Kurs:Lineare Algebra/Teil I/23/Klausur mit Lösungen/latex

%Daten zur Institution

%\input{Dozentdaten}

%\renewcommand{\fachbereich}{Fachbereich}

%\renewcommand{\dozent}{Prof. Dr. . }

%Klausurdaten

\renewcommand{\klausurgebiet}{ }

\renewcommand{\klausurtyp}{ }

\renewcommand{\klausurdatum}{ . 20}

\klausurvorspann {\fachbereich} {\klausurdatum} {\dozent} {\klausurgebiet} {\klausurtyp}

%Daten für folgende Punktetabelle


\renewcommand{\aeins}{ 3 }

\renewcommand{\azwei}{ 3 }

\renewcommand{\adrei}{ 1 }

\renewcommand{\avier}{ 4 }

\renewcommand{\afuenf}{ 4 }

\renewcommand{\asechs}{ 4 }

\renewcommand{\asieben}{ 1 }

\renewcommand{\aacht}{ 8 }

\renewcommand{\aneun}{ 1 }

\renewcommand{\azehn}{ 6 }

\renewcommand{\aelf}{ 4 }

\renewcommand{\azwoelf}{ 3 }

\renewcommand{\adreizehn}{ 3 }

\renewcommand{\avierzehn}{ 4 }

\renewcommand{\afuenfzehn}{ 7 }

\renewcommand{\asechzehn}{ 4 }

\renewcommand{\asiebzehn}{ 4 }

\renewcommand{\aachtzehn}{ 64 }

\renewcommand{\aneunzehn}{ }

\renewcommand{\azwanzig}{ }

\renewcommand{\aeinundzwanzig}{ }

\renewcommand{\azweiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\adreiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\avierundzwanzig}{ }

\renewcommand{\afuenfundzwanzig}{ }

\renewcommand{\asechsundzwanzig}{ }

\punktetabellesiebzehn

\klausurnote

\newpage


\setcounter{section}{0}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Definiere die folgenden \zusatzklammer {kursiv gedruckten} {} {} Begriffe. \aufzaehlungsechs{Ein \stichwort {inverses Element} {} zu einem Element
\mathl{x \in M}{} bezüglich einer \definitionsverweis {Verknüpfung}{}{} \maabbeledisp {\circ} {M \times M} {M } {(x,y)} {x \circ y } {,} mit einem \definitionsverweis {neutralen Element}{}{}
\mathl{e \in M}{.}

}{Ein \stichwort {kommutativer} {} \definitionsverweis {Ring}{}{} $R$.

}{Die \stichwort {transponierte Matrix} {} zu einer
\mathl{m \times n}{-}Matrix $M=(a_{ij})_{1 \leq i \leq m,\, 1 \leq j \leq n}$.

}{Der $i$-te \stichwort {Standardvektor} {} im $K^n$.

}{Eine \stichwort {multilineare} {} Abbildung \maabbdisp {\Phi} {V_1 \times \cdots \times V_n} {W } {,} wobei
\mathl{V_1 , \ldots , V_n,W}{} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ sind.

}{Das \stichwort {Minimalpolynom} {} zu einer \definitionsverweis {linearen Abbildung}{}{} \maabbdisp {f} {V} {V } {} auf einem \definitionsverweis {endlichdimensionalen}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$. }

}
{

\aufzaehlungsechs{Zu
\mathl{x \in M}{} heißt
\mathl{y \in M}{} inverses Element, wenn die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x \circ y }
{ =} { e }
{ =} {y \circ x }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt. }{Ein \definitionsverweis {Ring}{}{} $R$ heißt kommutativ, wenn die Multiplikation kommutativ ist. }{Man nennt die Matrix
\mathdisp {{ M^{ \text{tr} } } =(b_{ij})_{ij} \text{ mit } b_{ij} := a_{ji}} { }
die transponierte Matrix zu $M$. }{Der Vektor
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ e_i }
{ \defeq} { \begin{pmatrix} 0 \\ \vdots\\ 0\\1\\ 0\\ \vdots\\ 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei die $1$ an der $i$-ten Stelle steht, heißt $i$-ter Standardvektor. }{Die \definitionsverweis {Abbildung}{}{} \maabbdisp {\Phi} { V_1 \times \cdots \times V_n } {W } {} heißt multilinear, wenn für jedes
\mathl{i \in { \{ 1 , \ldots , n \} }}{} und jedes
\mathl{(n-1)}{-}Tupel
\mathl{(v_1 , \ldots , v_{i-1} , v_{i+1} , \ldots , v_n)}{} mit
\mathl{v_j \in V_j}{} die induzierte Abbildung \maabbeledisp {} {V_i} {W } {v_i} { \Phi ( v_1 , \ldots , v_{i-1} , v_i , v_{i+1} , \ldots , v_n ) } {,} $K$-\definitionsverweis {linear}{}{} ist. }{Das eindeutig bestimmte \definitionsverweis {normierte}{}{} \definitionsverweis {Polynom}{}{}
\mathl{\mu_f\in K[X]}{} minimalen \definitionsverweis {Grades}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \mu_f(f) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} heißt das \stichwort {Minimalpolynom} {} von $f$. }


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Formuliere die folgenden Sätze. \aufzaehlungdrei{Der Satz über $n$ Vektoren in einem $n$-\definitionsverweis {dimensionalen}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$.}{Der Satz über die universelle Eigenschaft der Determinante.}{Der Festlegungssatz für affine Abbildungen.}

}
{

\aufzaehlungdrei{Es sei $K$ ein Körper und $V$ ein $K$-Vektorraum mit endlicher Dimension
\mathl{n= \dim_{ K } { \left( V \right) }}{.} Für $n$ Vektoren
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} in $V$ sind folgende Eigenschaften äquivalent. \aufzaehlungdrei{
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} bilden eine Basis von $V$. }{
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} bilden ein Erzeugendensystem von $V$. }{
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} sind linear unabhängig. }}{Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mathl{n \in \N_+}{.} Dann gibt es genau eine \definitionsverweis {Determinantenfunktion}{}{} \maabbdisp {\triangle} { \operatorname{Mat}_{ n } (K) = (K^n)^n} {K } {} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \triangle (e_1 ,\, e_2 , \ldots , e_{ n }) }
{ = }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei $e_i$ die \definitionsverweis {Standardvektoren}{}{} sind, nämlich die \definitionsverweis {Determinante}{}{.}}{Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und seien \mathkor {} {E} {und} {F} {} \definitionsverweis {affine Räume}{}{} über den \definitionsverweis {Vektorräumen}{}{}
\mathbed {V} {bzw.}
{W} {}
{} {} {} {.} Es sei
\mathbed {P_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} eine \definitionsverweis {affine Basis}{}{} von $E$ und
\mathbed {Q_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} eine Familie von Punkten in $F$. Dann gibt es eine eindeutig bestimmte \definitionsverweis {affin-lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\psi} {E} {F } {} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\psi(P_i) }
{ =} {Q_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mathl{i \in I}{.}}

}





\inputaufgabeklausurloesung
{1}
{

Es sei $M$ eine Menge. Wir betrachten die \definitionsverweis {Verknüpfung}{}{} \maabbeledisp {} { \mathfrak {P} \, (M ) \times \mathfrak {P} \, (M )} { \mathfrak {P} \, (M ) } {(A,B)} { A \setminus B } {.} Ist diese Verknüpfung \definitionsverweis {assoziativ}{}{?}

}
{

Diese Verknüpfung ist nicht assoziativ. Um dies zu zeigen, kann man einfach
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{A }
{ =} {B }
{ =} {C }
{ =} {M }
{ } { }
} {}{}{} nehmen, wobei $M$ eine nichtleere Menge sei. Dann ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M \setminus M }
{ = }{ \emptyset }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und somit ist einerseits
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{(M \setminus M) \setminus M }
{ =} { \emptyset \setminus M }
{ =} { \emptyset }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und andererseits
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M \setminus ( M \setminus M ) }
{ =} { M \setminus \emptyset }
{ =} { M }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Beweise
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\sum_{ i = 0}^ {n} (-1)^{i} \binom { n } { i } 2^i }
{ =} { (-1)^n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{

Der Induktionsanfang bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist klar. Unter Verwendung der Pascalschen Rekursionsformel und der Induktionsvoraussetzung ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \sum_{ i = 0}^ {n+1} (-1)^{i} \binom { n+1 } { i } 2^i }
{ =} { \sum_{ i = 0}^ {n+1} (-1)^{i} { \left( \binom { n } { i } + \binom { n } { i-1 } \right) } 2^i }
{ =} { \sum_{ i = 0}^ {n} (-1)^{i} \binom { n } { i } 2^i + \sum_{ i = 1}^{n+1} (-1)^{i} \binom { n } { i-1 } 2^i }
{ =} {(-1)^{n} -2 \cdot \sum_{ i = 1}^{n+1} (-1)^{i-1} \binom { n } { i-1 } 2^{i-1} }
{ =} {(-1)^{n} -2 \cdot \sum_{ j = 0}^{n} (-1)^{j} \binom { n } { j } 2^j }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { (-1)^{n} -2 (-1)^n }
{ =} { (-1)^ {n+1} }
{ } {}
{ } {}
} {}{.}


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Löse das \definitionsverweis {inhomogene Gleichungssystem}{}{}
\mathdisp {\begin{matrix} x & + y & + z & \, \, \, \, - w & = & 3 \\ -2 x & +5 y & -3 z & + w & = & 0 \\ x & \, \, \, \, - y & +2 z & \, \, \, \, \, \, \, \, & = & 2 \\ 5 x & +2 y & \, \, \, \, - z & \, \, \, \, \, \, \, \, & = & -1 \, . \end{matrix}} { }

}
{

Wir eliminieren zuerst die Variable $w$, indem wir die erste Gleichung mit der zweiten addieren. Dies führt auf
\mathdisp {\begin{matrix} - x & +6 y & -2 z & \, \, \, \, \, \, \, \, & = & 3 \\ x & \, \, \, \, - y & +2 z & \, \, \, \, \, \, \, \, & = & 2 \\ 5 x & +2 y & \, \, \, \, - z & \, \, \, \, \, \, \, \, & = & -1 \, . \end{matrix}} { }
Nun addieren wir die erste Gleichung mit der zweiten Gleichung und es ergibt sich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ 5 y }
{ =} {5 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{y }
{ =} { 1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Rückwärts gelesen ergibt sich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x }
{ =} { - { \frac{ 3 }{ 11 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } {}
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ z }
{ =} { { \frac{ 18 }{ 11 } } }
{ } { }
{ } {}
{ } {}
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ w }
{ =} { - { \frac{ 7 }{ 11 } } }
{ } { }
{ } {}
{ } {}
} {}{}{.}


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Beweise den Satz über die Dimension eines Untervektorraum
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U }
{ \subseteq }{V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{ \dim_{ K } { \left( V \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Jede linear unabhängige Familie in $U$ ist auch linear unabhängig in $V$. Daher kann es aufgrund des Basisaustauschsatzes in $U$ nur linear unabhängige Familien der Länge $\leq n$ geben. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{k }
{ \leq }{n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart, dass es in $U$ eine linear unabhängige Familie mit $k$ Vektoren gibt, aber nicht mit
\mathl{k+1}{} Vektoren. Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \mathfrak{ u } }
{ = }{ u_1 , \ldots , u_k }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine solche Familie. Diese ist dann insbesondere eine maximal linear unabhängige Familie in $U$ und daher wegen Satz 7.11 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) eine Basis von $U$.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{1}
{

Bestimme den Rang der Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 1 & x & x^2 \\ x & x^2 & x^3 \\x^2 & x^3 & x^4 \end{pmatrix}} { }
zu
\mathl{x \in K}{.}

}
{

Die zweite Zeile ergibt sich aus der ersten Zeile durch Multiplikation mit $x$, die dritte Zeile ergibt sich aus der ersten Zeile durch Multiplikation mit $x^2$. Somit ist der Rang maximal $1$. Wegen der $1$ links oben ist der Rang genau $1$.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{8}
{

Beweise den Satz über die natürliche Abbildung eines Vektorraumes in sein Bidual.

}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} fixiert. Zuerst ist zu zeigen, dass
\mathl{\Psi(v)}{} eine Linearform auf dem Dualraum ${ V }^{ * }$ ist. Offenbar ist
\mathl{\Psi(v)}{} eine Abbildung von ${ V }^{ * }$ nach $K$. Die Additivität ergibt sich aus
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{( \Psi(v))(f_1+f_2) }
{ =} { (f_1+f_2) (v) }
{ =} { f_1(v) +f_2(v) }
{ =} { ( \Psi(v))(f_1) + ( \Psi(v))(f_2) }
{ } { }
} {}{}{,} wobei wir die Definition der Addition auf dem Dualraum verwendet haben. Die Verträglichkeit mit der Skalarmultiplikation ergibt sich entsprechend mittels
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{( \Psi(v))(s f ) }
{ =} { (s f ) (v) }
{ =} { s ( f(v)) }
{ =} { s ( ( \Psi(v))(f) ) }
{ } { }
} {}{}{.}

Zum Beweis der Additivität der Gesamtabbildung seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v,w }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es ist die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Psi (v+w) }
{ =} { \Psi(v) + \Psi(w) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} zu zeigen. Da dies eine Gleichheit in
\mathl{{ { \left( { V }^{ * } \right) } }^{ * }}{} ist, also insbesondere eine Gleichheit von Abbildungen, sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ { V }^{ * } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} beliebig. Dann folgt die Additivität aus
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ ( \Psi (v+w) )(f) }
{ =} { f(v+w) }
{ =} { f(v) +f(w) }
{ =} { ( \Psi (v) )(f) + ( \Psi (w) )(f) }
{ } { }
} {}{}{.} Entsprechend ergibt sich die skalare Verträglichkeit aus
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ ( \Psi (s v) )(f) }
{ =} { f(s v) }
{ =} { s (f(v)) }
{ =} { s ( ( \Psi (v) )(f) ) }
{ } { }
} {}{}{.}

Zum Nachweis der Injektivität sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Psi(v) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegeben. D.h. für alle Linearformen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ { V }^{ * } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f(v) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist aber nach Lemma 14.6 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) schon
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{v }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und nach dem Injektivitätskriterium ist $\Psi$ injektiv.

Im endlichdimensionalen Fall folgt die Bijektivität aus der Injektivität und aus Korollar 13.12 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)).


}





\inputaufgabeklausurloesung
{1}
{

Berechne die \definitionsverweis {Determinante}{}{} der \definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mathdisp {\begin{pmatrix} 2+6 { \mathrm i} & 8-3 { \mathrm i} \\ 5 - { \mathrm i} & 3+ 7 { \mathrm i} \end{pmatrix}} { . }

}
{

Die \definitionsverweis {Determinante}{}{} von
\mathdisp {\begin{pmatrix} 2+6 { \mathrm i} & 8-3 { \mathrm i} \\ 5 - { \mathrm i} & 3+ 7 { \mathrm i} \end{pmatrix}} { }
ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ { \left( 2+6 { \mathrm i} \right) } { \left( 3+7 { \mathrm i} \right) } - { \left( 5- { \mathrm i} \right) } { \left( 8-3 { \mathrm i} \right) } }
{ =} { -36 + 32 { \mathrm i} - 37 + 23 { \mathrm i} }
{ =} { -73 + 55 { \mathrm i} }
{ } { }
{ } { }
} {} {}{.}


}





\inputaufgabeklausurloesung
{6}
{

Wir betrachten die durch die Wertetabelle \wertetabellesiebenausteilzeilen { $x$ }
{\mazeileundfuenf {1} {2} { 3} {\ldots } {n-2} }
{\mazeileundzwei {n-1 } {n} }
{ $\pi (x)$ }
{\mazeileundfuenf {2} {3} {4} {\ldots} {n-1} }
{\mazeileundzwei {n} {1} } gegebene Permutation $\pi$ zu
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{n }
{ \geq} {2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Bestimme das \definitionsverweis {Signum}{}{} von $\pi$ auf möglichst viele unterschiedliche Arten.

}
{

\aufzaehlungdrei{Gemäß der Definition des Signums ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \operatorname{sgn}(\pi) }
{ =} { \prod_{1 \leq i < j \leq n} { \frac{ \pi(j) - \pi(i) }{ j-i } } }
{ =} { \prod_{1 \leq i < j \leq n-1} { \frac{ \pi(j) - \pi(i) }{ j-i } } \cdot \prod_{1 \leq i < j = n} { \frac{ \pi(n) - \pi(i) }{ n-i } } }
{ =} {\prod_{1 \leq i < j \leq n-1} { \frac{ j +1 - (i+1) }{ j-i } } \cdot \prod_{1 \leq i < n} { \frac{ 1 - (i+1) }{ n-i } } }
{ =} {\prod_{1 \leq i < j \leq n-1} { \frac{ j - i }{ j-i } } \cdot \prod_{1 \leq i < n} { \frac{ - i }{ n-i } } }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { 1 \cdot \prod_{1 \leq i < j = n} (-1)^{n-1} { \frac{ i }{ n-i } } }
{ =} { \prod_{1 \leq i < j = n} (-1)^{n-1} { \frac{ 1 \cdot 2 \cdots (n-2) (n-1) }{ (n-1) (n-2) \cdots 2\cdot 1 } } }
{ =} { (-1)^{n-1} }
{ } {}
} {}{.} }{Wir bestimmen die Fehlstände der Permutation. Zu
\mathl{i<j < n}{} liegt kein Fehlstand vor. Dagegen liegt zu
\mathl{i<n}{} stets ein Fehlstand vor. Es gibt also insgesamt
\mathl{n-1}{} Fehlstände, und das Signum ist
\mathl{(-1)^{n-1}}{.} }{Die Permutation $\pi$ kann man als Produkt der Transpositionen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \pi }
{ =} { \langle 1,2 \rangle \circ \langle 2,3 \rangle \circ \cdots \circ \langle n-1,n \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} darstellen, da ja $n$ mit jeder Transposition um $1$ nach unten transportiert wird und jede Zahl $i<n$ durch die Transposition
\mathl{\langle i,i+1 \rangle}{} auf $i+1$ abgebildet wird, was von den Transpositionen weiter links nicht mehr verändert wird. Es liegt also eine Zerlegung in $n-1$ Transpositionen vor und das Signum ist
\mathl{(-1)^{n-1}}{.} }


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Von einem Rechteck sind der Umfang $U$ und die Fläche $A$ bekannt. Bestimme die Längen der Seiten des Rechtecks.

}
{

Zwei Seiten haben die Länge $a$, zwei andere Seiten die Länge $b$; gegebenenfalls ist $a = b$. Es gilt $U = 2a+2b$ und $A=ab$.

Auflösen der ersten Gleichung nach $b$ ergibt $b = \frac{U}{2}-a$. Einsetzen in die zweite Gleichung: $A = a\left(\frac{U}{2}-a\right) = a\frac{U}{2}-a^2$. Umstellen in die Normalform einer quadratischen Gleichung: $a^2-\frac{U}{2} a + A = 0$.

Man beachte, dass der Wert unter der Wurzel nie negativ wird und nur für den Speziallfall eines Quadrats null wird: Alle allgemeinen Rechtecke haben im Verhältnis zum Quadrat bei gleicher Fläche einen größeren Umfang.

Also hat diese Gleichung typischerweise zwei Lösungen für $a$, nämlich $\frac{U}{4}\pm \sqrt{\frac{U^2}{16} - A}$. Eine der beiden Lösungen ist dann $a$, die andere ist $b$. Wenn unter der Wurzel der Wert null steht, hat man ein Quadrat und es gibt nur eine Lösung $a=b=U/4$.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3 (2+1)}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \geq }{ 2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} \aufzaehlungzwei {Führe in $\Q[X]$ die \definitionsverweis {Division mit Rest}{}{} \anfuehrung{$P$ durch $T$}{} für die beiden \definitionsverweis {Polynome}{}{} \mathkor {} {P=X^{n-1} + X^ {n-2} + \cdots + X^2+X+1} {und} {T=X-1} {} durch.

} {Finde eine Darstellung der $1$ mit diesen beiden Polynomen. }

}
{

\aufzaehlungzwei {Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ X^{n-1} + X^ {n-2} + \cdots + X^2+X+1 }
{ =} { { \left( X^{n-2} +2 X^ {n-3} + \cdots + (n-3) X^2+(n-2)X+n-1 \right) } { \left( X-1 \right) } + n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} } {Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{1 }
{ =} { { \frac{ 1 }{ n } } { \left( X^{n-1} + X^ {n-2} + \cdots + X^2+X+1 \right) } - { \frac{ 1 }{ n } } { \left( X^{n-2} +2 X^ {n-3} + \cdots + (n-3) X^2+(n-2)X+n-1 \right) } { \left( X-1 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} und sei $Q$ das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} von $\varphi$. Zeige, dass $0$ genau dann eine Nullstelle von $Q$ ist, wenn $\varphi$ nicht \definitionsverweis {injektiv}{}{} ist.

}
{

Da das Minimalpolynom und das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{} nach Lemma 24.5 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) die gleichen Nullstellen haben, und dies die \definitionsverweis {Eigenwerte}{}{} von $\varphi$ sind, bedeutet die eine Eigenschaft, dass $0$ ein Eigenwert ist. Dies ist äquivalent dazu, dass der Eigenraum
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Eig}_{ 0 } { \left( \varphi \right) } }
{ =} { \operatorname{kern} \varphi }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} nicht der Nullraum ist, was wiederum nach dem Injektivitätskriterium bedeutet, dass $\varphi$ nicht injektiv ist.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Zeige, dass das charakteristische Polynom zu einer \definitionsverweis {linearen Abbildung}{}{} \maabb {\varphi} {V} {V } {} auf einem \definitionsverweis {endlichdimensionalen}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$ wohldefiniert ist, also unabhängig von der gewählten \definitionsverweis {Basis}{}{.}

}
{

Es seien \mathkor {} {M} {und} {N} {} die beschreibenden Matrizen von $\varphi$ bezüglich zweier Basen. Dann besteht zwischen ihnen die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} {BNB^{-1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit der invertierbaren Basiswechselmatrix $B$. Es besteht die Beziehung
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ B (xE_n - N) B^{-1} }
{ =} { B { \left( xE_n \right) } B^{-1} - B N B^{-1} }
{ =} { xE_n - B N B^{-1} }
{ =} { xE_n- M }
{ } { }
} {} {}{,} da die Streckungsmatrizen
\mathl{xE_n}{} mit jeder Matrix vertauschbar sind. Aufgrund des Determinantenmultiplikationssatz gilt daher
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \chi_{ M } }
{ =} { \det \left( x E_n-M \right) }
{ =} { \det \left( B (xE_n - N) B^{-1} \right) }
{ =} { \det \left( B \right) \det \left( xE_n - N \right) \det \left( B^{-1} \right) }
{ =} { \det \left( xE_n - N \right) }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { \chi_{ N } }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
} {}{.}


}





\inputaufgabeklausurloesung
{7}
{

Es sei $V$ ein $n$-\definitionsverweis {dimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$. Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{0 }
{ =} {V_0 }
{ \subset} {V_1 }
{ \subset \ldots \subset} { V_{n-1} }
{ \subset} { V_n }
} {
\vergleichskettefortsetzung
{ =} {V }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
}{}{} eine \definitionsverweis {Fahne}{}{} in $V$. Zeige, dass es eine \definitionsverweis {bijektive}{}{} \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} derart gibt, dass diese Fahne die einzige $\varphi$-\definitionsverweis {invariante Fahne}{}{} ist.

}
{

Wir wählen eine Basis
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} von $V$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_i }
{ =} { \langle v_1 , \ldots , v_i \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle $i$, was nach dem Basisergänzungssatz möglich ist. Wir betrachten die bijektive lineare Abbildung $\varphi$, die durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi(v_i) }
{ \defeq} { v_1 +v_2 + \cdots + v_{i-1} +v_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} festgelegt ist. Offensichtlich ist dazu die vorgegebene Fahne $\varphi$-\definitionsverweis {invariant}{}{.} Es sei nun eine beliebige $\varphi$-invariante Fahne
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{0 }
{ \subset} {W_1 }
{ \subset} {W_2 }
{ \subset \ldots \subset} {W_{n-1} }
{ \subset} { W_n }
} {
\vergleichskettefortsetzung
{ =} {V }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
}{}{} gegeben. Es ist zu zeigen, dass diese mit der vorgegebenen Fahne übereinstimmt. Dies beweisen wir durch Induktion über $k$, wobei der Induktionsanfang wegen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V_0 }
{ = }{0 }
{ = }{W_0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} klar ist. Es sei also als Induktionsvoraussetzung die Übereinstimmungen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V_1 }
{ = }{W_1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V_2 }
{ = }{W_2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{$, \ldots ,$}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V_k }
{ = }{W_k }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} schon bekannt. Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V_{k+1} }
{ = }{W_{k+1} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zu zeigen. Der Raum
\mathl{W_{k+1}}{} besitzt die Basis
\mathl{v_1 , \ldots , v_k ,w}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ w }
{ =} { \sum_{j = 1}^n a_j v_j }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und wegen der Invarianz von $W_{k+1}$ unter $\varphi$ ist einerseits
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi(w) }
{ =} { \sum_{j = 1}^k b_j v_j + c w }
{ =} { \sum_{j = 1}^k { \left( b_j +ca_j \right) } v_j + \sum_{j = k+1}^n c a_j v_j }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \zusatzklammer {mit \mathlk{c \neq 0}{} wegen der Bijektivität} {} {} und andererseits
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \varphi(w) }
{ =} { \varphi { \left( \sum_{j = 1}^n a_j v_j \right) } }
{ =} { \sum_{j = 1}^n a_j \varphi { \left( v_j \right) } }
{ =} { \sum_{j = 1}^n a_j { \left( v_1 +v_2 + \cdots + v_j \right) } }
{ =} { \sum_{j = 1}^n { \left( \sum_{i = j}^n a_i \right) } v_j }
} {} {}{.} Koeffizientenvergleich für die Vektoren
\mathl{v_{k+1} , \ldots , v_n}{} liefert
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{i = k+1}^{n} a_i }
{ =} { ca_{k+1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{i = k+2}^{n} a_i }
{ =} { ca_{k+2} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{, \ldots ,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{i = n}^{n} a_i }
{ =} { ca_{n} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Indem man sukzessive diese Gleichungen von unten nach oben betrachtet, erhält man bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{c }
{ \neq }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} direkt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ 0 }
{ =} { a_n }
{ =} { a_{n-1} }
{ = \ldots =} { a_{k+1} }
{ } { }
} {}{}{} und bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{c }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} erhält man
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ 0 }
{ =} { a_n }
{ =} { a_{n-1} }
{ = \ldots =} { a_{k+2} }
{ } { }
} {}{}{.} Damit ist jedenfalls
\mathl{w \in V_{k+1}}{} und somit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{W_{k+1} }
{ = }{V_{k+1} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Jordan-Matrix}{}{.} Bestimme die \definitionsverweis {jordansche Normalform}{}{} der Potenzen
\mathl{M^n}{} für alle
\mathl{n \in \N_+}{.}

}
{

Es ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{M^2 }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
} {} {}{} und
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{M^3 }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
} {} {}{,} die höheren Potenzen sind die Nullmatrix. Die Wirkungsweise von $M^2$ ist somit
\mathl{e_4 \mapsto e_2 \mapsto 0}{} und
\mathl{e_3 \mapsto e_1 \mapsto 0}{,} die jordansche Normalform ist also
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}} { . }
Die Wirkungsweise von $M^3$ ist
\mathl{e_4 \mapsto e_1 \mapsto 0}{} und
\mathl{e_2, e_3 \mapsto 0}{,} die jordansche Normalform ist also
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}} { . }
Von allen höheren Potenzen ist die Nullmatrix die jordansche Normalform.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Finde eine \definitionsverweis {affine Basis}{}{} für die Lösungsmenge der inhomogenen Gleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ 7x+y-3z+5w }
{ =} {1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{

Eine spezielle Lösung der Gleichung ist durch
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 \\0\\ 0\\{ \frac{ 1 }{ 5 } } \end{pmatrix}} { }
gegeben. Für die zugehörige homogene Gleichung sind
\mathdisp {\begin{pmatrix} 1 \\-7\\ 0\\0 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 0 \\3\\ 1\\0 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 5\\3 \end{pmatrix}} { }
Lösungen, die offenbar linear unabhängig sind. Da der Rang des Gleichungssystems $1$ ist, handelt es sich um eine Basis des Lösungsraumes der homogenen Gleichung. Daher bildet
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 \\0\\ 0\\{ \frac{ 1 }{ 5 } } \end{pmatrix} , \, \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 0\\{ \frac{ 1 }{ 5 } } \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 1 \\-7\\ 0\\0 \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} 1 \\-7\\ 0\\{ \frac{ 1 }{ 5 } } \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 0\\{ \frac{ 1 }{ 5 } } \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 \\3\\ 1\\0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\3\\ 1\\{ \frac{ 1 }{ 5 } } \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 0\\{ \frac{ 1 }{ 5 } } \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 5\\3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 5\\{ \frac{ 16 }{ 5 } } \end{pmatrix}} { }
eine affine Basis der Lösungsmenge der inhomogenen Gleichung.


}