În matematică , liniaritatea este o relație între două sau mai multe entități matematice. Intuitiv, două mărimi sunt în relație liniară dacă există o formă de proporționalitate directă între ele.
De exemplu, legea {\ displaystyle A = 2B} se corelează liniar {\ displaystyle A} Și {\ displaystyle B} : de sine {\ displaystyle B} dublu, de asemenea {\ displaystyle A} duble. Cu toate acestea, semnificația exactă a termenului „liniaritate” depinde de contextul în care este folosit termenul.
În algebră , nvectori{\ displaystyle \ mathbf {v} _ {1}, \ mathbf {v} _ {2}, \ cdots \ mathbf {v} _ {n}} aparținând unui spațiu vectorial definit pe corp{\ displaystyle {\ mathcal {K}}} sunt liniar dependente dacă există o relație între ele, cum ar fi:
unde este {\ displaystyle a_ {1}, a_ {2}, \ cdots, a_ {n} \ în {\ mathcal {K}}} nu sunt toate nule. [1] Dacă în schimb egalitatea este satisfăcută numai pentru {\ displaystyle a_ {1} = \ ldots = a_ {n} = 0} vectorii sunt liniar independenți. Dacă un transportator {\ displaystyle \ mathbf {v}} poate fi scris astfel:
O aplicatie {\ displaystyle f: V \ to W} definit de a {\ displaystyle {\ mathcal {K}}} - spațiu vectorial{\ displaystyle V} la o {\ displaystyle {\ mathcal {K}}} -spaţiu {\ displaystyle W} este liniar dacă, pentru orice pereche de elemente {\ displaystyle x} Și {\ displaystyle y} aparținând {\ displaystyle V} pe care acționează funcția și pentru fiecare pereche de scalari {\ displaystyle \ lambda} Și {\ displaystyle \ mu} pentru care această funcție poate fi multiplicată, relația deține:
{\ displaystyle f (\ lambda x + \ mu y) \, = \ lambda f (x) \, + \ mu f (y)}
În general, o aplicație care păstrează legile de compoziție între două seturi cu aceeași structură se numește homomorfism . Conform structurii definite pe aceste seturi, vorbim deci de omomorfismul grupurilor , inelelor , spațiilor vectoriale și algebrelor .
O funcție în {\ displaystyle n} variabile {\ displaystyle f: V_ {1} \ times \ ldots \ times V_ {n} \ to W} (unde i {\ displaystyle V_ {i}} Sunt {\ displaystyle {\ mathcal {K}}} -spatii vectoriale) care este liniara in toate variabilele sale:
{\ displaystyle f (\ mathbf {x} + \ mathbf {y}) = f (\ mathbf {x}) + f (\ mathbf {y}) \ qquad \ forall \ mathbf {x}, \ mathbf {y} \ in V_ {1} \ times \ ldots \ times V_ {n}}
unde coeficienții (constanți) {\ displaystyle a_ {i}} nu sunt toate nule. În mod echivalent, o ecuație algebrică în necunoscut {\ displaystyle \ mathbf {x} = (x_ {1}, \ cdots, x_ {n}) ^ {T}} este liniar dacă există un vector {\ displaystyle \ mathbf {a} = (a_ {1}, \ cdots, a_ {n}) ^ {T} \ in {\ mathcal {K}} ^ {n}} , unde este {\ displaystyle {\ mathcal {K}}} este un câmp și un element {\ displaystyle b \ in {\ mathcal {K}}} astfel încât să puteți scrie:
O ecuație liniară poate sau nu admite soluții în funcție de câmpul căruia trebuie să îi aparțină componentele {\ displaystyle \ mathbf {x}} . O ecuație liniară admite întotdeauna soluții în câmpul rațional dacă coeficienții sunt raționali {\ displaystyle a_ {1}, \ ldots, a_ {n}, b} , sau în câmpul real dacă coeficienții sunt reali. Aceste soluții sunt obținute prin setarea ca parametru a tuturor necunoscutelor, cu excepția celei pentru care este rezolvată. De exemplu, dacă {\ displaystyle a_ {1} \ neq 0} ecuația de mai sus admite setul de soluții:
Un sistem liniar de ecuații algebrice este o colecție de m ecuații liniare, fiecare în n necunoscute {\ displaystyle x_ {1}, \ cdots, x_ {n}} , ale căror soluții sunt soluții ale tuturor ecuațiilor sistemului. În mod echivalent, setul de soluții al sistemului este intersecția seturilor de soluții ale tuturor ecuațiilor. Fiecare sistem liniar poate fi asociat cu o matrice{\ displaystyle A} in marime {\ displaystyle m \ times n} , al cărui element {\ displaystyle a_ {ij}} reprezintă coeficientul de j- th ecuația în th necunoscut j-. Daca atunci {\ displaystyle \ mathbf {x}} este n -vector care are ca componente necunoscutele și {\ displaystyle \ mathbf {b}} este m -vectorul termenilor cunoscuți, întregul sistem poate fi scris:
Un astfel de sistem poate fi imposibil dacă nu admite soluții, determinat dacă admite o singură soluție și nedeterminat dacă admite mai multe soluții. Dacă câmpul{\ displaystyle {\ mathcal {K}}} în care se caută necunoscutele are o cardinalitate infinită, un sistem nedeterminat admite soluții infinite: acest lucru se datorează faptului că setul de soluții ale unui sistem liniar este un subspatiu afin al {\ displaystyle {\ mathcal {K}}} . Mai precis:
în special spațiul {\ displaystyle \ mathrm {Sol} (A \ mathbf {x} = \ mathbf {0})} dintre soluțiile sistemului omogen asociat este un spațiu vectorial, deoarece:
{\ displaystyle A \ mathbf {x} = \ mathbf {0} {\ mbox {e}} A \ mathbf {y} = \ mathbf {0} \ \ Rightarrow A (\ lambda \ mathbf {x} + \ mu \ mathbf {y}) = \ mathbf {0} \ qquad \ forall \ lambda, \ mu \ in {\ mathcal {K}}}
Există o teoremă care leagă rangul matricei {\ displaystyle A} cu solvabilitatea sistemului.
{\ displaystyle a_ {n} (x) y ^ {(n)} (x) + \ cdots + a_ {1} (x) y ^ {\ prime} (x) + a_ {0} (x) y ( x) = f (x)}
cu cineva {\ displaystyle a_ {i} \ neq 0} .
În acest caz, liniaritatea ecuației este exprimată prin faptul că diferitele derivate ale {\ displaystyle y} toate apar în gradul I (sau gradul zero). Termenul „liniar” este motivat de faptul că operatorul:
{\ displaystyle {\ mathfrak {L}}: y \ mapsto a_ {n} (x) y ^ {(n)} + \ cdots + a_ {1} (x) y ^ {\ prime} + a_ {0} (X y}
este liniar, adică dacă {\ displaystyle y_ {1}} este soluție de {\ displaystyle {\ mathfrak {L}} (y) = f_ {1} (x)} Și {\ displaystyle y_ {2}} este soluție de {\ displaystyle {\ mathfrak {L}} (y) = f_ {2} (x)} asa de{\ displaystyle (y_ {1} + y_ {2})} este soluție de {\ displaystyle {\ mathfrak {L}} (y) = f_ {1} (x) + f_ {2} (x)} . Cu alte cuvinte, relația deține:
{\ displaystyle {\ mathfrak {L}} (ay_ {1} + by_ {2}) = a {\ mathfrak {L}} (y_ {1}) + b {\ mathfrak {L}} (y_ {2} ) \ quad \ forall a, b \ in \ mathbb {R}}
Locuri geometrice
Reprezentarea carteziană a unei ecuații liniare în n necunoscute este un hiperplann-1- cufundat în n- spațiu. De exemplu, ecuația:
{\ displaystyle 3x + 8y-2 = 0}
identifică o linie dreaptă pe plan (x, y), în timp ce în ecuație:
{\ displaystyle x + 2y-z + 1 = 0}
corespunde unui plan din spațiu (x, y, z). Aceste ecuații se spun sub formă implicită , unde formele explicite corespunzătoare ar fi:
{\ displaystyle y = - {\ frac {3} {8}} x + {\ frac {1} {4}}}
în ceea ce privește coordonata y și:
{\ displaystyle z = x + 2y + 1}
în ceea ce privește coordonata z .
Notă
^Vectorul nul{\ displaystyle \ mathbf {0}} este liniar dependentă , deoarece relația este valabilă{\ displaystyle \ lambda \ mathbf {0} = \ mathbf {0}} .