Diese Seite beinhaltet die Vektorräume, die in dem Kurs verwendet werden.
Sei
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
ein Körper und
V
=
(
V
,
+
)
{\displaystyle V=(V,+)}
eine kommutative Gruppe. Man nennt
V
{\displaystyle V}
einen
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Vektorraum, wenn eine Abbildung
⋅
:
K
×
V
→
V
{\displaystyle \cdot :\mathbb {K} \times V\rightarrow V}
mit
(
λ
,
v
)
↦
λ
⋅
v
{\displaystyle (\lambda ,v)\mapsto \lambda \cdot v}
,
definiert ist, die die folgenden Axiome erfüllt
λ
,
μ
∈
K
{\displaystyle \lambda ,\mu \in \mathbb {K} }
und
v
,
w
∈
V
{\displaystyle v,w\in V}
beliebig .
(ES)
1
⋅
v
=
v
{\displaystyle 1\cdot v=v}
(Einselement skalare Multiplikation)
(AMS)
λ
⋅
(
μ
⋅
v
)
=
(
λ
⋅
μ
)
⋅
v
.
{\displaystyle \lambda \cdot (\mu \cdot v)=(\lambda \cdot \mu )\cdot v.}
(assoziative Multiplikation mit Skalaren)
(DV)
λ
⋅
(
v
+
w
)
=
λ
⋅
v
+
λ
⋅
w
.
{\displaystyle \lambda \cdot (v+w)=\lambda \cdot v+\lambda \cdot w.}
(Vektoren distributiv)
(DS)
(
λ
+
μ
)
⋅
v
=
λ
⋅
v
+
μ
⋅
v
.
{\displaystyle (\lambda +\mu )\cdot v=\lambda \cdot v+\mu \cdot v.}
(Skalare distributiv)
(Unterscheidung von Verknüpfungen -
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Algebra) Durch welche Eigenschaften unterscheiden sich ein
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Vektorraum und eine
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Algebra? Unterscheiden Sie drei Multiplikationszeichen in einer
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Algebra und identifizieren Sie in den definierenden Eigenschaften des
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Vektorraums bzw. der
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Algebra, welche Multiplikation gemeint ist.
Multiplikation im Körper
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
,
Multiplikation mit Skalaren als äußere Verknüpfung,
Multiplikation von Elementen aus dem Vektorraum als innere Verknüpfung in einer
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Algebra,
(Unterscheidung von Verknüpfungen - Hilbert-Raum) Sei
K
:=
R
{\displaystyle \mathbb {K} :=\mathbb {R} }
oder
K
:=
C
{\displaystyle \mathbb {K} :=\mathbb {C} }
. Durch welche Eigenschaften unterscheiden sich ein
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Vektorraum und ein Hilbertraum über dem Körper
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
? Unterscheiden Sie drei Verküpfungen in einem
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Hilbertraum und vergleichen dabei auch die definierenden Eigenschaften einer Multiplikation als innere Verknüpfung in einer
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Algebra mit den Eigenschaften eines Skalarproduktes in einem Hilbert-Raum über dem Körper
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
. Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede stellen Sie fest?
Endlichdimensionale Vektorräume von Matrizen 2
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Seien
m
,
n
∈
N
{\displaystyle m,n\in \mathbb {N} }
, dann ist
M
a
t
(
m
×
n
,
Q
)
{\displaystyle Mat(m\times n,\mathbb {Q} )}
(
m
×
n
{\displaystyle m\times n}
-Matrizen mit Komponenten in
Q
{\displaystyle \mathbb {Q} }
) ein endlichdimensionaler
Q
{\displaystyle \mathbb {Q} }
-Vektorraum der Dimension
m
⋅
n
{\displaystyle m\cdot n}
,
M
a
t
(
m
×
n
,
R
)
{\displaystyle Mat(m\times n,\mathbb {R} )}
(
m
×
n
{\displaystyle m\times n}
-Matrizen mit Komponenten in
R
{\displaystyle \mathbb {R} }
) ein endlichdimensionaler
R
{\displaystyle \mathbb {R} }
-Vektorraum der Dimension
m
⋅
n
{\displaystyle m\cdot n}
,
M
a
t
(
m
×
n
,
C
)
{\displaystyle Mat(m\times n,\mathbb {C} )}
(
m
×
n
{\displaystyle m\times n}
-Matrizen mit Komponenten in
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
) ein endlichdimensionaler
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
-Vektorraum der Dimension
m
⋅
n
{\displaystyle m\cdot n}
,
Unendlichdimensionale Vektorräume von Funktionen 1
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Sei
C
(
[
a
,
b
]
,
K
)
{\displaystyle {\mathcal {C}}([a,b],\mathbb {K} )}
die Menge der stetigen (engl. continuous) Funktionen von dem Intervall
[
a
.
b
]
{\displaystyle [a.b]}
in den Körper
K
=
Q
,
R
,
C
{\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {Q} ,\mathbb {R} ,\mathbb {C} }
als Wertebereich. Dann ist
C
(
[
a
,
b
]
,
Q
)
{\displaystyle {\mathcal {C}}([a,b],\mathbb {Q} )}
eine unendlichdimensionaler
Q
{\displaystyle \mathbb {Q} }
-Vektorraum,
C
(
[
a
,
b
]
,
R
)
{\displaystyle {\mathcal {C}}([a,b],\mathbb {R} )}
eine unendlichdimensionaler
R
{\displaystyle \mathbb {R} }
-Vektorraum,
C
(
[
a
,
b
]
,
C
)
{\displaystyle {\mathcal {C}}([a,b],\mathbb {C} )}
eine unendlichdimensionaler
C
{\displaystyle \mathbb {C} }
-Vektorraum.
Innere und äußere Verknüpfung auf Vektorräumen von Funktionen 2
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Mit
V
=
C
(
[
a
,
b
]
,
K
)
{\displaystyle V={\mathcal {C}}([a,b],\mathbb {K} )}
und
K
=
Q
,
R
,
C
{\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {Q} ,\mathbb {R} ,\mathbb {C} }
ist die innere Verknüpfung wie folgt definiert:
+
:
V
×
V
→
V
{\displaystyle +:V\times V\to V}
mit
(
f
,
g
)
↦
f
+
g
:=
h
{\displaystyle (f,g)\mapsto f+g:=h}
und
h
(
x
)
:=
f
(
x
)
+
g
(
x
)
{\displaystyle h(x):=f(x)+g(x)}
für alle
x
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle x\in [a,b]}
.
Die äußere Verknüfung ist ebenfalls durch die Multiplikation der Funktionswerte mit dem Skalar argumentweise für jedes
x
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle x\in [a,b]}
definert:
⋅
:
K
×
V
→
V
{\displaystyle \cdot :\mathbb {K} \times V\to V}
mit
(
λ
,
f
)
↦
λ
⋅
f
:=
h
{\displaystyle (\lambda ,f)\mapsto \lambda \cdot f:=h}
und
h
(
x
)
:=
λ
⋅
f
(
x
)
{\displaystyle h(x):=\lambda \cdot f(x)}
für alle
x
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle x\in [a,b]}
.
Die Kompaktheit des Definitionsbereiches
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
macht den Raum
C
(
[
a
,
b
]
,
R
)
{\displaystyle {\mathcal {C}}([a,b],\mathbb {R} )}
der stetigen Funktionen von
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
nach
R
{\displaystyle \mathbb {R} }
mit der Norm
‖
f
‖
:=
∫
a
b
|
f
(
x
)
|
d
x
{\displaystyle \|f\|:=\displaystyle \int _{a}^{b}|f(x)|\,dx}
zu einem normierten Vektorraum (siehe auch Normen, Metriken, Topologie ). Mit den Halbnormen
‖
f
‖
n
:=
∫
−
n
+
n
|
f
(
x
)
|
d
x
{\displaystyle \|f\|_{n}:=\displaystyle \int _{-n}^{+n}|f(x)|\,dx}
wird
(
C
(
R
,
R
)
,
‖
⋅
‖
N
{\displaystyle ({\mathcal {C}}(\mathbb {R} ,\mathbb {R} ),\|\cdot \|_{\mathbb {N} }}
zu einem lokalkonvexen topologischen Vektorraum.
Unendlichdimensionale Vektorräume von Folgen 3
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Sei
K
=
Q
,
R
,
C
{\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {Q} ,\mathbb {R} ,\mathbb {C} }
ein Körper, dann bezeichnet
K
N
:=
{
(
a
n
)
n
∈
N
|
a
n
∈
K
für alle
n
∈
N
}
{\displaystyle \mathbb {K} ^{\mathbb {N} }:=\{(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }\,|\,a_{n}\in \mathbb {K} \,{\mbox{ für alle }}n\in \mathbb {N} \}}
die Menge der Folgen mit Folgengliedern in
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
.
c
o
o
(
K
)
:=
{
(
a
n
)
n
∈
N
∈
K
N
|
∃
n
0
∈
N
∀
n
≥
n
0
:
a
n
=
0
}
{\displaystyle c_{oo}(\mathbb {K} ):=\{(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }\in \mathbb {K} ^{\mathbb {N} }\,|\,\exists _{n_{0}\in \mathbb {N} }\forall _{n\geq n_{0}}\,:\,a_{n}=0\}}
, die Menge der Folgen in
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
, die ab einer Indexschranke alle Komponenten der Folge 0 sind.
c
o
(
K
)
:=
{
(
a
n
)
n
∈
N
∈
K
N
|
lim
n
→
∞
a
n
=
0
}
{\displaystyle c_{o}(\mathbb {K} ):=\{(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }\in \mathbb {K} ^{\mathbb {N} }\,|\,\lim _{n\to \infty }a_{n}=0\}}
, die Menge der Nullfolgen
c
(
K
)
:=
{
(
a
n
)
n
∈
N
∈
K
N
|
∃
a
0
∈
K
:
lim
n
→
∞
a
n
=
a
0
}
{\displaystyle c(\mathbb {K} ):=\{(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }\in \mathbb {K} ^{\mathbb {N} }\,|\,\exists _{a_{0}\in \mathbb {K} }\,:\,\lim _{n\to \infty }a_{n}=a_{0}\}}
, die Menge der konvergenten Folgen in
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
.
Unendlichdimensionale Vektorräume von Folgen 4
Bearbeiten
Sei
K
=
Q
,
R
,
C
{\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {Q} ,\mathbb {R} ,\mathbb {C} }
ein Körper, dann bezeichnet
ℓ
1
(
K
)
:=
{
(
a
n
)
n
∈
N
∈
K
N
|
∑
n
=
1
∞
|
a
n
|
<
∞
}
{\displaystyle \ell _{1}(\mathbb {K} ):=\{(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }\in \mathbb {K} ^{\mathbb {N} }\,|\,\sum _{n=1}^{\infty }|a_{n}|<\infty \}}
, die Menge der Folgen in
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
, die absolute konvergent sind.
ℓ
1
(
K
)
{\displaystyle \ell _{1}(\mathbb {K} )}
ist ein normierter Norm mit
‖
a
‖
:=
∑
n
=
1
∞
|
a
n
|
{\displaystyle \|a\|:=\sum _{n=1}^{\infty }|a_{n}|}
).
ℓ
p
(
K
)
:=
{
(
a
n
)
n
∈
N
∈
K
N
|
∑
n
=
1
∞
|
a
n
|
p
<
∞
}
{\displaystyle \ell _{p}(\mathbb {K} ):=\{(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }\in \mathbb {K} ^{\mathbb {N} }\,|\,\sum _{n=1}^{\infty }|a_{n}|^{p}<\infty \}}
, die Menge der Folgen in
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
, die absolut-p-summierbar sind. Für
1
≤
p
<
∞
{\displaystyle 1\leq p<\infty }
ist, der Raum normierbar. Für
0
<
p
<
1
{\displaystyle 0<p<1}
ist der Raum noch metrisierbar mit
d
p
(
(
a
n
)
n
,
(
b
n
)
n
)
:=
∑
n
=
1
∞
|
a
n
−
b
n
|
p
{\displaystyle d_{p}((a_{n})_{n},(b_{n})_{n}):=\sum _{n=1}^{\infty }|a_{n}-b_{n}|^{p}}
,
ℓ
∞
(
K
)
:=
{
(
a
n
)
n
∈
N
∈
K
N
|
∃
C
>
0
:
sup
n
∈
N
|
a
n
|
<
C
}
{\displaystyle \ell _{\infty }(\mathbb {K} ):=\{(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }\in \mathbb {K} ^{\mathbb {N} }\,|\,\exists _{C>0}\,:\,\sup _{n\in \mathbb {N} }|a_{n}|<C\}}
, die Menge der beschränkten Folgen in
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
als normierbarer Raum.
Unendlichdimensionale Vektorräume von Folgen 5
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Sei
K
=
Q
,
R
,
C
{\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {Q} ,\mathbb {R} ,\mathbb {C} }
ein Körper und
(
p
n
)
n
∈
N
{\displaystyle (p_{n})_{n\in \mathbb {N} }}
eine monoton fallende Nullfolge mit
0
<
p
n
≤
1
{\displaystyle 0<p_{n}\leq 1}
für alle
n
∈
N
{\displaystyle n\in \mathbb {N} }
, dann bezeichnet
ℓ
(
K
,
(
p
n
)
n
∈
N
)
:=
{
(
a
k
)
k
∈
N
∈
K
N
|
∑
k
=
1
∞
|
a
k
|
p
k
<
∞
}
{\displaystyle \ell (\mathbb {K} ,(p_{n})_{n\in \mathbb {N} }):=\{(a_{k})_{k\in \mathbb {N} }\in \mathbb {K} ^{\mathbb {N} }\,|\,\sum _{k=1}^{\infty }|a_{k}|^{p_{k}}<\infty \}}
, die Menge der Folgen in
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
, für die Folge
(
|
a
k
|
p
k
)
k
∈
N
{\displaystyle \left(|a_{k}|^{p_{k}}\right)_{k\in \mathbb {N} }}
absolute konvergent sind.
Auf
ℓ
(
K
,
(
p
n
)
n
∈
N
)
{\displaystyle \ell (\mathbb {K} ,(p_{n})_{n\in \mathbb {N} })}
definiert man die folgenden
p
{\displaystyle p}
-Halbnormen
‖
a
‖
n
=
∑
k
=
1
∞
|
a
k
|
p
n
{\displaystyle \|a\|_{n}=\sum _{k=1}^{\infty }|a_{k}|^{p_{n}}}
für Folgen
a
=
(
a
k
)
k
∈
N
.
{\displaystyle a=(a_{k})_{k\in \mathbb {N} .}}
ℓ
(
K
,
(
p
n
)
n
∈
N
)
{\displaystyle \ell (\mathbb {K} ,(p_{n})_{n\in \mathbb {N} })}
ist ein pseudokonvexer Vektorraum mit dem
p
{\displaystyle p}
Halbnormensystem
‖
⋅
‖
N
{\displaystyle \|\cdot \|_{\mathbb {N} }}
Man beachte, dass für die
p
{\displaystyle p}
-Halbnorm mit dem Index
n
{\displaystyle n}
der Exponent für alle Folgenindizes
k
∈
N
{\displaystyle k\in \mathbb {N} }
fest ist.
Sei
K
=
Q
,
R
,
C
{\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {Q} ,\mathbb {R} ,\mathbb {C} }
ein Körper und
(
V
,
‖
⋅
‖
{\displaystyle (V,\|\cdot \|}
ein normierter
K
{\displaystyle \mathbb {K} }
-Vektorraum, dann bezeichnet
V
[
x
]
:=
{
p
|
(
p
n
)
n
∈
N
∈
c
o
o
(
V
)
∧
p
(
x
)
:=
∑
n
=
0
∞
p
n
⋅
x
n
}
{\displaystyle V[x]:=\left\{p\,\left|\,(p_{n})_{n\in \mathbb {N} }\in c_{oo}(V)\wedge p(x):=\sum _{n=0}^{\infty }p_{n}\cdot x^{n}\right.\right\}}
die Menge der Polynome mit Koeffizienten in
V
{\displaystyle V}
.
Für ein spezielles
x
∈
K
{\displaystyle x\in \mathbb {K} }
ist
p
(
x
)
∈
V
{\displaystyle p(x)\in V}
eine Linearkombination aus Vektoren von
V
{\displaystyle V}
, wobei die Koeffzienten der Multiplikation mit Skalaren Potenzen
x
n
∈
K
{\displaystyle x^{n}\in \mathbb {K} }
von einem Skalar
x
∈
K
{\displaystyle x\in \mathbb {K} }
sind.
Innere und äußere Verknüpfung auf Vektorräumen von Folgen 4
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Die innere und äußere Verknüpfungen auf den Folgenräumen sind jeweils komponentenweise definiert, analog zur Vektorraum Addition und Multiplikation mit Skalaren im
Q
n
{\displaystyle \mathbb {Q} ^{n}}
,
R
n
{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}
oder
C
n
{\displaystyle \mathbb {C} ^{n}}
.
Mit
V
=
K
N
{\displaystyle V=\mathbb {K} ^{\mathbb {N} }}
und
K
=
Q
,
R
,
C
)
{\displaystyle \mathbb {K} =\mathbb {Q} ,\mathbb {R} ,\mathbb {C} )}
ist die innere Verknüpfung mit
a
:=
(
a
n
)
n
∈
N
{\displaystyle a:=(a_{n})_{n\in \mathbb {N} }}
,
b
:=
(
b
n
)
n
∈
N
{\displaystyle b:=(b_{n})_{n\in \mathbb {N} }}
und
c
:=
(
c
n
)
n
∈
N
{\displaystyle c:=(c_{n})_{n\in \mathbb {N} }}
wie folgt definiert:
+
:
V
×
V
→
V
{\displaystyle +:V\times V\to V}
mit
(
a
,
b
)
↦
a
+
b
:=
c
{\displaystyle (a,b)\mapsto a+b:=c}
und
c
n
:=
a
n
+
b
n
{\displaystyle c_{n}:=a_{n}+b_{n}}
für alle
n
∈
N
{\displaystyle n\in \mathbb {N} }
.
Die äußere Verknüpfung ist ebenfalls durch die Multiplikation der Komponenten der Folge mit dem Skalar definert:
⋅
:
K
×
V
→
V
{\displaystyle \cdot :\mathbb {K} \times V\to V}
mit
(
λ
,
a
)
↦
λ
⋅
a
:=
c
{\displaystyle (\lambda ,a)\mapsto \lambda \cdot a:=c}
und
c
n
:=
λ
⋅
a
n
{\displaystyle c_{n}:=\lambda \cdot a_{n}}
für alle
n
∈
N
{\displaystyle n\in \mathbb {N} }
.
Betrachten Sie den Zahlenmenge der reellen Zahlen
R
{\displaystyle \mathbb {R} }
als Vektorraum über dem Körper
Q
{\displaystyle \mathbb {Q} }
. Ist
(
R
,
+
,
⋅
,
Q
)
{\displaystyle (\mathbb {R} ,+,\cdot ,\mathbb {Q} )}
ein endlichdimensionaler oder ein unendlichdimensionaler Vektorraum über dem Körper
Q
{\displaystyle \mathbb {Q} }
? Begründen Sie Ihre Antwort!
Zeigen Sie, dass die von
v
1
=
3
{\displaystyle v_{1}=3}
und
v
2
=
3
{\displaystyle v_{2}={\sqrt {3}}}
aufgespannten Untervektorräume
U
{\displaystyle U}
in dem
Q
{\displaystyle \mathbb {Q} }
-Vektorraum
(
R
,
+
,
⋅
,
Q
)
{\displaystyle (\mathbb {R} ,+,\cdot ,\mathbb {Q} )}
als Schnittmenge mit
5
⋅
Q
{\displaystyle {\sqrt {5}}\cdot \mathbb {Q} }
nur den Nullvektor
0
{\displaystyle 0}
enthalten!
Analysieren Sie die Mengeninklusion bei den Folgenräumen und betrachtet Sie auch die Konvergenzeigenschaften von Reihen, die aus den Folgen generiert werden können mit:
ℓ
p
(
K
)
:=
{
(
x
n
)
n
∈
K
N
:
∑
n
=
1
∞
|
x
n
|
p
<
∞
}
{\displaystyle \quad \ell ^{p}(\mathbb {K} ):=\left\{(x_{n})_{n}\in \mathbb {K} ^{\mathbb {N} }\,:\,\sum _{n=1}^{\infty }|x_{n}|^{p}<\infty \right\}}
.
Welche Teilmengenbeziehung besteht zwischen
ℓ
1
(
K
)
{\displaystyle \ell ^{1}(\mathbb {K} )}
und
c
o
(
K
)
{\displaystyle c_{o}(\mathbb {K} )}
? Verallgemeinern Sie diesen Ansatz auf
ℓ
1
(
V
)
{\displaystyle \ell ^{1}(V)}
und
c
o
(
V
)
{\displaystyle c_{o}(V)}
für einen normierten Raum
(
V
,
‖
⋅
‖
)
{\displaystyle (V,\|\cdot \|)}
! Ist das ebenfalls für einen metrischen Raum
(
V
,
d
)
{\displaystyle (V,d)}
möglich?