Funciones Lineales y sus Propiedades

Definición y Clasificación de Funciones entre Conjuntos

En matemáticas, una función (o aplicación) de un conjunto A a un conjunto B es una regla que asocia a cada elemento de A exactamente un elemento de B, denominado su imagen. La imagen de A bajo la función f se representa como Im(f) y consiste en el conjunto de todas las imágenes de los elementos de A bajo f. Una función es inyectiva si elementos distintos en A tienen imágenes distintas en B. Es suprayectiva o sobreyectiva si cada elemento de B es imagen de al menos un elemento de A. Una función biyectiva es aquella que es tanto inyectiva como suprayectiva, estableciendo una correspondencia uno a uno entre los elementos de A y B.

Propiedades y Ejemplos de Funciones Lineales

Las funciones lineales son aplicaciones entre espacios vectoriales que preservan las operaciones de suma de vectores y multiplicación por escalares. Para que una función f sea lineal, debe cumplir que f(u + v) = f(u) + f(v) y f(λu) = λf(u), donde u y v son vectores y λ es un escalar. Estas propiedades aseguran que la estructura del espacio vectorial se mantiene bajo la función. Ejemplos de funciones lineales incluyen la proyección de vectores en un subespacio y la rotación en el plano. Estos ejemplos sirven para ilustrar la verificación de la linealidad de una función mediante las propiedades mencionadas.

La Matriz Asociada a una Función Lineal

La matriz asociada a una función lineal es una representación en forma de matriz de cómo la función actúa sobre los vectores de una base del espacio de origen. Para construir esta matriz, se toman las imágenes de los vectores de la base del espacio de origen y se expresan como combinaciones lineales de los vectores de la base del espacio destino. La matriz asociada permite calcular la imagen de cualquier vector del espacio de origen, dado en términos de la base de origen, en el espacio destino. La matriz es única para una función lineal y unas bases dadas, pero varía si se cambian las bases.

Núcleo e Imagen de una Función Lineal

El núcleo (o kernel) de una función lineal f, denotado como Ker(f), es el conjunto de vectores del espacio de origen que se mapean al vector cero del espacio destino. Es un subespacio vectorial del espacio de origen y su dimensión indica la inyectividad de la función. La imagen de f, denotada como Im(f), es el conjunto de vectores en el espacio destino que son imágenes de vectores del espacio de origen. También es un subespacio vectorial del espacio destino. La dimensión de la imagen refleja la suprayectividad de la función. El Teorema de la Dimensión relaciona las dimensiones del espacio de origen, el núcleo y la imagen, y se expresa como dim(U) = dim(Ker(f)) + dim(Im(f)).

Monomorfismos, Epimorfismos e Isomorfismos en Funciones Lineales

Las funciones lineales se clasifican en monomorfismos, epimorfismos e isomorfismos según su inyectividad y suprayectividad. Un monomorfismo es una función lineal inyectiva con un núcleo que contiene solo el vector cero y una matriz asociada con rango completo respecto al espacio de origen. Un epimorfismo es una función lineal suprayectiva cuya imagen es todo el espacio destino y cuya matriz asociada tiene rango completo respecto al espacio destino. Un isomorfismo es una función lineal que es tanto inyectiva como suprayectiva, indicando una correspondencia uno a uno entre los espacios vectoriales. Estas clasificaciones son esenciales para entender las propiedades estructurales de las funciones lineales en álgebra lineal.