Definición. Un espacio vectorial V, sobre un campo K cuyos elementos se denominan escalares, es un conjunto no vacío de objetos llamados vectores en el cual se definen dos operaciones binarias llamadas suma de vectores y multiplicación por escalar, las cuales satisfacen los siguientes axiomas:
1.
∀v1,v2∈V:v1⊕v2∈V
(Cerradura bajo la suma).
2.
∀v1,v2∈V:v1⊕v2=v2⊕v1
(Ley conmutativa de la suma de vectores).
3.
∀v1,v2,v3∈V:v1⊕(v2⊕v3)=(v1⊕v2)⊕v3
(Ley asociativa de suma de vectores).
4.
∃n∈V∀v∈V:v⊕n=v
(El vector n se llama neutro aditivo, vector cero o cero vector).
5.
∀v∈V∃v′∈V:v⊕v′=n
(El vector v′ se llama inverso aditivo de v).
6.
∀v∈V∀α∈K:α⊙v∈V
(Cerradura bajo la multiplicación por un escalar).
∀v∈V∀α,β∈K:(αβ)⊙v=α⊙(β⊙v)
(Ley asociativa de la multiplicación por escalares).
10.
∀v∈V1∈K:1⊙v=v
(1 es el idéntico multiplicativo)
La nomenclatura que se generalmente se sigue es:
⊕ Cuando se trata de suma de vectores. + Cuando se trata de suma de escalares. ⊙ Cuando se trata del producto de un vector por un escalar. ⋅ Cuando se trata del producto de escalares.
Para probar si un conjunto de vectores conforma o no un espacio vectorial, se debe verificar que satisfaga los 10 axiomas dados, en caso de que por lo menos uno de ellos no se cumpla, entonces ese conjunto de vectores no conforma un espacio vectorial.
La manera de cómo efectuar la suma de vectores y el producto de un vector por un escalar no necesariamente es la suma de vectores y el producto de un vector por un escalar convencionales, sino que queda definida por el planteamiento del problema.
Ejemplo. Determine si el conjunto V={v/v>0,v∈R} constituye un espacio vectorial, con las siguientes operaciones:
v1⊕v2α⊙v==v1v2,vα,v1,v2∈Vv∈V∧α∈R
Solución. A continuación se verifica el cumplimiento de los 10 axiomas:
1.∀v1,v2∈V:v1⊕v2∈V
Sea v3=v1⊕v2, por definición v1⊕v2=v1v2; para que este axioma se cumpla v3 debe pertenecer a V, es decir, v3 debe ser un número mayor que 0. Considerando que v1>0 y v2>0 debido a que v1 y v2 pertenecen a V se tiene que v3=v1⊕v2=v1v2 entonces v3=v1v2∧v1v2>0⇒v3>0⇒v3∈V. Por consiguiente el axioma si se cumple.
2.∀v1,v2∈V:v1⊕v2=v2⊕v1
Sean v3=v1⊕v2 y v4=v2⊕v1. Se debe verificar que v3=v4.v3=v1⊕v2=v1v2v4=v2⊕v1=v2v1 Como v1 y v2 son números reales entonces v1v2=v2v1 por tanto v3=v4. Por consiguiente el axioma si se cumple.
3.∀v1,v2,v3∈V:v1⊕(v2⊕v3)=(v1⊕v2)⊕v3
v1⊕(v2⊕v3)=v1⊕(v2v3)=v1v2v3(v1⊕v2)⊕v3=(v1v2)⊕v3=v1v2v3Por consiguiente el axioma si se cumple.
4.∃n∈V∀v∈V:v⊕n=v
Este axioma describe que existe un vector n (neutro aditivo) que pertenece a V, tal que v⊕n=v. El vector n es único en un espacio vectorial; en caso de que existan 2 o más vectores neutros, el conjunto no es un espacio vectorial. n⊕vnvnn====vvvv1 El vector neutro n es único y para el ejemplo, el neutro es el número 1; es importante señalar que el neutro aditivo no implica que el vector n se relacione únicamente con el número cero (0). Por consiguiente el axioma si se cumple.
5.∀v∈V∃v′∈V:v⊕v′=n
v⊕v′vv′v′v′====nnvnv1 Siendo v>0⇒v′=v1 siempre será mayor que cero. Por consiguiente el axioma si se cumple.
6.∀v∈V∀α∈R:α⊙v∈V
Por definición α⊙v=vα; como v>0, entonces vα>0. Por consiguiente el axioma si se cumple.
7.∀v1,v2∈V∀α∈R:α⊙(v1⊕v2)=(α⊙v1)⊕(α⊙v2)
α⊙(v1⊕v2)α⊙(v1v2)(v1v2)αv1αv2α====(α⊙v1)⊕(α⊙v2)v1α⊕v2αv1αv2αv1αv2αPor consiguiente el axioma si se cumple.
8.∀v∈V∀α,β∈R:(α+β)⊙v=(α⊙v)⊕(β⊙v)
(α+β)⊙vv(α+β)v(α+β)v(α+β)====(α⊙v)⊕(β⊙v)vα⊕vβvαvβv(α+β)Por consiguiente el axioma si se cumple.
9.∀v∈V∀α,β∈R:(αβ)⊙v=α⊙(β⊙v)
(αβ)⊙vvαβvαβvαβ====α⊙(β⊙v)α⊙(vβ)(vβ)αvαβPor consiguiente el axioma si se cumple.
10.∀v∈V1∈R:1⊙v=v
1⊙vv==vvPor consiguiente el axioma si se cumple.
En conclusión, al cumplir con los 10 axiomas entonces el conjunto V, con las operaciones definidas de suma entre vectores (⊕) y multiplicación por escalar (⊙α), representa un espacio vectorial.
Es posible que el mismo conjunto V, con otras definiciones para ⊕ y ⊙α no constituya un espacio vectorial; así como, es posible que las mismas definiciones de ⊕ y ⊙α pero con un conjunto diferente tampoco constituya un espacio vectorial.