano
Nulo esquerdo \(N(A^T)\)coeficientes da combinação que zerou a linha de \(U\)saída \(\mathbb{R}^3\)\(m-r=1\) · reta

Confere com o teorema: na entrada, \(2+2=4=n\); na saída, \(2+1=3=m\). Cada lado partido em duas peças ortogonais que somadas dão o espaço inteiro.

A regra prática que sai daquiO número de variáveis livres é o número de colunas sem pivô, que é \(n-r\) — exatamente a dimensão do espaço nulo. E cada variável livre gera um vetor da base: basta ligá-la em 1 e as outras em 0. Por isso \(N(A)\) aqui tem dois geradores, e não um nem três. Se todas as colunas tiverem pivô, não sobra variável livre e o espaço nulo é só a origem — que foi o caso da matriz \(A\) do exercício anterior.
A4 · Quadro · fecho 3

Exercício final 3 — os quatro subespaços de uma \(3\times4\)

Terceiro exercício de fecho, do livro. É o Teorema Fundamental aplicado do começo ao fim numa matriz só: uma eliminação, quatro bases, quatro dimensões. A matriz é outra, não a das duas partes anteriores.

Enunciado · quadro · p. 111, ex. 2

Encontre a dimensão e uma base para os 4 subespaços fundamentais de

$$A=\begin{bmatrix}1&2&0&1\\0&1&1&0\\1&2&0&1\end{bmatrix}$$
Parte 1 · eliminar, que é de onde sai tudo

A terceira linha é igual à primeira, então \(L_3\leftarrow L_3-L_1\) zera ela inteira:

$$\begin{bmatrix}1&2&0&1\\0&1&1&0\\1&2&0&1\end{bmatrix}\longrightarrow\begin{bmatrix}1&2&0&1\\0&1&1&0\\0&0&0&0\end{bmatrix}$$

Subindo para a forma reduzida, \(L_1\leftarrow L_1-2L_2\):

$$R=\begin{bmatrix}1&0&-2&1\\0&1&1&0\\0&0&0&0\end{bmatrix}$$

Dois pivôs, nas colunas 1 e 2. Logo \(r=2\), com \(m=3\) e \(n=4\). Pelo Teorema Fundamental as quatro dimensões já estão decididas, antes de achar um único vetor: \(r=2\), \(r=2\), \(n-r=2\) e \(m-r=1\).

Parte 2 · os dois espaços do lado da saída

Espaço coluna \(C(A)\). Vive no \(\mathbb{R}^3\), dimensão 2. A base são as colunas pivô tiradas da \(A\) original, nunca da \(R\):

$$\dim C(A)=2,\qquad \left\{\begin{bmatrix}1\\0\\1\end{bmatrix},\begin{bmatrix}2\\1\\2\end{bmatrix}\right\}$$

Espaço nulo esquerdo \(N(A^T)\). Vive no \(\mathbb{R}^3\), dimensão \(3-2=1\). Procura-se \(\mathbf{y}\) com \(\mathbf{y}^TA=\mathbf{0}\), isto é, a combinação de linhas de \(A\) que zera:

$$y_1(1,2,0,1)+y_2(0,1,1,0)+y_3(1,2,0,1)=(0,0,0,0)$$

A terceira coordenada só recebe contribuição da linha 2, então \(y_2=0\). Sobra \((y_1+y_3)(1,2,0,1)=\mathbf{0}\), ou seja \(y_3=-y_1\):

$$\dim N(A^T)=1,\qquad \left\{\begin{bmatrix}1\\0\\-1\end{bmatrix}\right\}$$

É o mesmo rastreamento do exercício 2: a combinação que zerou a linha na eliminação foi \(L_1-L_3\), e os coeficientes \((1,0,-1)\) são exatamente o vetor da base.

Parte 3 · os dois espaços do lado da entrada

Espaço linha \(C(A^T)\). Vive no \(\mathbb{R}^4\), dimensão 2. Aqui, ao contrário do espaço coluna, as linhas não nulas de \(R\) servem — a eliminação não muda o espaço linha:

$$\dim C(A^T)=2,\qquad \bigl\{(1,\,0,\,-2,\,1),\;(0,\,1,\,1,\,0)\bigr\}$$

Espaço nulo \(N(A)\). Vive no \(\mathbb{R}^4\), dimensão \(4-2=2\) — duas colunas sem pivô, duas variáveis livres, \(x_3\) e \(x_4\). A \(R\mathbf{x}=\mathbf{0}\) dá

$$x_1-2x_3+x_4=0\;\Rightarrow\;x_1=2x_3-x_4,\qquad x_2+x_3=0\;\Rightarrow\;x_2=-x_3$$

Uma solução especial por variável livre — primeiro \((x_3,x_4)=(1,0)\), depois \((0,1)\):

$$\dim N(A)=2,\qquad \left\{\begin{bmatrix}2\\-1\\1\\0\end{bmatrix},\begin{bmatrix}-1\\0\\0\\1\end{bmatrix}\right\}$$
Parte 4 · conferir pelos dois pares ortogonais

O lado da saída, \(C(A)\perp N(A^T)\) no \(\mathbb{R}^3\):

$$(1,0,-1)\cdot(1,0,1)=0,\qquad (1,0,-1)\cdot(2,1,2)=0$$

O lado da entrada, \(C(A^T)\perp N(A)\) no \(\mathbb{R}^4\):

$$(2,-1,1,0)\cdot(1,0,-2,1)=2-2=0$$ $$(2,-1,1,0)\cdot(0,1,1,0)=-1+1=0$$

E as dimensões fecham cada espaço inteiro: \(2+2=4=n\) na entrada, \(2+1=3=m\) na saída.

Nota de prova

A troca clássica é montar a base de \(C(A)\) com as colunas de \(R\) — aqui daria \((1,0,0)\) e \((0,1,0)\), que não estão em \(C(A)\). A eliminação preserva o espaço nulo e o espaço linha, não o espaço coluna; ela só diz quais colunas são pivô. O \(R\) localiza, a \(A\) fornece os vetores.

A4 · Quadro · fecho 4

Exercício final 4 — construir \(A\) a partir dos subespaços

Último exercício, e o único de mão trocada: em vez de receber a matriz e achar os subespaços, recebem-se os subespaços e monta-se a matriz. A segunda metade cobra a ortogonalidade dos tópicos 06 e 07 como critério de impossibilidade.

Enunciado · quadro · ex. 19

Construa uma matriz \(A\) com os vetores

$$\mathbf{v}_1=\begin{bmatrix}1\\0\\1\end{bmatrix}\qquad\text{e}\qquad\mathbf{v}_2=\begin{bmatrix}1\\2\\0\end{bmatrix}$$

como base para \(C(A^T)\) e \(C(A)\). Explique por que esses vetores não podem ser uma base para \(C(A^T)\) e \(N(A)\).

Parte 1 · construir a matriz

O formato sai dos espaços. \(C(A)\subset\mathbb{R}^m\) e \(C(A^T)\subset\mathbb{R}^n\). Como os dois vetores dados estão no \(\mathbb{R}^3\), é \(m=n=3\): a matriz é \(3\times3\). Os dois vetores são independentes, então \(r=2\).

Montar pela \(A=CR\). Na fatoração da A3, as colunas de \(C\) são uma base de \(C(A)\) e as linhas de \(R\) são uma base do espaço linha. É exatamente o que o enunciado entrega — basta preencher as duas:

$$C=\begin{bmatrix}1&1\\0&2\\1&0\end{bmatrix},\qquad R=\begin{bmatrix}1&0&1\\1&2&0\end{bmatrix}$$

Multiplicar. Uma linha de \(C\) por vez, cada uma combinando as linhas de \(R\):

$$(1,1)\Rightarrow 1\cdot(1,0,1)+1\cdot(1,2,0)=(2,2,1)$$ $$(0,2)\Rightarrow 0\cdot(1,0,1)+2\cdot(1,2,0)=(2,4,0)$$ $$(1,0)\Rightarrow 1\cdot(1,0,1)+0\cdot(1,2,0)=(1,0,1)$$ $$A=CR=\begin{bmatrix}2&2&1\\2&4&0\\1&0&1\end{bmatrix}$$

Conferir. As linhas são \(\mathbf{v}_1^T+\mathbf{v}_2^T\), \(2\mathbf{v}_2^T\) e \(\mathbf{v}_1^T\); as colunas são \(\mathbf{v}_1+\mathbf{v}_2\), \(2\mathbf{v}_2\) e \(\mathbf{v}_1\). Os dois espaços são \(\operatorname{span}\{\mathbf{v}_1,\mathbf{v}_2\}\), como pedido, e o posto é 2.

Não por acaso a matriz saiu simétrica: \(CR=\mathbf{v}_1\mathbf{v}_1^T+\mathbf{v}_2\mathbf{v}_2^T\), soma de duas simétricas. Sempre que se pede \(C(A)=C(A^T)\) essa soma resolve — numa matriz simétrica o espaço linha e o espaço coluna são o mesmo de graça.

Parte 2 · por que o outro par é impossível

O motivo é o tópico 06: \(C(A^T)\perp N(A)\) dentro do \(\mathbb{R}^n\). Todo vetor do espaço linha é ortogonal a todo vetor do espaço nulo. Então, se \(\mathbf{v}_1\) fosse base de um e \(\mathbf{v}_2\) base do outro, teria de valer \(\mathbf{v}_1^T\mathbf{v}_2=0\). Mas

$$\mathbf{v}_1^T\mathbf{v}_2=1\cdot 1+0\cdot 2+1\cdot 0=1\ne 0$$

Os dois não são ortogonais, logo não existe matriz nenhuma com essa configuração.

Segundo argumento, pela contagem. Um vetor em cada base dá \(\dim C(A^T)=1\) e \(\dim N(A)=1\). Pelo Teorema Fundamental essas duas dimensões somam \(n\), e os vetores no \(\mathbb{R}^3\) forçam \(n=3\). Mas \(1+1=2\ne3\). Falha também aí.

Por que a parte 1 pôde, então? \(C(A)\) e \(C(A^T)\) não formam um par ortogonal — nem vivem no mesmo espaço quando \(m\ne n\). Os únicos pares que se cruzam em ângulo reto são \(C(A^T)\perp N(A)\) na entrada e \(C(A)\perp N(A^T)\) na saída. Nada impede o espaço linha e o espaço coluna de coincidirem.

A4 · Quadro · resumo final

O mapa completo — para onde vai cada pedaço de \(\mathbf{x}\)

Último desenho da aula, feito no quadro depois do exercício 2 e sobre a mesma matriz dele: \(A\) é \(3\times4\) de posto \(r=2\), então a entrada é o \(\mathbb{R}^4\), a saída é o \(\mathbb{R}^3\), e os quatro subespaços cabem todos num mapa só. É a figura que junta os tópicos 08, 09 e o bloco de entrada e saída.

ℝ⁴ · entrada ℝ³ · saída C(AT) dim r = 2 xr N(A) dim n − r = 2 xn x C(A) dim r = 2 Ax 0 N(AT) dim m − r = 1 A
A leva a componente xᵣ do espaço linha no espaço coluna, e esmaga a componente xₙ do espaço nulo na origem. O × marca o caminho que não existe: nada chega em N(Aᵀ).
As três leituras do desenho

1. A entrada se parte em duas. Todo \(\mathbf{x}\in\mathbb{R}^4\) é a soma de uma componente no espaço linha e uma no espaço nulo — é o \(\mathbf{x}=\mathbf{x}_p+\mathbf{x}_n\) da parte 1 do exercício 2, aqui com os nomes do quadro:

$$\mathbf{x}=\mathbf{x}_r+\mathbf{x}_n,\qquad \mathbf{x}_r\in C(A^T),\quad \mathbf{x}_n\in N(A)$$

2. Só uma das duas chega do outro lado. Aplicando \(A\) na soma:

$$A\mathbf{x}=A\mathbf{x}_r+\underbrace{A\mathbf{x}_n}_{=\,\mathbf{0}}=A\mathbf{x}_r$$

A seta de cima leva \(\mathbf{x}_r\) em \(A\mathbf{x}\), dentro do espaço coluna; a seta de baixo leva \(\mathbf{x}_n\) na origem. O resultado cai sempre em \(C(A)\), e quem decide onde dentro dele é só a componente do espaço linha.

3. Um dos quatro nunca recebe ninguém. Nenhum \(A\mathbf{x}\) cai em \(N(A^T)\) — é a parte da saída que a matriz não alcança. O único ponto que ele divide com o espaço coluna é a origem, e é exatamente ali que a seta de baixo termina: o espaço nulo inteiro é esmagado no único vetor que os dois lados da saída têm em comum. Por isso \(A\mathbf{x}=\mathbf{b}\) não tem solução quando \(\mathbf{b}\) tem componente ali.

Conferindo as dimensões do desenho na matriz do exercício 2, com \(m=3\), \(n=4\) e \(r=2\):

LadoSubespaçoDimensãoNo mapa
Entrada \(\mathbb{R}^4\)Espaço linha \(C(A^T)\)\(r=2\)a caixa de onde parte a seta de cima
Espaço nulo \(N(A)\)\(n-r=2\)a caixa de onde parte a seta para a origem
Saída \(\mathbb{R}^3\)Espaço coluna \(C(A)\)\(r=2\)a caixa onde as duas setas terminam
Nulo esquerdo \(N(A^T)\)\(m-r=1\)a caixa marcada com \(\times\)
O que a seta de cima escondeEntre \(C(A^T)\) e \(C(A)\) as dimensões são as mesmas — \(r\) dos dois lados — e a correspondência é um-para-um: dois vetores diferentes do espaço linha nunca caem no mesmo ponto do espaço coluna, porque a diferença entre eles teria de estar em \(N(A)\), e o único vetor que está nos dois é \(\mathbf{0}\). Restrita ao espaço linha, \(A\) é inversível; toda a perda de informação está na outra seta.
Revisão

Checklist da A4

Se você consegue responder tudo abaixo sem consultar, a aula está fechada.

PerguntaOnde está
Nomear os quatro subespaços e escrever a notação de cada umQuais são os quatro
Achar \(C(A)\) e \(C(A^T)\) descartando colunas e linhas redundantesEspaço linha e espaço coluna
Montar o sistema \(A\mathbf{x}=\mathbf{0}\) e achar um gerador de \(N(A)\)Espaço nulo
Justificar por que uma solução não trivial já entrega a reta inteiraPor que o espaço nulo é uma reta
Achar \(N(A^T)\) a partir da transpostaEspaço nulo esquerdo
Dizer o que é dois vetores — e dois subespaços — serem ortogonaisEspaço linha ⟂ espaço nulo
Provar que \(C(A^T)\perp N(A)\) lendo \(A\mathbf{x}=\mathbf{0}\) por linhasEspaço linha ⟂ espaço nulo
Provar que \(C(A)\perp N(A^T)\) pelo mesmo argumentoEspaço coluna ⟂ nulo esquerdo
Dizer o que é a dimensão de um subespaço e ligá-la ao postoTeorema Fundamental
Dar as quatro dimensões em função de \(m\), \(n\) e \(r\)Teorema Fundamental
Dizer em que \(\mathbb{R}^k\) cada subespaço viveTeorema Fundamental
Dizer qual é o espaço de entrada e o de saída olhando a forma de \(A\)Espaço de entrada e de saída
Dizer para quais \(\mathbf{b}\) o sistema \(A\mathbf{x}=\mathbf{b}\) tem soluçãoExercício final 1 · parte 1
Achar o espaço nulo resolvendo o sistema homogêneo linha a linhaExercício final 1 · parte 2
Mostrar que \(N(B)\) é uma reta, e não só que contém umaExercício final 1 · parte 3
Dizer onde cai \(B\mathbf{x}\) conforme \(\mathbf{x}\) esteja ou não em \(N(B)\)Exercício final 1 · observação
Justificar \(A\mathbf{x}_p=\mathbf{b}\) a partir de \(\mathbf{x}=\mathbf{x}_p+\mathbf{x}_n\)Exercício final 2 · parte 1
Achar uma base de \(N(A)\) por Gauss-Jordan e variáveis livresExercício final 2 · parte 2
Prever \(\dim N(A)\) contando colunas sem pivôExercício final 2 · regra prática
Montar a base de \(C(A)\) com as colunas pivô, tiradas de \(A\)Exercício final 2 · parte 3
Montar a base de \(C(A^T)\) com as linhas não nulas de \(R\)Exercício final 2 · parte 3
Achar uma base de \(N(A^T)\) rastreando a combinação que zerou a linha de \(U\)Exercício final 2 · parte 4
Explicar por que os coeficientes têm de ser escritos nas linhas originais de \(A\)Exercício final 2 · parte 4
Explicar por que a eliminação preserva o espaço nulo e o linha, mas não o colunaExercício final 2 · parte 3
Achar dimensão e base dos quatro subespaços de uma \(3\times4\) do zeroExercício final 3
Ler as quatro dimensões só do número de pivôs, antes de achar vetor nenhumExercício final 3 · parte 1
Conferir o resultado testando os dois pares ortogonaisExercício final 3 · parte 4
Construir \(A\) por \(CR\) a partir de bases dadas para \(C(A)\) e \(C(A^T)\)Exercício final 4 · parte 1
Usar a ortogonalidade para provar que um par de subespaços é impossívelExercício final 4 · parte 2
Desenhar o mapa dos quatro subespaços e dizer o que cada seta fazO mapa completo
Justificar que só \(\mathbf{x}_r\) chega ao espaço coluna, e que \(N(A^T)\) não recebe ninguémO mapa completo