Kurs:Lineare Algebra/Teil I/26/Klausur mit Lösungen
Aufgabe | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | |
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Punkte | 3 | 3 | 5 | 1 | 4 | 2 | 3 | 7 | 3 | 3 | 1 | 4 | 3 | 3 | 3 | 5 | 1 | 2 | 6 | 2 | 64 |
Aufgabe (3 Punkte)
Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.
- Die Hintereinanderschaltung der Abbildungen
und
- Ein Isomorphismus zwischen - Vektorräumen und .
- Elementare Zeilenumformungen an einer - Matrix über einem Körper .
- Eine Transposition auf einer endlichen Menge .
- Die adjungierte Matrix zu einer quadratischen Matrix .
- Eine Fahne in einem - dimensionalen - Vektorraum .
- Die Abbildung
heißt die Hintereinanderschaltung der Abbildungen und .
- Ein Isomorphismus zwischen
und
ist eine bijektive lineare Abbildung
- Unter den elementaren Zeilenumformungen versteht man die Manipulationen:
- Vertauschung von zwei Zeilen.
- Multiplikation einer Zeile mit .
- Addition des -fachen einer Zeile zu einer anderen Zeile.
- Eine Transposition auf ist eine Permutation auf , die genau zwei Elemente miteinander vertauscht und alle anderen Elemente unverändert lässt.
- Die Matrix
wobei die Restmatrix zur -ten Zeile und zur -ten Spalte ist, heißt die adjungierte Matrix von .
- Eine Kette von
Untervektorräumen
heißt eine Fahne in .
Aufgabe (3 Punkte)
Formuliere die folgenden Sätze.
- Das Basisaustauschlemma.
- Die Formel für die Determinante für eine obere Dreiecksmatrix.
- Der Satz über Ideale in einem Polynomring in einer Variablen über einem Körper .
- Es sei ein Körper und ein -Vektorraum mit einer Basis . Es sei ein Vektor mit einer Darstellung
wobei sei für ein bestimmtes . Dann ist auch die Familie
- Für eine obere Dreiecksmatrix
ist
- In einem Polynomring über einem Körper ist jedes Ideal ein Hauptideal.
Aufgabe (5 (1+1+1+2) Punkte)
Ein Zug ist Meter lang (ohne Lokomotive) und bewegt sich mit Stundenkilometer. Lucy Sonnenschein hat ihr Fahrrad mit in den Zug genommen und fährt mit einer Geschwindigkeit von Metern pro Sekunde von ganz hinten nach ganz vorne.
- Wie viele Sekunden benötigt Lucy für die gesamte Zuglänge?
- Welche Geschwindigkeit (in Meter pro Sekunde) hat Lucy bezogen auf die Umgebung?
- Welche Entfernung (in Meter) legt der Zug während der Fahrradfahrt zurück?
- Berechne auf zwei verschiedene Arten, welche Entfernung Lucy während ihrer Fahrradfahrt bezogen auf die Umgebung zurücklegt.
- Lucy benötigt Sekunden für den Meter langen Zug.
- In Meter pro Sekunde hat der Zug eine Geschwindigkeit von
Da die beiden Bewegungen sich überlagern, ist die Gesamtgeschwindigkeit von Lucy gleich Meter pro Sekunde.
- In den Sekunden legt der Zug
Meter zurück.
- Man kann die vom Zug und die von Lucy im Zug zurückgelegte Strecke addieren, dies ergibt
Meter. Ebenso kann man mit ihrer Geschwindigkeit bezogen auf die Umgebung rechnen, und erhält ebenfalls
Meter.
Aufgabe (1 Punkt)
Bestimme die Lösungsmenge des Ungleichungssystems
und
über .
Es soll einerseits
und andererseits
sein. Wegen
ist das nicht gleichzeitig erfüllbar, die Lösungsmenge ist also leer.
Aufgabe (4 Punkte)
Löse das inhomogene Gleichungssystem
Wir eliminieren zuerst die Variable , indem wir die erste Gleichung zweimal auf die vierte addieren. Dies führt auf
Nun eliminieren wir die Variable , indem wir (bezogen auf das vorhergehende System) und ausrechnen. Dies führt auf
Es ergibt sich nun wenn man die erste Gleichung mit 4 multipliziert und 3 mal die zweite subtrahiert
und
Rückwärts gelesen ergibt sich
und
Aufgabe (2 (1+1) Punkte)
Es sei ein Körper. Wir betrachten die Untervektorräume , die durch
bzw.
gegeben sind.
- Ist abgeschlossen unter der Matrizenmultiplikation?
- Ist abgeschlossen unter der Matrizenmultiplikation?
- ist nicht abgeschlossen unter der Matrizenmultiplikation, da beispielsweise
ist.
- ist abgeschlossen unter der Matrizenmultiplikation. Es ist ja
ist, da, wenn man die zweite oder dritte Zeile links mit der ersten Spalte rechts multipliziert, in jedem Summanden eine Null beteiligt ist.
Aufgabe (3 Punkte)
Es sei ein Körper und ein - Vektorraum mit endlicher Dimension
Es seien Vektoren in gegeben. Zeige, dass die folgenden Eigenschaften äquivalent sind.
- bilden eine Basis von .
- bilden ein Erzeugendensystem von .
- sind linear unabhängig.
Eine Basis ist insbesondere ein Erzeugendensystem und linear unabhängig, deshalb folgt sowohl (2) als auch (3) aus (1). Es sei (2) erfüllt, d.h. ist ein Erzeugendensystem. Wenn es keine Basis wäre, so wäre dieses System nach Satz 7.11 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) kein minimales Erzeugendensystem und man könnte Vektoren herausnehmen, und es würde ein Erzeugendensystem bleiben. Dies widerspricht der Wohldefiniertheit der Dimension. Es sei (3) erfüllt, d.h. ist ein System aus linear unabhängigen Vektoren. Wenn es keine Basis wäre, so wäre es nach Satz 7.11 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) nicht maximal linear unabhängig, und man könnte es durch Hinzunahme von einem Vektor zu einem größeren linear unabhängigen System vergrößern. Auch dies wiederspricht der Wohldefiniertheit der Dimension.
Aufgabe (7 Punkte)
Es sei ein Körper und es seien und Vektorräume über . Es sei eine lineare Abbildung und eine surjektive lineare Abbildung. Es sei vorausgesetzt, dass
ist. Zeige, dass es eine eindeutig bestimmte lineare Abbildung
derart gibt, dass gilt.
Es kann maximal nur eine solche Abbildung
mit geben, da es zu jedem ein mit gibt. Somit muss
gelten. Es sei eine Basis von . Für zwei Vektoren aus der Urbildmenge zu einem unter ist die Differenz ein Element von . Wegen der Bedingung werden alle Elemente aus einer solchen Urbildmenge unter auf ein einziges Element in abgebildet. Es sei ein Urbild von . Wir setzen
und betrachten die dadurch mit dem Festlegungssatz gegebene lineare Abbildung
Für jedes ist
und somit ist mit einem . Daher ist
Aufgabe (3 Punkte)
Es ist
und
und
also ist die Ordnung gleich .
Aufgabe (3 Punkte)
Es sei ein Körper und ein - Vektorraum. Es sei
eine multilineare Abbildung. Es seien . Ziehe in
Summen und Skalare nach außen.
Nach dem Distributivgesetz für multilineare Abbildungen muss man sämtliche Kombinationen der Vektoren durchgehen und die Koeffizienten miteinander multiplizieren. Dies ergibt Es ist
Aufgabe (1 Punkt)
Bestimme die Determinante zur Matrix
Die Determinante ist , da eine obere Dreiecksmatrix vorliegt, deren Hauptdiagonalelemente sind.
Aufgabe (4 Punkte)
Bestimme die komplexen Zahlen , für die die Matrix
nicht invertierbar ist.
Die Matrix ist genau dann invertierbar, wenn ihre Determinante ist. Wir müssen also die Nullstellen der Determinante bestimmen. Die Determinante ist (nach der Regel von Sarrus)
Dies ist gleich genau dann, wenn
ist. Durch quadratisches Ergänzen führt diese Gleichung auf
Daher sind
die beiden einzigen Lösungen der quadratischen Gleichung. Diese zwei reellen Zahlen sind also die einzigen (reellen oder komplexen) Zahlen, für die die Matrix nicht invertierbar ist.
Aufgabe (3 (1+1+1) Punkte)
Wir betrachten die Permutation
- Berechne .
- Bestimme die Zykelzerlegung von .
- Berechne das Vorzeichen von .
- wird durch die Wertetabelle
beschrieben.
- Es ist
Die Zykelzerlegung ist also
- Die beiden beteiligten Zykel haben ungerade Länge, somit ist ihr Signum jeweils . Wegen der Multiplikativität des Signums ist somit auch das Signum von gleich .
Aufgabe (3 Punkte)
Bestimme die -Koordinaten der Schnittpunkte der Graphen der beiden reellen Polynome
und
Ein Schnittpunkt liegt genau dann an den Stellen vor, die eine Nullstelle von sind. Es ist
Wir normieren dieses quadratische Polynom und erhalten die Bedingung
Die Lösungen dafür sind
Dies sind die -Koordinaten der beiden Schnittpunkte.
Aufgabe (3 Punkte)
Die Bedingungen führen auf das lineare Gleichungssystem
führt auf
also
In eingesetzt ergibt sich
Das gesuchte Polynom ist also
Aufgabe (5 Punkte)
Es sei ein endlichdimensionaler Vektorraum über einem Körper und es sei
eine lineare Abbildung. Zeige, dass das charakteristische Polynom und das Minimalpolynom die gleichen Nullstellen besitzen.
Dass die Nullstellen des Minimalpolynoms auch Nullstellen des charakteristischen Polynoms sind, folgt direkt aus Cayley-Hamilton.
Umgekehrt sei eine Nullstelle des charakteristischen Polynoms und sei ein Eigenvektor von zum Eigenwert , den es nach Satz 23.2 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) gibt. Das Minimalpolynom schreiben wir als
wobei nullstellenfrei sei. Dann ist
Wir wenden dies auf an. Nach Lemma 24.4 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) bilden die Faktoren den Vektor auf bzw. auf ab. Insgesamt wird somit auf
abgebildet. Da die Gesamtabbildung die Nullabbildung und ist, muss ein sein.
Aufgabe (1 Punkt)
Es sei eine lineare Abbildung auf einem - Vektorraum und es sei ein - invarianter Untervektorraum. Zeige, dass zu jedem invariant bezüglich ist.
Es sei . Dann ist
Wegen und gehört auch dieses Element zu .
Aufgabe (2 Punkte)
Ist die Menge der nilpotenten - Matrizen ein Untervektorraum des Matrizenraums ?
Die Matrizen
sind beide nilpotent. Ihre Summe ist
Diese ist invertierbar und insbesondere nicht nilpotent. Somit sind die nilpotenten Matrizen nicht abgeschlossen unter der Addition und bilden insbesondere keinen Untervektorraum.
Aufgabe (6 Punkte)
Beweise den Satz von der kanonischen additiven Zerlegung für eine trigonalisierbare Abbildung.
Nach Satz 26.14 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) ist
wobei die die Haupträume zu den Eigenwerten seien, und es ist
mit . Es sei
die Hintereinanderschaltung , d.h. ist insbesondere eine Projektion. Wir setzen
Diese Abbildung ist offenbar diagonalisierbar, auf ist es die Multiplikation mit . Es sei
Die Nilpotenz dieser Abbildung kann man auf den einzeln überprüfen, und dort ist
also nilpotent. Ferner kommutieren und , da auf die Identität ist und auf , , die Nullabbildung. Damit kommutieren auch die direkten (skalaren) Summen davon und damit kommutieren und , also auch und .
Aufgabe (2 Punkte)
Wegen
liegt keine baryzentrische Kombination vor.