34 nucleo e imagem de uma transformacao linear

n. 33 – Núcleo de uma transformação linear
Chama-se núcleo de uma transformação linear f: V ⇒ W ao
conjunto de todos os vetores v ∈ V que são transformados em 0 ∈
W. Indica-se esse conjunto por N(f) ou Ker (f).
[kernel = tradução núcleo]
 N(f) = { v ∈V / f(v) = 0}
 O N(f) ⊂ V e todos os seus
vetores têm uma única imagem
que é o zero/vetor nulo de W.
Observe que N(𝑓) ≠ ∅ , pois 0 ∈ N (f) uma vez que f(0) = 0.
Exemplo:
Determine o núcleo de uma transformação linear f: ℝ2⟶ℝ2,
f(x, y) = (x - 2y , x + 3y).
N(f) = {(x, y) ∈ℝ2 / f(x, y) =(0,0)}

isto é,
(x - 2y , x + 3y) = (0, 0)
{
𝑥 − 2 𝑦 = 0
𝑥 + 3 𝑦 = 0
{
𝑥 = 2𝑦
𝑥 = −3𝑦
Logo, a única solução é: x = y = 0
Logo, N(f) = {(0, 0)}
E, dim N(F) = 0
Exercícios:
1.Seja a transformação linear f: ℝ3⟶ℝ2,
f(x, y, z) = (x - y + 4 z, 3 x +y + 8 z), determine o núcleo.
R: N(f) = {(- 3 , 1, 1)}
2.Determine o núcleo da transformação linear f: ℝ2⟶ℝ2,
definida por f(x, y) = ( x + y, x – y). R: N(f) = {(0, 0)}
definida por f(x, y) = ( x + y, x + y). R: N(f) = {(- 1, 1)}
definida por f(x, y, z) = ( x + y, x + y, x + y + z).
R: N(f) = {(– 1, 1, 0)}
Exercícios resolvidos:
1.Seja a transformação linear f: ℝ3⟶ℝ2,
f(x, y, z) = (x - y + 4 z, 3 x +y + 8 z), determine o núcleo.
R: N(f) = {(- 3 , 1, 1)}

N(f) = {(x, y, z) ∈ℝ3 / f(x, y, z) =(0,0,0)}, isto é
(x - y + 4 z, 3 x +y + 8 z) = (0, 0)
{
𝑥 − 𝑦 + 4 𝑧 = 0
3 𝑥 + 𝑦 + 8 𝑧 = 0
x = y – 4 z
3 (y – 4 z) + y + 8 z = 0
3 y – 12 z + y + 8 z = 0
4 y – 4 z = 0
𝑦 =
4 𝑧
4
y = z
Logo, x = y – 4 y
x = - 3 y
Cuja solução é x = - 3 z e y = z
Logo, N(f) = {(- 3 z, z, z) ∈ ℝ3/ z ∈ ℝ } = {z (- 3, 1, 1) / z ∈ ℝ}
Ou N(f) = {(- 3 , 1, 1)}.
E, dim N(F) = 1
definida por f(x, y) = ( x + y, x – y). R: N(f) = {(0, 0)}
N (f) = {(x, y) ∈ℝ2 / f(x, y) =(0,0)}, isto é (x + y , x - y) = (0, 0)
{
𝑥 + 𝑦 = 0
𝑥 − 𝑦 = 0
Cuja solução é: x = - y e x = y Logo, N(f) = {(0, 0)}.
E, dim N(F) = 0

definida por f(x, y) = ( x + y, x + y). R: N(f) = {(- 1, 1)}
N (f) = {(x, y) ∈ℝ2 / f(x, y) =(0,0)}, isto é (x + y , x + y) = (0, 0)
{
𝑥 + 𝑦 = 0
𝑥 + 𝑦 = 0
Cuja solução é x = - y  (- y, y)  y (- 1, 1)
Logo, N(f) = {(- 1, 1)}.
E, dim N(F) = 1
definida por f(x, y, z) = ( x + y, x + y, x + y + z).
R: N(f) = {(– 1, 1, 0)}
N (f) = {(x, y, z) ∈ℝ3 / f(x, y, z) =(0,0, 0)}, isto é
(x + y , x + y, x + y + z) = (0, 0, 0)
{
𝑥 + 𝑦 = 0
𝑥 + 𝑦 = 0
𝑥 + 𝑦 + 𝑧 = 0
Como, z = – x – y mas x = – y logo, z = –(–y) – y  z = 0
N(f) = {(- y, y , 0)} = {y (– 1, 1, 0)}.
Logo, N(f) = {(– 1, 1, 0)}.
E, dim N(F) = 1

Proposição: o núcleo de uma transformação linear F: U ⟶V é
um subespaço vetorial de U.
Demonstração:
a. 0 ∈ N(f) pois F (0) = 0
b. ∀ u1 ∈ N(f)⇒ F(u1) = 0 ∀ u2 ∈ N(f)⇒ F(u2) = 0
Mas, F(u1 + u2 ) = F(u1) + F(u2) = 0 + 0
Logo, u1 + u2 ∈ N(f)
c. ∀ u1 ∈ N(f)⇒ F(u1) = 0
Mas F (α u1 ) = α F ( u1 ) = α 0 = 0
Logo, α u1 ∈ N(f)
Imagem de uma transformação linear
Chama-se imagem de uma transformação linear f: V ⟶W ao
conjunto dos vetores w ∈ W que são imagens de vetores v ∈ V.
Indica-se esse conjunto por Im(f) ou f(V).
Im(f) = w ∈ W / f (v) = w para
algum v ∈ V.
Observe o conjunto Im(f) ⊂ W
e também o núcleo de f.
Observe que Im (f) ≠ ∅, pois 0 =
f(0) ∈ Im(f).

Se Im(f) = W, f diz-se sobrejetora (imagem = domínio), isto é,
para todo w ∈ W, existe pelo menos um v ∈ V tal que f(v) = w.
Proposição: O conjunto imagem da transformação linear
F: U → V é um subespaço vetorial de V.
Demonstração:
a. 0 ∈ Im(f), pois F (0) = 0
b. ∀ v1 ∈ Im(f) ⇒ ∃ u1 ∈ U / v1 = F(u1);
∀ v2 ∈ Im(f) ⇒ ∃ u2 ∈ U / v2 = F(u2)
Mas, v1 + v2 = F(u1) + F(u2) = F(u1 + u2), logo, v1 + v2 ∈ Im(f)
c. ∀ u1 ∈ Im(f) ⇒ ∃ u1 ∈ U / v1 = F(u1)
Mas α v1 = α F (u1 ) = F (α u1 )
Logo, α u1 ∈ Im(f)
Exemplo:
Determine o conjunto imagem da transformação linear
F: ℝ2 → ℝ2 definida por F (x, y) = (x + 2 y, x – 3 y).
 Im F = { v ∈ ℝ2 / v = x (1, 1) + y (2, -3)}
Esses são os vetores imagem.
 Primeiro temos que calcular a imagem dos vetores. Como
não temos uma base, utilizamos a base canônica do R2.
Logo: F (x, y) = (x + 2 y, x – 3 y)

F (1, 0) = (1, 1)
F (0, 1) = (2, - 3)
[
1 1
2 −3
] { 𝐿2: 𝐿2 − 2𝐿1 → [
1 1
0 −5
]
Portanto, uma base para a imagem é {(1, 1), (0, - 5)}
Im (F): { (1, 1), (0, -5)} e dim Im (F) = 2
 Se fosse pedido para achar o Núcleo:
(x + 2 y , x – 3 y) = (0, 0)
{
𝑥 + 2 𝑦 = 0
𝑥 − 3 𝑦 = 0
x = 3 y
Logo, 3 y + 2 y = 0
5 y = 0
y = 0
Portanto, x = 0
Logo, N(f) = {(0, 0)}.
Não temos variável livre, portanto, dim N (F) = 0
Exercícios:
1. Determine o conjunto imagem da transformação linear
F: ℝ3 → ℝ3 dada por F (x, y, z) = (y, x – z, x + y + z).
R: Im (F) = {(1, 0, 1), (0, 1, 1), (0, 0, 2) }

2. Determine o conjunto imagem da transformação linear
F: ℝ3 → ℝ3 definida por F (x, y, z) = (x + y, x + y, z).
R: Im (F) = {(1, 1, 0), (0, 0, 1)}
Resolução:
1. O conjunto imagem da transformação linear F: ℝ3 → ℝ3 dada
por F (x, y, z) = (y, x – z, x + y + z).
Im F = { v ∈ ℝ3 / v = x (0, 1, 1) + y (1, 0, 1) + z (0, - 1, 1)}
Primeiro temos que calcular a imagem dos vetores. Como não
temos uma base, utilizamos a base canônica do R3.
F (x, y, z) = ( y , x – z , x + y + z )
F (1, 0, 0) = (0, 1, 1)
F (0, 1, 0) = (1, 0, 1)
F (0, 0, 1) = (0, - 1, 1)
[
0 1 1
1 0 1
0 −1 1
] { 𝐿1 → 𝐿2  [
1 0 1
0 1 1
0 −1 1
] { 𝐿3: 𝐿2 + 𝐿3
[
1 0 1
0 1 1
0 0 2
]
Logo, uma base para a imagem é
Im (F) = {(1, 0, 1), (0, 1, 1), (0, 0, 2) } e dim Im (F) = 3
( y , x – z , x + y + z) = (0, 0, 0)

{
𝑦 = 0
𝑥 − 𝑧 = 0
𝑥 + 𝑦 + 𝑧 = 0
x = z
Logo, z + 0 + z = 0
2 z = 0
z = 0
Portanto, x = 0
Logo, N(f) = {(0, 0, 0)} e dim N (F) = 0
2. O conjunto imagem da transformação linear F: ℝ3 → ℝ3
definida por F (x, y, z) = (x + y, x + y, z).
Im F = { v ∈ ℝ3 / v = x (1, 1, 0) + y (1, 1, 0) + z (0, 0, 1)}
Como x (1, 1, 0) + y (1, 1, 0) são LD – linearmente dependentes,
temos apenas dois vetores LI para a imagem.
Logo, a dimensão da imagem é igual a 2.
dim Im(f) = 2
Primeiro temos que calcular a imagem dos vetores. Como não
temos uma base, utilizamos a base canônica do R3.
F (x, y, z) = ( x + y , x + y , z )
F (1, 0, 0) = (1, 1, 0)
F (0, 1, 0) = (1, 1, 0)
F (0, 0, 1) = (0, 0, 1)

[
1 1 0
1 1 0
0 0 1
] { 𝐿2: 𝐿1 − 𝐿2  [
1 1 0
0 0 0
0 0 1
]
Logo, uma base para a imagem é
Im (F) = {(1, 1, 0), (0, 0, 1)} e dim Im (F) = 2
(x + y, x + y, z) = (0, 0, 0)
{
𝑥 + 𝑦 = 0
𝑥 + 𝑦 = 0
𝑧 = 0
x = - y
N(f) = { y( -1, 1, 0)}
Logo, N(f) = {(- 1, 1, 0)}.
Com uma variável livre, a dimensão do Núcleo é igual a 1.
Dim N(f) = 1
Teorema do Núcleo e da Imagem
Se F: U ⟶V é uma transformação linear (logo, é bijetora), então:
dim U = dim Núcleo (F) + dim Im (F)
Exemplo:
Seja F: ℝ3 → ℝ3 definida por F (x, y, z) = (x, x + y, x + y + z).
Determinar uma base e a dimensão do N(F) e Im(F).
a. Determinação do núcleo de F:

(0, 0, 0) = (x, x + y, x + y + z)
{
𝑥 = 0
𝑥 + 𝑦 = 0
𝑥 + 𝑦 + 𝑧 = 0
Logo, x = y = z = 0
Portanto, N(F) = {(0, 0, 0)} ⇒ dim(N) = 0
Assim, a base do Núcleo é o vetor nulo.
b. Determinação da imagem de F:
∀ v ∈ Im F ⇒ v = (x, x + y, x + y + z)
F(x, y, z) = (x, x + y, x + y + z) = x (1, 1, 1) + y (0, 1,1) + z (0, 0, 1)
[
1 1 1
0 1 1
0 0 1
]  a matriz já está escalonada, logo, o conjunto de
vetores é linearmente independente, e formam uma base da
Im(F).
R: Im(F) = { (1, 1, 1) , (0, 1,1) , (0, 0, 1) } e dim Im (F)= 3, pois
temos 3 vetores, ou seja 3 elementos.
Exercícios:
1. Determinar a dimensão do núcleo e da imagem do operador
linear do ℝ2: F (x, y) = ( 0, 2y – x)
R: dim N(F)=1 e dim Im(F)=1

2. Dado o operador linear ℝ3⟶ ℝ3
F (x, y, z) = ( x + 2 y – z, y + 2 z, x + 3 y + z)
a) Determine o núcleo de F, a dimensão do núcleo e uma de
suas bases.
R: N(F): {(5, - 2, 1)} e dim N (F) = 1
b) Determine a imagem de F, a dimensão da imagem e uma de
suas bases.
R: Base Im(F) = {(1, 0, 1), (0, 1, 1)} e dim Im(F) = 2
c) Verifique a propriedade da dimensão de F. R: dim (F) = 3
3. Seja F: R4 ⟶ ℝ3 a transformação linear definida por
F(x, y, s, t) = ( x – y + s + t, x + 2 s – t, x + y + 3 s – 3 t), encontre
uma base e a dimensão da:
a) Imagem (F)
R: Base Im (F) = { (1, 1, 1), (0, 1, 2)} e dim Im (F) = 2
b) Núcleo (F)
R: Base N (F) = {(2, 1, - 1, 0), ( 1, 2, 0, 1)} e dim N (F) = 2
Resolução dos exercícios propostos
1. Determinar a dimensão do núcleo e da imagem do operador
linear do ℝ2: F (x, y) = ( 0, 2y – x) LCTE: p. 87

Núcleo: N(f) = {(x, y) ∈ℝ2 / f (x, y) = (0, 0)}
{
0 = 0
2 𝑦 − 𝑥 = 0
Logo, x = 2 y
Como temos uma variável livre, a dim N(f) = 1
Logo, N (F) = (2 y, y) = {y (2, 1)}
R: Base para o N(F) = {(2, 1)} e dim N(f) = 1
Conjunto Im(f) = {(x, y) ∈ℝ2 / f (x, y) = x (0, - 1) + y (0, 2)}
Como os vetores do conjunto imagem são LD, portanto, a base
para a imagem é apenas um vetor. Assim, a dimensão da imagem
é 1.
R: Base para a Im (F)= {(0, -1)} ou Im (F)= {(0, 2)} e dim Im(f) = 1
2. Dado o operador linear ℝ3⟶ ℝ3
F (x, y, z) = ( x + 2 y – z, y + 2 z, x + 3 y + z)
a. determine o núcleo de F, a dimensão do núcleo e uma de suas
bases
a.1) Determinação do núcleo de F
Núcleo: N(f) = {(x, y, z) ∈ℝ3 / f (x, y, z) = (0, 0, 0)}
Logo, ( x + 2 y – z, y + 2 z, x + 3 y + z) = (0, 0, 0)

{
𝑥 + 2𝑦 − 𝑧 = 0
𝑦 + 2 𝑧 = 0
𝑥 + 3 𝑦 + 𝑧 = 0
y = - 2 z
x = z – 2y
x = z – 2 (- 2 z)
x = z + 4 z ∴ x = 5 z ∴ logo, (5 z, - 2 z, z)
N(f)= {z (5, - 2, 1)/ z ∈ℝ}  N(f)= {(5, - 2, 1)}
a.2) Determinação da dimensão do núcleo
Como a única variável livre é o z, portanto temos 1 variável livre,
assim dim N(f) = 1
a.3) Determinação de uma de suas bases
Se z = 1 temos a seguinte base:
Base de N(f) = {(5, - 2, 1)}
b. determine a imagem de F, a dimensão da imagem e uma de
suas bases
Determinando a imagem:
F(x, y, z) = (x + 2 y – z, y + 2 z, x + 3 y + z)
F(x, y, z) = x (1, 0, 1) + y (2, 1, 3) + z (- 1, 2, 1)
[
1 0 1
2 1 3
−1 2 1
] {
𝐿2: 𝐿2 − 2𝐿1
𝐿3: 𝐿3 + 𝐿1
 [
1 0 1
0 1 1
0 2 2
] { 𝐿3: 𝐿3 − 2𝐿2  [
1 0 1
0 1 1
0 0 0
]

Base para a Im (F) = {(1, 0, 1), (0, 1, 1)} e dim Im (F)= 2
 Verificando o teorema do Núcleo e da Imagem:
dim F = dim Im(F) + dim N(F)
dim F = 2 + 1
dim F = 3
Outra forma de resolução:
Im(f) = {(a, b, c) ∈ ℝ3 / f (x, y, z) = (a, b, c)}, isto é:
(a, b, c) ∈ Im (f) se existe (x, y, z) ∈ ℝ3 tal que
(x + 2 y – z, y + 2 z, x + 3 y + z) = (a, b, c)
{
𝑥 + 2 𝑦 − 𝑧 = 𝑎
𝑦 + 2 𝑧 = 𝑏
𝑥 + 3𝑦 + 𝑧 = 𝑐
y = - 2 z + b
x = z – 2y + a
x = z – 2 (- 2 z + b) + a
x = z + 4 z – 2 b + a
x = 5 z – 2 b + a
Logo: x + 3 y + z = c
5 z – 2 b + a + 3 (- 2 z + b) + z = c
5 z – 2 b + a - 6 z + 3 b + z = c
a + b – c = 0

Logo, a Im(f) = {(a, b, c) ∈ℝ3 / a + b – c = 0 }
b.2) Determine a dimensão da imagem
Como são duas variáveis livres, pois c = a + b
dim Im(f) = 2
b.3) Determine uma de suas bases
 Se a = 1 e b = 3 logo, c = 4
 Se a = 0 e b = 1 logo, c = 1
Base Im(f) = {(1, 3, 4), (0, 1, 1)}
c) Verificando a propriedade da dimensão:
dim (F) = dim N(F) + dim Im(F)
dim (F) = 1 + 2
dim (F) = 3
3. Seja F: R4 ⟶ ℝ3 a transformação linear definida por
F(x, y, s, t) = ( x – y + s + t, x + 2 s – t, x + y + 3 s – 3 t), encontre
uma base e a dimensão:
a) Imagem (F)
b)Núcleo (F)
a) Encontrando uma base para a imagem:
Conjunto imagem:

F (x, y, s, t) = x (1, 1, 1) + y (-1, 0, 1) + s (1, 2, 3) + t (1, - 1, - 3)
Escalonando o conjunto imagem temos:
[
1 1 1
−1 0 1
1 2 3
1 −1 −3
] {
𝐿2: 𝐿2 + 𝐿1
𝐿3: 𝐿3 − 𝐿1
𝐿4: 𝐿4 − 𝐿1
 [
1 1 1
0 1 2
0 1 2
0 −2 −4
] {
𝐿3: 𝐿3 − 𝐿2
𝐿4: 𝐿4 + 2𝐿2
[
1 1 1
0 1 2
0 0 0
0 0 0
]
Portanto, temos apenas 2 vetores LI que constituirão a base
Base para Im (F) = { (1, 1, 1), (0, 1, 2)} e a dim Im(F)= 2
b)Encontrando uma base para o núcleo:
{
𝑥 − 𝑦 + 𝑠 + 𝑡 = 0
𝑥 + 2 𝑠 − 𝑡 = 0
𝑥 + 𝑦 + 3 𝑠 − 3 𝑡 = 0
 {
𝑥 − 𝑦 + 𝑠 + 𝑡 = 0
𝑦 + 𝑠 − 2𝑡 = 0
2𝑦 + 2 𝑠 − 4 𝑡 = 0
{
𝑥 − 𝑦 + 𝑠 + 𝑡 = 0
𝑦 + 𝑠 − 2 𝑡 = 0
 {
𝑥 = 𝑦 − 𝑠 − 𝑡 (1)
𝑦 = −𝑠 + 2 𝑡 (2)
(2) em (1): 𝑥 = (−𝑠 + 2 𝑡) − 𝑠 − 𝑡
𝑥 = −𝑠 + 2 𝑡 − 𝑠 − 𝑡
𝑥 = −2𝑠 + 𝑡
Logo, as variáveis livres são s e t, portanto dim W = 2
Para obter uma base:

 Faça s = -1 e t = 0  (2, 1, -1, 0)
 Faça s = 0 e t = 1  ( 1, 2, 0, 1)
Logo, Base N(F) = {(2, 1, - 1, 0), ( 1, 2, 0, 1)}
A dimensão do núcleo de T é chamada de nulidade de T e a
dimensão da imagem de T é chamada posto de T.
posto (F) = dim Im(F)
nulidade (F) = dim N (F)
posto (F) + nulidade (F) = dim V
Referências Bibliográficas
BOLDRINI, J. L. et al. Álgebra linear. São Paulo: Harper & Row, 1980.
BORGES, A. J. Notas de aula. Curitiba. Set. 2010. Universidade Tecnológica Federal do Paraná –
UTFPR.
CALLIOLI, C. A. et al. Álgebra linear e aplicações. São Paulo: Atual, 1990.
ANTON, H.; BUSBY, R. C. Álgebra linear contemporânea. São Paulo: Bookman, 2008.
KOLMAN, B.; HILL, R. Introdução à álgebra linear com aplicações. 6ª ed. Rio de Janeiro:
Prentice-Hall, 1998.
LIPSCHUTZ, S. Álgebra linear. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1972.
NUNES, Luiz Fernando. Notas de aula: Matemática 1. Professor do Departamento de Matemática da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR.
STEINBRUCH, A. e WINTERLE, P. Álgebra linear. São Paulo: Pearson-Makron Books, 2010.
VENTURI, J. J. Álgebra Vetorial e Geometria Analítica. 9 ed. Curitiba. 1949.

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