Kurs:Lineare Algebra/Teil I/6/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}{ 2 }
\renewcommand{\avier}{ 2 }
\renewcommand{\afuenf}{ 1 }
\renewcommand{\asechs}{ 3 }
\renewcommand{\asieben}{ 4 }
\renewcommand{\aacht}{ 8 }
\renewcommand{\aneun}{ 5 }
\renewcommand{\azehn}{ 6 }
\renewcommand{\aelf}{ 7 }
\renewcommand{\azwoelf}{ 6 }
\renewcommand{\adreizehn}{ 3 }
\renewcommand{\avierzehn}{ 1 }
\renewcommand{\afuenfzehn}{ 7 }
\renewcommand{\asechzehn}{ 3 }
\renewcommand{\asiebzehn}{ 64 }
\renewcommand{\aachtzehn}{ }
\renewcommand{\aneunzehn}{ }
\renewcommand{\azwanzig}{ }
\renewcommand{\aeinundzwanzig}{ }
\renewcommand{\azweiundzwanzig}{ }
\renewcommand{\adreiundzwanzig}{ }
\renewcommand{\avierundzwanzig}{ }
\renewcommand{\afuenfundzwanzig}{ }
\renewcommand{\asechsundzwanzig}{ }
\punktetabellesechzehn
\klausurnote
\newpage
\setcounter{section}{0}
\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{
Definiere die folgenden \zusatzklammer {kursiv gedruckten} {} {} Begriffe. \aufzaehlungsechs{Die \stichwort {Potenzmenge} {} zu einer Menge $M$.
}{Eine \stichwort {lineare} {} Abbildung \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} zwischen den $K$-Vektorräumen \mathkor {} {V} {und} {W} {.}
}{Die \stichwort {Spur} {} zu einer \definitionsverweis {quadratischen Matrix}{}{} $M$ über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$.
}{Die \stichwort {Determinante} {} einer $n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} $M$.
}{Eine \stichwort {nilpotente} {} \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} auf dem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$.
}{Ein
\stichwort {affiner Isomorphismus} {}
\maabbdisp {\psi} {E} {F
} {}
zwischen den
\definitionsverweis {affinen Räumen}{}{}
\mathkor {} {E} {und} {F} {}
über den
$K$-\definitionsverweis {Vektorräumen}{}{}
\mathbed {V} {bzw.}
{W} {}
{} {} {} {.}
}
}
{
\aufzaehlungsechs{Zu einer Menge $M$ nennt man die Menge aller Teilmengen von $M$ die Potenzmenge von $M$.
}{Eine
\definitionsverweis {Abbildung}{}{}
\maabbdisp {\varphi} {V} {W
} {}
heißt lineare Abbildung, wenn die beiden folgenden Eigenschaften erfüllt sind.
\aufzaehlungzwei {
\mathl{\varphi(u+v)= \varphi(u) + \varphi(v)}{} für alle
\mathl{u,v \in V}{.}
} {
\mathl{\varphi(s v)=s \varphi(v)}{} für alle
\mathkor {} {s \in K} {und} {v \in V} {.}
}
}{Sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M
}
{ =} { { \left( a_{ij} \right) }_{ 1 \leq i ,j \leq n}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Dann heißt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Spur} { \left( M \right) }
}
{ \defeq} {\sum_{ i = 1 }^{ n } a_{ii}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
die Spur von $M$.
}{Zu
\mathl{i \in { \{ 1 , \ldots , n \} }}{} sei $M_i$ diejenige
\mathl{(n-1)\times (n-1)}{-}Matrix, die entsteht, wenn man in $M$ die erste Spalte und die $i$-te Zeile weglässt. Dann definiert man rekursiv die Determinante von $M$ durch
\mathdisp {\det M = \begin{cases} a_{11}\, , & \text{falls } n = 1 \, , \\ \sum_{i =1}^n(-1)^{i+1} a_{i1} \det M_i & \text{ für } n \geq 2 \, . \end{cases}} { }
}{Die
\definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{}
\maabbdisp {\varphi} {V} {V
} {}
heißt nilpotent, wenn es eine natürliche Zahl $n$ derart gibt, dass die $n$-te
\definitionsverweis {Hintereinanderschaltung}{}{}
\mathdisp {\varphi^n =0} { }
ist.
}{Eine
\definitionsverweis {bijektive}{}{} \definitionsverweis {affine Abbildung}{}{}
\maabbdisp {\psi} {E} {F
} {}
heißt
affiner Isomorphismus.
}
}
\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{
Formuliere die folgenden Sätze. \aufzaehlungdrei{Die \stichwort {Dimensionsformel} {} für eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {.}}{Der Satz über die Matrixbeschreibung für die duale Abbildung.}{Der Satz über Diagonalisierbarkeit und Vielfachheiten.}
}
{
\aufzaehlungdrei{Unter der Bedingung, dass $V$ endlichdimensional ist, gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{dim}_{ } { \left( V \right) }
}
{ =} { \operatorname{dim}_{ } { \left( \operatorname{kern} \varphi \right) } + \operatorname{dim}_{ } { \left( \operatorname{bild} \varphi \right) }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}}{Es sei $K$ ein
\definitionsverweis {Körper}{}{} und sei $V$ ein
$n$-\definitionsverweis {dimensionaler}{}{}
$K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{}
mit einer
\definitionsverweis {Basis}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \mathfrak{ v }
}
{ = }{ v_1 , \ldots , v_n
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und sei $W$ ein $m$-dimensionaler Vektorraum mit einer Basis
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \mathfrak{ w }
}
{ = }{ w_1 , \ldots , w_m
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Es seien
\mathl{v_1^* , \ldots , v_n^*}{} bzw.
\mathl{w_1^* , \ldots , w_m^*}{} die zugehörigen
\definitionsverweis {Dualbasen}{}{.}
Es sei
\maabbdisp {\varphi} {V} {W
} {}
eine
\definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{,}
die bezüglich der gegebenen Basen durch die
$m \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M
}
{ =} {M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } } ( \varphi)
}
{ =} { (a_{ij})_{ij}
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
beschrieben werde. Dann wird die
\definitionsverweis {duale Abbildung}{}{}
\maabbdisp {\varphi^*} { { W }^{ * } } { { V }^{ * }
} {}
bezüglich der Dualbasen von
\mathkor {} {{ V }^{ * }} {bzw.} {{ W }^{ * }} {}
durch die
\definitionsverweis {transponierte Matrix}{}{}
\mathl{{ { \left( M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }(\varphi) \right) } ^{ \text{tr} } }}{} beschrieben.}{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}{}{.}
Dann ist $\varphi$ genau dann
\definitionsverweis {diagonalisierbar}{}{,}
wenn das
\definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{}
\mathl{\chi_{ \varphi }}{} in
\definitionsverweis {Linearfaktoren}{}{}
zerfällt und wenn für jede Nullstelle $\lambda$ mit der algebraischen Vielfachheit $\mu_\lambda$ die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \mu_\lambda
}
{ =} { \operatorname{dim}_{ } { \left( \operatorname{Eig}_{ \lambda } { \left( \varphi \right) } \right) }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
gilt.}
}
\inputaufgabeklausurloesung
{2}
{
Anfang März beträgt die Zeitdifferenz zwischen Deutschland und Paraguay $4$ Stunden \zusatzklammer {in Paraguay wurde es $4$ Stunden später hell} {} {.} Am 25. März 2018 wurde in Deutschland die Uhr von der Winterzeit auf die Sommerzeit umgestellt, die Uhr wurde also um eine Stunde nachts von $2$ auf $3$ vorgestellt. In der gleichen Nacht wurde die Uhr in Paraguay umgestellt. Wie groß war die Zeitdifferenz nach der Umstellung?
}
{
Da Paraguay auf der Südhalbkugel liegt, wird dort Ende März von der dortigen Sommerzeit auf die dortige Winterzeit umgestellt, dort wird also die Uhr zurückgestellt. Daher beträgt die Zeitdifferenz zwischen Deutschland und Paraguay danach ganze $6$ Stunden.
}
\inputaufgabeklausurloesung
{2}
{
Es seien
\mathl{L,M,N}{} Mengen und
\maabb {f} {L} {M
} {}
und
\maabb {g} {M} {N
} {}
\definitionsverweis {Abbildungen}{}{.}
Zeige, dass für jede Teilmenge
\mathl{U \subseteq N}{} die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f^{-1} { \left( g^{-1} (U) \right) }
}
{ =} { { \left( g \circ f \right) }^{-1} (U)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
gilt.
}
{
Es sei
\mathl{U \subseteq N}{} fixiert. Es sei
\mathl{x \in f^{-1} { \left( g^{-1} (U) \right) }}{.} Das bedeutet
\mathdisp {f(x) \in g^{-1} (U)} { }
und das bedeutet
\mathdisp {g(f(x)) \in U} { , }
also
\mathdisp {x \in ( g \circ f)^{-1} (U)} { . }
Wenn umgekehrt
\mathdisp {x \in ( g \circ f)^{-1} (U)} { }
ist, so bedeutet dies
\mathdisp {g(f(x)) \in U} { . }
Also ist
\mathdisp {f(x) \in g^{-1} (U)} { }
und damit
\mathdisp {x \in f^{-1} { \left( g^{-1} (U) \right) }} { . }
}
\inputaufgabeklausurloesung
{1}
{
Es sei $G$ eine \definitionsverweis {Gruppe}{}{.} Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( x^{-1} \right) }^{-1}
}
{ =} {x
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
für alle
\mathl{x \in G}{} ist.
}
{
Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x \circ x^{-1}
}
{ =} {1
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Damit ist $x$ das Inverse zu $x^{-1}$. Damit ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( x^{-1} \right) }^{-1}
}
{ =} { x
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
}
\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{
Drücke in $\R^3$ den Vektor
\mathdisp {(1,0,0)} { }
als
\definitionsverweis {Linearkombination}{}{}
der Vektoren
\mathdisp {(1,-2,5), (4,0,3) \text{ und } (2,1,1)} { }
aus.
}
{
Es geht darum, das lineare Gleichungssystem
\mathdisp {\begin{matrix}
x
+4 y
+2 z & = & 1 \\
-2 x
\, \, \, \, \, \, \, \,
+ z & = & 0 \\
5 x
+3 y
+ z & = & 0 \,
\end{matrix}} { }
zu lösen. Wir eliminieren mit Hilfe der dritten Gleichung die Variable $y$ aus der ersten Gleichung. Das resultierende System ist
\zusatzklammer {$I'= 3I -4III$} {} {}
\mathdisp {\begin{matrix}
-17 x
\, \, \, \, \, \, \, \,
+2 z & = & 3 \\
-2 x
\, \, \, \, \, \, \, \,
+ z & = & 0 \\
5 x
+3 y
+ z & = & 0 \, .
\end{matrix}} { }
Wir eliminieren nun aus $I'$ mittels
$II$ die Variable $z$, das ergibt
\zusatzklammer {$I' -2 II$} {} {}
\mathdisp {\begin{matrix}
-13 x
\, \, \, \, \, \, \, \,
\, \, \, \, \, \, \, \, & = & 3 \\
-2 x
\, \, \, \, \, \, \, \,
+ z & = & 0 \\
5 x
+3 y
+ z & = & 0 \, .
\end{matrix}} { }
Wir können jetzt dieses System lösen. Es ist
\mathdisp {x=-{ \frac{ 3 }{ 13 } }} { , }
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{z
}
{ =} {2x
}
{ =} {-{ \frac{ 6 }{ 13 } }
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{y
}
{ =} { { \frac{ -5x-z }{ 3 } }
}
{ =} { { \frac{ 15+6 }{ 39 } }
}
{ =} { { \frac{ 21 }{ 39 } }
}
{ =} { { \frac{ 7 }{ 13 } }
}
}
{}{}{.}
Also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} 1 \\0\\ 0 \end{pmatrix}
}
{ =} { -{ \frac{ 3 }{ 13 } } \begin{pmatrix} 1 \\-2\\ 5 \end{pmatrix} +{ \frac{ 7 }{ 13 } } \begin{pmatrix} 4 \\0\\ 3 \end{pmatrix} -{ \frac{ 6 }{ 13 } } \begin{pmatrix} 2 \\1\\ 1 \end{pmatrix}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
}
\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{
a) Bestimme, ob die
\definitionsverweis {komplexe}{}{}
\definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M
}
{ =} {\begin{pmatrix} 2+5 { \mathrm i} & 1-2 { \mathrm i} \\ 3-4 { \mathrm i} & 6-2 { \mathrm i} \end{pmatrix}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
\definitionsverweis {invertierbar}{}{}
ist.
b) Finde eine Lösung für das
\definitionsverweis {inhomogene lineare Gleichungssystem}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M \begin{pmatrix} z_1 \\z_2 \end{pmatrix}
}
{ =} { \begin{pmatrix} 54 +72 { \mathrm i} \\0 \end{pmatrix}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
}
{
a) Wir berechnen die Determinante der Matrix. Diese ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \det M
}
{ =} { (2+5 { \mathrm i} ) (6-2 { \mathrm i} ) -(3-4 { \mathrm i} ) (1-2 { \mathrm i} )
}
{ =} { 12 +10 +30 { \mathrm i} -4 { \mathrm i} - (3-8 -4 { \mathrm i} -6 { \mathrm i} )
}
{ =} {27 + 36 { \mathrm i}
}
{ } {
}
}
{}
{}{.}
Insbesondere ist die Matrix invertierbar.
b) Es ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \begin{pmatrix} 54 +72 { \mathrm i} \\0 \end{pmatrix}
}
{ =} {2 \begin{pmatrix} \det M \\0 \end{pmatrix}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}
{}{.}
Daher können wir direkt eine Lösung angeben, nämlich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} z_1 \\z_2 \end{pmatrix}
}
{ =} { 2 \begin{pmatrix} 6-2 { \mathrm i} \\-(3 -4 { \mathrm i} ) \end{pmatrix}
}
{ =} { \begin{pmatrix} 12-4 { \mathrm i} \\-6 +8 { \mathrm i} \end{pmatrix}
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Es ist ja
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \begin{pmatrix} 2+5 { \mathrm i} & 1-2 { \mathrm i} \\ 3-4 { \mathrm i} & 6-2 { \mathrm i} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2(6-2 { \mathrm i} ) \\2(-3 +4 { \mathrm i} ) \end{pmatrix}
}
{ =} { 2 \begin{pmatrix} (2+5 { \mathrm i} )(6-2 { \mathrm i} ) + (1-2 { \mathrm i} )( -3+4 { \mathrm i} ) \\(3-4 { \mathrm i} )(6-2 { \mathrm i} ) +(6-2 { \mathrm i} ) (-3+4 { \mathrm i} ) \end{pmatrix}
}
{ =} { \begin{pmatrix} 2 \det M \\0 \end{pmatrix}
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}
{}{.}
}
\inputaufgabeklausurloesung
{8 (2+2+4)}
{
Es sei $K$ ein \definitionsverweis {endlicher Körper}{}{} mit $q$ Elementen.
a) Es sei $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} der Dimension $d$. Wie viele Elemente besitzt $V$?
b) Zeige, dass ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} genau dann endlich ist, wenn er \definitionsverweis {endlichdimensional}{}{} ist.
c) Wie viele Basen besitzt ein $d$-dimensionaler $K$-Vektorraum?
}
{
a) Da es eine Basis
\mathl{v_1 , \ldots , v_d}{} gibt, ist $V$
\definitionsverweis {isomorph}{}{}
zu $K^d$. Dieser Raum besteht aus allen $d$-Tupeln und besitzt damit $q^d$ Elemente.
b) Wenn $V$ endlichdimensional ist, so folgt die Endlichkeit der Menge $V$ direkt aus a). Wenn $V$ endlich ist, so kann man ganz $V$ als endliches Erzeugendensystem wählen. Eine Teilmenge davon bildet eine endliche Basis. Also ist $V$ endlichdimensional.
c) Wir überlegen uns, auf wie viele Arten wir eine Basis
\mathl{v_1 , \ldots , v_d}{} zusammenstellen können. Damit müssen wir nur beachten, dass $v_{i+1}$ jeweils nicht im dem von den
\mathl{v_1 , \ldots , v_i}{} erzeugten Untervektorraum liegt. Durch diese Bedingung besitzt dieser Untervektorraum insbesondere $q^i$ Elemente. Das bedeutet, dass man für
\mathl{v_{i+1}}{} genau
\mathl{q^d-q^i}{} Auswahlmöglichkeiten hat. Daher gibt es insgesamt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (q^d -1) (q^d -q) (q^d-q^2) \cdots (q^d-q^{d-2}) (q^d-q^{d-1})
}
{ =} { q^{ { \frac{ d(d-1) }{ 2 } } } (q^d-1) (q^{d-1} -1) (q^{d-2} -1 ) \cdots (q^2-1) (q-1)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{} Basen.
}
\inputaufgabeklausurloesung
{5}
{
Es sei
\maabbdisp {\varphi} {\R^2} {\R^2
} {}
die durch die Matrix
\mathl{M= \begin{pmatrix} 5 & 1 \\ 2 & 3 \end{pmatrix}}{}
\zusatzklammer {bezüglich der Standardbasis} {} {}
festgelegte lineare Abbildung. Bestimme die beschreibende Matrix zu $\varphi$ bezüglich der Basis
\mathl{\begin{pmatrix} 1 \\4 \end{pmatrix}}{} und
\mathl{\begin{pmatrix} 4 \\2 \end{pmatrix}}{.}
}
{
Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi \begin{pmatrix} 1 \\4 \end{pmatrix}
}
{ =} { \begin{pmatrix} 5 & 1 \\ 2 & 3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\4 \end{pmatrix}
}
{ =} { \begin{pmatrix} 9 \\14 \end{pmatrix}
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi \begin{pmatrix} 4 \\2 \end{pmatrix}
}
{ =} { \begin{pmatrix} 5 & 1 \\ 2 & 3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 4 \\2 \end{pmatrix}
}
{ =} { \begin{pmatrix} 22 \\14 \end{pmatrix}
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Diese Bildvektoren müssen wir bezüglich der Basis ausdrücken. Der Ansatz
\mathdisp {\begin{pmatrix} 9 \\14 \end{pmatrix} =a \begin{pmatrix} 1 \\4 \end{pmatrix} +b \begin{pmatrix} 4 \\2 \end{pmatrix}} { }
bzw.
\mathdisp {9 = a+4b \text{ und } 14 = 4a + 2b} { }
führt auf
\mathdisp {-19 = -7a} { }
und damit auf
\mathkor {} {a = { \frac{ 19 }{ 7 } }} {und} {b = { \frac{ 11 }{ 7 } }} {.}
Der Ansatz
\mathdisp {\begin{pmatrix} 22 \\14 \end{pmatrix} =c \begin{pmatrix} 1 \\4 \end{pmatrix} +d \begin{pmatrix} 4 \\2 \end{pmatrix}} { }
bzw.
\mathdisp {22 = c + 4d \text{ und } 14 = 4c + 2d} { }
führt auf
\mathdisp {-6 = -7 c} { }
und damit auf
\mathkor {} {c = { \frac{ 6 }{ 7 } }} {und} {d = { \frac{ 37 }{ 7 } }} {.}
Daher ist die beschreibende Matrix von $\varphi$ bezüglich der Basis
\mathkor {} {\begin{pmatrix} 1 \\4 \end{pmatrix}} {und} {\begin{pmatrix} 4 \\2 \end{pmatrix}} {}
gleich
\mathdisp {\begin{pmatrix} { \frac{ 19 }{ 7 } } & { \frac{ 6 }{ 7 } } \\ { \frac{ 11 }{ 7 } } & { \frac{ 37 }{ 7 } } \end{pmatrix}} { . }
}
\inputaufgabeklausurloesung
{6}
{
Beweise den Satz, dass die Zuordnung zwischen linearen Abbildungen und Matrizen \zusatzklammer {bei gegebenen Basen} {} {} bijektiv ist.
}
{
Wir zeigen, dass beide Hintereinanderschaltungen die Identität sind. \teilbeweis {}{}{}
{Wir starten mit einer Matrix
\mathl{M=(a_{ij})_{ij}}{} und betrachten die Matrix
\mathdisp {M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }( \varphi^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }(M) )} { . }
Zwei Matrizen sind gleich, wenn für jedes Indexpaar
\mathl{(i,j)}{} die Einträge übereinstimmen. Es ist
\mavergleichskettealignhandlinks
{\vergleichskettealignhandlinks
{(M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }( \varphi^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }(M) ))_{ij}
}
{ =} { i-\text{te Koordinate von } ( \varphi^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }(M)) (v_j)
}
{ =} { i-\text{te Koordinate von } \sum_{ i = 1 }^{ m } a_{ij} w_i
}
{ =} {a_{ij}
}
{ } {
}
}
{}
{}{.}}
{}
\teilbeweis {}{}{}
{Es sei nun $\varphi$ eine lineare Abbildung, und betrachten wir
\mathdisp {\varphi^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }( M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }(\varphi) )} { . }
Zwei lineare Abbildungen stimmen nach
Satz 10.10 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018))
überein, wenn man zeigen kann, dass sie auf der Basis
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} übereinstimmen. Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (\varphi^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }( M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }(\varphi) ))(v_j)
}
{ =} { \sum_{ i = 1 }^{ m } (M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } } (\varphi))_{ij} \, w_i
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Dabei ist nach Definition der Koeffizient
\mathl{(M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } } (\varphi))_{ij}}{} die $i$-te Koordinate von
\mathl{\varphi(v_j)}{} bezüglich der Basis
\mathl{w_1 , \ldots , w_m}{.} Damit ist diese Summe gleich
\mathl{\varphi(v_j)}{.}}
{}
}
\inputaufgabeklausurloesung
{7}
{
Es sei $V$ ein
$K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{}
und
\mathl{U_1,U_2 \subseteq V}{} seien
\definitionsverweis {Untervektorräume}{}{.}
Zeige im
\definitionsverweis {Dualraum}{}{}
${ V }^{ * }$ die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( U_1 \cap U_2 \right) } ^{ { \perp } }
}
{ =} { U_1^{ { \perp } } + U_2^{ { \perp } }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
}
{
Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f
}
{ = }{h+g
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
mit
\mathkor {} {g \in U_1^{ { \perp } }} {und} {h \in U_2^{ { \perp } }} {.}
Für
\mathl{v \in U_1 \cap U_2}{} ist somit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f(v)
}
{ =} { g(v) +h(v)
}
{ =} { 0+0
}
{ =} { 0
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
also ist
\mathl{f \in { \left( U_1 \cap U_2 \right) } ^{ { \perp } }}{.}
Für die andere Inklusion sei
\mathl{f \in { \left( U_1 \cap U_2 \right) } ^{ { \perp } }}{} und sei $W$ ein
\definitionsverweis {direktes Komplement}{}{}
von
\mathl{U_1 \cap U_2}{} in $U_1$ und
\mathl{T \subseteq V}{} ein direktes Komplement von $U_1$ in $V$, also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U_1
}
{ =} { { \left( U_1 \cap U_2 \right) } \oplus W
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V
}
{ =} { U_1 \oplus T
}
{ =} { { \left( U_1 \cap U_2 \right) } \oplus W \oplus T
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Es sei $h$ die Gesamtabbildung
\mathdisp {V \stackrel{p_W}{\longrightarrow} W \stackrel{ }{\longrightarrow} V \stackrel{f}{ \longrightarrow} K} { . }
Dann ist
\mathl{h}{} eingeschränkt auf $U_1 \cap U_2 \oplus T$ die Nullabbildung und somit auch auf $U_2$ die Nullabbildung. Also ist
\mathl{h \in U_2^{ { \perp } }}{.}
Sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{g
}
{ =} {f-h
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Für
\mathl{v \in U_1}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{v
}
{ =} {u+w
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
mit
\mathl{u \in U_1 \cap U_2}{} und
\mathl{w \in W}{.} Dabei ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{g(u)
}
{ =} {f(u) - h(u)
}
{ =} {0-0
}
{ =} {0
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{g(w)
}
{ =} {f(w) - h(w)
}
{ =} {f(w) -f(w)
}
{ =} {0
}
{ } {
}
}
{}{}{}
nach Definition von $h$. Also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{g(v)
}
{ =} {0
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und somit
\mathl{g \in U_1^{ { \perp } }}{.}
}
\inputaufgabeklausurloesung
{6}
{
Beweise den Satz über die Charakterisierung von diagonalisierbar mit Vielfachheiten.
}
{
\teilbeweis {}{}{}
{Wenn $\varphi$
\definitionsverweis {diagonalisierbar}{}{}
ist, so kann man sofort annehmen, dass $\varphi$ bezüglich einer Basis aus Eigenvektoren durch eine
\definitionsverweis {Diagonalmatrix}{}{}
beschrieben wird. Die Diagonaleinträge dieser Matrix sind die Eigenwerte, und diese wiederholen sich gemäß ihrer
\definitionsverweis {geometrischen Vielfachheit}{}{.}
Das
\definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{}
lässt sich auch direkt aus dieser Diagonalmatrix ablesen, jeder Diagonaleintrag $\lambda$ trägt als Linearfaktor
\mathl{X- \lambda}{} bei.}
{}
\teilbeweis {}{}{}
{Für die Umkehrung seien
\mathl{\lambda_1 , \ldots , \lambda_k}{} die verschiedenen Eigenwerte und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \mu_i
}
{ \defeq} { \mu_{\lambda_i}(\varphi)
}
{ =} { \operatorname{dim}_{ } { \left( \operatorname{Eig}_{ \lambda_i } { \left( \varphi \right) } \right) }
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
seien die
\zusatzklammer {geometrischen und algebraischen} {} {}
Vielfachheiten. Da nach Voraussetzung das charakteristische Polynom in Linearfaktoren zerfällt, muss die Summe dieser Zahlen gleich
\mathl{n = \operatorname{dim}_{ } { \left( V \right) }}{} sein. Nach
Lemma 22.6 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018))
ist die Summe der Eigenräume
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Eig}_{ \lambda_1 } { \left( \varphi \right) } \oplus \cdots \oplus \operatorname{Eig}_{ \lambda_k } { \left( \varphi \right) }
}
{ \subseteq} { V
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
direkt. Nach Voraussetzung ist die Dimension links ebenfalls gleich $n$, so dass Gleichheit vorliegt. Nach
Lemma 22.11 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018))
ist $\varphi$ diagonalisierbar.}
{}
}
\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{
Es sei $M$ eine
$n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{}
über $K$ mit dem
\definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{}
$P \in K[X]$. Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P
}
{ =} {F_1 \cdots F_k
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
eine Faktorzerlegung in Polynome $F_i$ von positivem Grad. Zeige, dass
\mathl{F_i(M)}{} nicht
\definitionsverweis {bijektiv}{}{}
ist.
}
{
Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{0
}
{ =} {P(M)
}
{ =} {F_1(M) \circ \cdots \circ F_k(M)
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Dabei ist die Reihenfolge der Hintereinanderschaltung unerheblich, da der Polynomring kommutativ ist. Es genügt also, $F_1$ zu betrachten. Wäre
\mathl{F_1(M)}{} bijektiv, so müsste schon
\mathl{F_2(M) \circ \cdots \circ F_k(M)}{} die Nullabbildung sein, doch dann wäre
\mathl{F_2 \cdots F_k}{} ein annullierendes Polynom im Widerspruch zur vorausgesetzten Minimalität.
}
\inputaufgabeklausurloesung
{1}
{
Was ist falsch an der folgenden Argumentation:
\anfuehrung{Zu zwei quadratischen
$n \times n$-\definitionsverweis {Matrizen}{}{}
\mathl{M,N}{} gilt für die
\definitionsverweis {charakteristischen Polynome}{}{}
die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \chi_{ M \circ N }
}
{ =} { \chi_{ M } \chi_{ N }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Nach Definition ist nämlich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \chi_{ M \circ N }
}
{ =} { \det \left( XE_n - M \circ N \right)
}
{ =} { \det \left( XE_n - M \right) \det \left( XE_n - N \right)
}
{ =} { \chi_{ M } \cdot \chi_{ N }
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
wobei die mittlere Gleichung auf dem Determinantenmultiplikationssatz beruht}{.}
}
{
Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ XE_n - M \circ N
}
{ \neq} { { \left( XE_n - M \right) } \circ { \left( XE_n - N \right) }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
daher ist der Determinantenmultiplikationssatz nicht anwendbar.
}
\inputaufgabeklausurloesung
{7}
{
Beweise den Satz über die Summe von Haupträumen.
}
{
Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \chi_{ \varphi }
}
{ =} { (X-\lambda_1)^{k_1} \cdots (X-\lambda_m)^{k_m}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
das
\definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{,}
das nach
Satz 25.10 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018))
in Linearfaktoren zerfällt, wobei die
\mathl{\lambda_i}{} verschieden seien. Wir führen Induktion über $m$. Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{m
}
{ = }{1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
gibt es nur einen Eigenwert $\lambda$ und nur einen Hauptraum. Nach
Korollar 24.3 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018))
ist dann auch das Minimalpolynom von der Form
\mathl{(X- \lambda)^s}{} und daher ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V
}
{ = }{ \operatorname{Haupt}_{ \lambda } (\varphi)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Es sei die Aussage nun für kleineres $m$ bewiesen. Wir setzen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P
}
{ = }{(X- \lambda_1)^{k_1}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q
}
{ = }{ (X-\lambda_2)^{k_2} \cdots (X-\lambda_m)^{k_m}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
und sind damit in der Situation von
Lemma 26.10 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018))
und
Satz 26.12 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018)).
Wir haben also eine direkte Summenzerlegung in
$\varphi$-\definitionsverweis {invariante}{}{}
Untervektorräume
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V
}
{ =} { \operatorname{Haupt}_{ \lambda_1 } (\varphi) \oplus \operatorname{kern} Q(\varphi)
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Das charakteristische Polynom ist nach
Lemma 23.7 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018))
das Produkt der charakteristischen Polynome der Einschränkungen auf die beiden Räume. Nach
Satz 26.12 (Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018))
ist
\mathl{(X- \lambda_1)^{k_1}}{} das charakteristische Polynom der Einschränkung auf den ersten Hauptraum, daher muss $Q$ das charakteristische Polynom der Einschränkung auf
\mathl{\operatorname{kern} Q(P)}{} sein. Das heißt insbesondere, dass diese Einschränkung ebenfalls trigonalisierbar ist. Nach der Induktionsvoraussetzung ist also
\mathl{\operatorname{kern} Q(P)}{} die direkte Summe der Haupträume zu
\mathl{\lambda_2 , \ldots , \lambda_m}{} und daraus ergibt sich insgesamt die direkte Summenzerlegung für $V$ und für $\varphi$.
}
\inputaufgabeklausurloesung
{3 (1+1+1)}
{
Es sei $E$ ein
\definitionsverweis {affiner Raum}{}{}
über dem
$K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{}
$V$. Zeige die folgenden Identitäten in $V$.
\aufzaehlungdrei{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\overrightarrow{ P P }
}
{ = }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
für
\mathl{P \in E}{.}
}{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\overrightarrow{ P Q }
}
{ = }{- \overrightarrow{ Q P }
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
für
\mathl{P,Q \in E}{.}
}{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\overrightarrow{ P Q } + \overrightarrow{ Q R }
}
{ = }{ \overrightarrow{ P R }
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
für
\mathl{P,Q,R \in E}{,}
}
}
{
Nach der
Definition .
ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P + \overrightarrow{ P Q }
}
{ =} {Q
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und
\mathl{\overrightarrow{ P Q }}{} ist der einzige Vektor mit dieser Eigenschaft.
(1). Es ist einerseits nach der Vorbemerkung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P + \overrightarrow{ P P }
}
{ =} {P
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und andererseits nach der ersten Eigenschaft der Definition
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P + 0
}
{ =} {P
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \overrightarrow{ P P }
}
{ =} { 0
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
(2). Es ist einerseits
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P + \overrightarrow{ P Q }
}
{ =} {Q
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und andererseits
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Q
}
{ =} {Q+0
}
{ =} {Q+ ( \overrightarrow{ Q P } - \overrightarrow{ Q P } )
}
{ =} {P - \overrightarrow{ Q P }
}
{ } {
}
}
{}{}{,}
also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \overrightarrow{ P Q }
}
{ =} { - \overrightarrow{ Q P }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
(3). Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P + \overrightarrow{ P R }
}
{ =} {R
}
{ =} { Q + \overrightarrow{ Q R }
}
{ =} { { \left( P + \overrightarrow{ P Q } \right) } + \overrightarrow{ Q R }
}
{ =} {P + { \left( \overrightarrow{ P Q } + \overrightarrow{ Q R } \right) }
}
}
{}{}{,}
also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \overrightarrow{ P R }
}
{ =} { \overrightarrow{ P Q } + \overrightarrow{ Q R }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
}