Problemas de competencia matemática: considere el campo lineal de las matrices cuadradas de 2 × 2 con números reales. ¿Cuál es la base dual de la base canónica?

Si [math] V [/ math] es un espacio vectorial sobre un campo [math] F [/ math], entonces su [math] V ^ * [/ math] dual es el espacio vectorial que consiste en funciones lineales (es decir, lineal transformaciones) [matemáticas] V \ a F [/ matemáticas]. El segundo dual [matemático] V ^ {**} [/ matemático] es el espacio vectorial que consiste en funcionales lineales [matemático] V ^ * \ a F [/ matemático].

Hay una transformación lineal canónica [matemática] V \ a V ^ {**} [/ matemática] cuyo valor en [matemática] v \ en V [/ matemática], que podemos denotar [matemática] v ^ {**} [/ math], es el elemento en [math] V ^ {**} [/ math], es decir, el lineal funcional [math] V ^ * \ to V [/ math], cuyo valor en [math] T \ en V ^ * [/ math] es [math] T (v) [/ math].

Cuando el espacio vectorial [matemática] V [/ matemática] es de dimensión finita, esa transformación lineal canónica es un isomorfismo.

Si [math] V = M_ {2 \ times 2} (F) [/ math] es el espacio vectorial de 2 por 2 matrices con entradas en el campo [math] F [/ math], entonces [math] M_ {2 \ times 2} (F) ^ {**} [/ math] es su segundo dual, y el isomorfismo canónico mencionado anteriormente es el isomorfismo de eso con [math] V = M_ {2 \ times 2} (F) [/ matemáticas].

Si tiene una base [matemática] \ {b_1, \ ldots b_n \} [/ matemática] de un espacio vectorial dimensional finito [matemática] V [/ matemática], entonces [matemática] \ {b_1 ^ *, \ ldots b_n ^ * \} [/ math] es una base de [math] V ^ * [/ math], llamada base dual, y [math] \ {b_1 ^ {**}, \ ldots b_n ^ {**} \} [/ math] es una base de [math] V ^ {**} [/ math].

(No estoy seguro de que esta respuesta a la pregunta responda a lo que realmente quisiste preguntar).

Estoy un poco confundido, el espacio de todas las matrices $ 2 \ times 2 $ no es un campo (para una, no todas las matrices son invertibles; y si considera las invertibles, estas no contienen la matriz 0). Quizás te refieres a un espacio lineal o espacio vectorial. Suponiendo que te refieres al espacio vectorial.

No estoy seguro de lo que considera la base canónica para $ M_ {2 \ times2} $, pero digamos que tiene una base que consiste en matrices {$ M_1, M_2, M_3, M_4 $}, donde $ M_i $ tiene un 1 en una entrada y de lo contrario es cero, es decir, $ M_1 $ tiene un 1 en $ m_ {11} $ y 0 en otro lugar, etc.

Entonces, la base dual para esto es una colección de mapas lineales {$ M_1 ^ {*}, .., M_4 ^ {*} $} para que $ M_i ^ {*} (M_j) = \ delta_i ^ j $, es decir, $ M_i ^ * $ se evalúa a 1 en $ M_i $ y es $ 0 $ en otro lugar. Avíseme si esto no estaba claro.

La base canónica de 2 × 2 matrices cuadradas debería ser algo como {[1 0 0 0], [0 1 0 0], [0 0 1 0], [0 0 0 1]} (se supone que cada una de ellas representa una matriz de 2 × 2 en lugar de un vector de 1 × 4; no estoy seguro de cómo representarlo mejor en ascii). La base dual es isomorfa a la base canónica porque estamos trabajando en un espacio finito de Hilbert, por lo tanto, puede usar exactamente la misma representación de base en el espacio dual. El isomorfismo entre los dos espacios es simplemente la matriz de identidad 2 × 2.