´Algebra lineal - Universidad de Buenos Aires

8 Espacios vectoriales
Definición 1.9 Sea V un K-espacio vectorial. Un subconjunto S ⊆ V no vacío se dice un
subespacio de V si la suma y el producto por escalares (de V ) son una operación y una acción
en S que lo convierten en un K-espacio vectorial.
Ejemplo. Caractericemos todos los subespacios de R 2 :
• S = {(0, 0)} es un subespacio.
• Supongamos que S es un subespacio y que contiene algún elemento v no nulo. Entonces,
para todo λ ∈ R, λ.v ∈ S. Si éstos son todos los elementos de S, entonces S es un
subespacio (que, gráficamente, resulta ser una recta que pasa por el origen).
• Con la notación del punto anterior, si S contiene algún elemento que no es de la forma
λ.v, digamos v ′ , contiene también a todos los múltiplos de v ′ . Luego, S contiene a las
dos rectas L y L ′ que pasan por el origen y cuyas direcciones son v y v ′ respectivamente.
Es claro (usando la regla del paralelogramo) que cualquier punto en R 2 es suma de un
elemento de L más uno de L ′ , luego pertenece a S. En consecuencia, S = R 2 .
Observamos que, dado un K-espacio vectorial V y un subconjunto S de V , para determinar
si S es un subespacio de V según la Definición 1.9 debemos verificar la validez de una gran
cantidad de propiedades (todas las involucradas en la definición de espacio vectorial). La
siguiente proposición nos provee una caracterización de los subespacios en términos de sólo
tres propiedades, a partir de las cuales se deducen todas las demás.
Proposición 1.10 Sea V un K-espacio vectorial y sea S ⊆ V . Entonces S es un subespacio
de V si y sólo si valen las siguientes condiciones:
i) 0 ∈ S
ii) v, w ∈ S =⇒ v + w ∈ S
iii) λ ∈ K, v ∈ S =⇒ λ · v ∈ S
Demostración.
(⇒) Es inmediato verificar que si S es un subespacio de V se cumplen i), ii) e iii).
(⇐) La condición i) asegura que S es no vacío.
Por ii), + es una operación de S y por iii), · es una acción.
La asociatividad y conmutatividad de la suma se deducen de la validez de las mismas
para V , el elemento neutro de la suma 0 ∈ S por i), y la existencia de inverso aditivo se
deduce de que dado v ∈ S, −v = (−1) · v, que pertenece a S por iii).
Las propiedades de la acción en la definición de espacio vectorial se deducen también
de su validez en V .
Observamos que la condición i) en la proposición anterior puede ser reemplazada por