Definiere die folgenden
(kursiv gedruckten) Begriffe.
- Eine Abbildung von einer Menge in eine Menge .
- Die
Summe
von Untervektorräumen in einem Vektorraum .
- Ähnliche
Matrizen .
- Die duale Abbildung zu einer
linearen Abbildung
-
zwischen
-
Vektorräumen
und .
- Ein Fehlstand zu einer
Permutation
-
- Eine nilpotente
-
Matrix
über .
Lösung
- Eine Abbildung von nach ist dadurch gegeben, dass jedem Element der Menge genau ein Element der Menge zugeordnet wird.
- Die
Summe dieser Untervektorräume
ist durch
-
gegeben.
- Die Matrizen heißen
ähnlich,
wenn es eine
invertierbare Matrix
mit
gibt.
- Die
Abbildung
-
heißt die duale Abbildung zu .
- Ein Indexpaar
-
heißt ein Fehlstand zu , wenn
ist.
- Eine
quadratische Matrix heißt nilpotent, wenn es eine natürliche Zahl gibt derart, dass das -te
Matrixprodukt
-
ist.
Formuliere die folgenden Sätze.
- Der Satz über die Nichtnullteilereigenschaft in einem Körper .
- Die Dimensionsabschätzung für den Durchschnitt von Untervektorräumen.
- Der Satz über die Charakterisierungen von trigonalisierbaren Abbildungen.
Lösung
Erläutere das Beweisprinzip der vollständigen Induktion.
Lösung
Berechne über den
komplexen Zahlen
das
Matrizenprodukt
-
Lösung
Man multipliziert die erste Zeile mit der Spalte rechts und erhält
Die zweite Zeile multipliziert mit der Spalte rechts ergibt
-
Das Ergebnis ist also der Spaltenvektor
-
Es sei ein
-
Vektorraum
und es seien
Vektoren. Zeige, dass genau dann
linear unabhängig
sind, wenn linear unabhängig sind.
Lösung
Es seien linear unabhängig und sei
-
eine Darstellung der . Dies bedeutet
-
woraus wegen der linearen Unabhängigkeit
-
also
-
folgt.
Es seien nun umgekehrt linear unabhängig und sei
-
eine Darstellung der . Dann ist
-
Daraus ergibt sich
-
und daraus
-
Lösung
Bestimme eine
Basis
des
Urbildes
von
-
zur
linearen Abbildung
-
Lösung
Wir betrachten das inhomogene lineare Gleichungssystem
-
Wir ersetzen die zweite Gleichung durch 3I-2II und die dritte durch I-III und erhalten das äquivalente System
-
Daraus sieht man insbesondere, dass die Lösungsmenge zweidimensional ist. Man sieht außerdem, dass der Kern der Abbildung selbst eindimensional ist und aus
der Dimensionsformel
folgt, dass die Abbildung surjektiv ist, insbesondere liegt also jeder Punkt von im Bild. Um linear unabhängige Elemente der Lösungsmenge zu erhalten setzen wir zunächst
und
und erhalten
,
-
und
.
Wenn wir
und
setzen, erhalten wir
,
-
und
.
Eine Basis des Urbildes ist daher gegeben durch die beiden Vektoren und .
Beweise den Satz über die Beschreibung einer linearen Abbildung bei einem Basiswechsel.
Lösung
Die linearen Standardabbildungen
bzw.
zu den Basen seien mit bezeichnet. Wir betrachten das
kommutative Diagramm
-
wobei die Kommutativität auf
Lemma 9.1 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025))
und
Lemma 10.14 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025))
beruht. In dieser Situation ergibt sich insgesamt
Lösung
Der Unterraum ist ebenfalls endlichdimensional. Es sei eine Basis von , die wir durch zu einer Basis von ergänzen können. Es sei . Wir betrachten die lineare Abbildung
-
die durch
-
und
-
festgelegt ist
(dabei sei der -te Standardvektor des ), was nach dem
Basisfestlegungssatz
möglich ist. Wegen
-
ist die Abbildung surjektiv. Offenbar ist . Es sei
-
Dann ist
-
Da die Standardbasis vorliegt, sind die und daher ist . Also ist .
a) Es seien
endlichdimensionale
-
Vektorräume
und
-
lineare Abbildungen.
Zeige, dass für die
Produktabbildung
-
die Gleichheit
-
gilt.
b) Es seien
und
endlichdimensionale -Vektorräume und
-
eine lineare Abbildung. Es sei
-
die induzierte Abbildung. Zeige
-
Lösung
Wir schreiben die Produktabbildung als
-
Es seien Basen von und es sei die Matrix zu bezüglich der Basis von . Dann wird
-
bezüglich der Gesamtbasis des Produktraumes durch die Matrix
-
beschrieben, wobei die Einheitsmatrix der Länge bezeichnet. Hier steht also die Matrix
-
und deren Determinante ist nach der induktiven Definition gleich . Nach
dem Determinantenmultiplikationssatz
ist somit
b) Es sei
-
und
-
eine Isomorphie. Dann ist
-
mit Faktoren. Dabei entspricht die natürliche Abbildung der Produktabbildung . Die Behauptung folgt also aus Teil a).
Schreibe das Polynom
-
als Produkt von Linearfaktoren in .
Lösung
Es ist
-
Lösung
a) Formuliere den Satz von Cayley-Hamilton für eine -Matrix.
b) Bestätige durch Nachrechnen den Satz von Cayley-Hamilton für die Matrix
-
c) Beweise den Satz von Cayley-Hamilton für eine beliebige -Matrix.
Lösung
Lösung
Beschreibe die
affine Gerade
-
als
Urbild
über einer
affinen Abbildung
.
Lösung
Der Richtungsvektor gehört jeweils zum
Kern
der beiden
linear unabhängigen Linearformen
und .
Daher machen wir den Ansatz
-
Für den Aufpunkt ergibt sich die Bedingung
-
also ist
und
.
Somit ist
-
eine affine Abbildung mit Urbild über wie gewünscht.