Bases
Um dos resultados mais interessantes da Álgebra Linear (pelo menos na minha opinião) é que:
Podemos demonstrar essa propriedade:
E isso significa que chegar ao vetor \(\begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix}\) equivale a "andar" na direção de \(\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix}\) por uma distância \(x_1\), e depois \(\begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix}\) por uma disância \(x_2\).
Só que poderíamos escolher "andar" em outras direções - e com passos que têm comprimentos diferentes "a priori". Por exemplo, poderíamos escolher:
E isso significa que temos duas maneiras diferentes de encontrar o vetor \(\begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix}\).
Ok, até aqui são coisas que deveríamos ter feito anteriormente no curso. Mas, agora vamos interpretar essas equações de uma maneira diferente.
Vetores-base
Quando dizemos que:
estamos dizendo que \(\begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix}\) está definido pelos vetores-base \(\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix}\) e \(\begin{bmatrix} 0 \\ 1 \end{bmatrix}\).
Um vetor. Muitas bases.
Quando dizemos que:
estamos dizendo que o vetor \(\begin{bmatrix} s_1 \\ s_2 \end{bmatrix}\) está definido pelos vetores-base \(\begin{bmatrix} 2 \\ 3 \end{bmatrix}\) e \(\begin{bmatrix} 4 \\ 5 \end{bmatrix}\).
Visualizando a mudança de base
A animação abaixo mostra a transformação contínua da base canônica para a base escolhida. O vetor V permanece fixo no plano, enquanto a malha e os vetores da base se deformam. O controle deslizante também permite observar como mudam as coordenadas de V.
Matrizes de base
Partindo de:
Ao realizar a operação do lado direito da equação, chegamos a:
Veja que agora temos um sistema:
e podemos escrevê-lo na forma matricial:
Veja como os vetores-base de \(\begin{bmatrix} s_1 \\ s_2 \end{bmatrix}\) se transformam nas colunas da matriz de coeficientes! Por isso, essa matriz é chamada de matriz de bases ou matriz de base \(B\), e temos a forma compacta:
Mudança de base
Agora podemos fazer imediatamente o seguinte exercício:
Como escrever o vetor \(\begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix}\) na base \(\begin{bmatrix} 2 & 4 \\ 3 & 5 \end{bmatrix}\)?
Para este exercício, vamos usar imediatamente a equação:
Escrever o vetor em outra base significa encontrar esses coeficientes que multiplicam os vetores da base nova de forma a conseguirmos reconstruir nosso vetor, isto é:
Reescreva o vetor \(\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \end{bmatrix}\) na base \(\begin{bmatrix} \cos(\pi/4) & -\sin(\pi/4) \\ \sin(\pi/4) & \cos(\pi/4) \end{bmatrix}\).
Vamos refletir sobre esse exercício.
O que fizemos foi encontrar uma maneira de expressar \(x\) como a soma ponderada (ou: a combinação linear) de dois vetores-base \(b_1\) e \(b_2\). Em outras palavras:
Geometricamente, o exercício se refere a esta situação:
Então, o que significa a resposta \(\begin{bmatrix} \sqrt{2} \\ 0 \end{bmatrix}\)? Bem, se traçarmos um plano cartesiano em que o nosso eixo horizontal representa "apontar na direção de \(b_1\)" e o eixo vertical representa "apontar na direção de \(b_2\)", então podemos representar \(x\) como:
Um caso mais prático
(para este exercício, se precisar, use apoio computacional para fazer as contas!)
Numa loja, vendem-se pacotes do tipo P1 e do tipo P2. O pacote P1 tem 3 brigadeiros e 2 coxinhas. O pacote P2 tem 3 coxinhas e 1 brigadeiro. Gostaríamos de comprar 9 brigadeiros e 13 coxinhas.
- Escreva um sistema linear que mostra o número de brigadeiros e coxinhas em uma compra de uma quantidade conhecida de pacotes P1 e P2.
- Quantos pacotes do tipo P1 e do tipo P2 deveríamos comprar para termos 9 brigadeiros e 13 coxinhas?
- No plano cartesiano (brigadeiros x coxinhas), que vetor representa nossa compra?
- No plano cartesiano (P1 x P2), que vetor representa nossa compra?
- Qual é a matriz que permite converter uma compra escrita como "brigadeiros e coxinhas" para uma compra escrita como "P1 e P2"? E qual é a matriz que faz a operação inversa?
Bases e domínios
Quando escrevemos um vetor em uma base estamos definindo quais são os eixos do plano cartesiano que o definem!
Um exercício guiado
Considere o vetor \(x = \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \end{bmatrix}\).
Gostaríamos de escrever \(x\) na base definida pelos vetores \(v_1\) e \(v_2\), que são multiplicados respectivamente por \(y_1\) e \(y_2\).
- Escreva uma equação que representa imediatamente a situação acima.
- Passe a equação para a forma matricial.
- Evidencie como encontrar os coeficientes \(y_1\) e \(y_2\).
Extrapolando para n dimensões
Considere o vetor \(x \in \mathbb{R}^n\).
Gostaríamos de escrever \(x\) na base definida pelos vetores \(v_1, v_2, \cdots, v_n\). Cada um dos vetores \(v_i\) é multiplicado por um coeficiente correspondente \(y_i \in \mathbb{R}\).
- Escreva uma equação que representa imediatamente a situação acima.
- Passe a equação para a forma matricial
- Evidencie como encontrar os coeficientes \(y_i\)
E quando isso falha?
Usando o fluxo de pensamento que definimos no exercício anterior, verifique o que acontece quando tentamos escrever um vetor de \(3\) dimensões usando somente dois vetores de base.
- Qual operação do nosso processo atual fica impossível?
- Usando o que já sabemos sobre álgebra linear, apresente diferentes interpretações para essa situação.