En álgebra lineal, el teorema de rango-nulidad establece que, para cualquier aplicación lineal [latex]T: V \to W[/latex] entre espacios vectoriales de dimensión finita, la dimensión de su dominio [latex]V[/latex] es la suma de su rango (la dimensión de su imagen) y su nulidad (la dimensión de su núcleo). La fórmula es [latex]\dim(V) = \text{rango}(T) + \text{nulidad}(T)[/latex].
El teorema de rango-nulidad proporciona una relación fundamental entre las dimensiones de los subespacios clave asociados a una transformación lineal. Sea [latex]T: V to W[/latex] una aplicación lineal. El núcleo de T, denotado [latex]ker(T)[/latex], es el conjunto de vectores en [latex]V[/latex] que se mapean al vector cero en [latex]W[/latex]. La dimensión del núcleo se denomina nulidad de T. La imagen de T, denotada [latex]text{im}(T)[/latex], es el conjunto de todos los vectores en [latex]W[/latex] que son la salida de T para algún vector de entrada de [latex]V[/latex]. La dimensión de la imagen es el rango de T.
El teorema establece que [latex]dim(text{dominio}(T)) = dim(ker(T)) + dim(text{im}(T))[/latex]. Una estrategia de demostración común implica la construcción de una base. Primero, se encuentra una base para el núcleo, digamos [latex]{u_1, dots, u_k}[/latex], donde [latex]k = text{nulidad}(T)[/latex]. Dado que el núcleo es un subespacio de [latex]V[/latex], esta base se puede extender a una base para todo [latex]V[/latex]: [latex]{u_1, dots, u_k, v_1, dots, v_r}[/latex]. La dimensión de [latex]V[/latex] es, por lo tanto, [latex]k+r[/latex]. El paso final es demostrar que el conjunto [latex]{T(v_1), dots, T(v_r)}[/latex] forma una base para la imagen de T. Esto prueba que el rango es [latex]r[/latex], y por lo tanto [latex]dim(V) = k+r = text{nulidad}(T) + text{rango}(T)[/latex].
Para matrices, si [latex]A[/latex] es una matriz [latex]m times n[/latex], representa una aplicación lineal de [latex]mathbb{R}^n[/latex] a [latex]mathbb{R}^m[/latex]. La dimensión del dominio es [latex]n[/latex]. El rango de [latex]A[/latex] es la dimensión de su espacio columna, y su nulidad es la dimensión de su espacio nulo. El teorema se convierte en [latex]n = text{rango}(A) + text{nulidad}(A)[/latex].
El teorema es un componente fundamental de lo que a veces se denomina el teorema fundamental del álgebra lineal, que proporciona una descripción completa de la estructura de los cuatro subespacios fundamentales asociados a una matriz [latex]m times n[/latex] [latex]A[/latex]: el espacio columna, el espacio nulo, el espacio fila y el espacio nulo izquierdo. Ilustra de forma elegante la relación inversa: a medida que el conjunto de soluciones de [latex]Ax=0[/latex] (el espacio nulo) aumenta, el conjunto de posibles resultados [latex]Ax[/latex] (el espacio columna) debe disminuir, de modo que sus dimensiones sumen la dimensión total del espacio de entrada.
Relacionado con: teorema de rango-nulidad, álgebra lineal, espacio vectorial, dimensión, núcleo, nulidad, imagen, rango, transformación lineal, teoría de matrices.