Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2015-2016)/Teil I/Arbeitsblatt 20/latex

\setcounter{section}{20}

\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Diciembre.jpg} }
\end{center}
\bildtext {Gar nicht mehr lange! Wir wünschen schon jetzt frohe Weihnachten!} }

\bildlizenz { Diciembre.jpg } {} {Lumentzaspi} {Commons} {PD} {}

\zwischenueberschrift{Die Pausenaufgabe}

\inputaufgabe
{}
{

Berechne das Ergebnis, wenn man im \definitionsverweis {Polynom}{}{}
\mathdisp {X^2-5X+3} { }
die Variable $X$ durch die $2 \times 2$-\definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mathdisp {\begin{pmatrix} 6 & 7 \\ -4 & 5 \end{pmatrix}} { }
ersetzt.

}
{} {}

\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}

\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Man finde ein \definitionsverweis {Polynom}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f }
{ =} { a+bX+cX^2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a,b,c }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart, dass die folgenden Bedingungen erfüllt werden.
\mathdisp {f(-1) =2,\, f(1) = 0,\, f(3) = 5} { . }

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Man finde ein \definitionsverweis {Polynom}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f }
{ =} { a+bX+cX^2+dX^3 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a,b,c,d }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart, dass die folgenden Bedingungen erfüllt werden.
\mathdisp {f(0) =1,\, f(1) = 2,\, f(2) = 0, \, f(-1) = 1} { . }

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Finde für die folgenden drei Mengen
\mathdisp {\{1,3,5,7,9, \ldots \},\, \{1,2,4,8,16, \ldots \},\, \{ 9,99,999,9999,99999, \ldots \}} { }
\zusatzklammer {die alle die Form $\{a_1,a_2,a_3,a_4,a_5, \ldots \}$ besitzen} {} {} jeweils ein Polynom
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ P(k) }
{ =} { c_0 +c_1k+c_2k^2+c_3k^3 + c_4 k^4 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \zusatzklammer {mit Koeffizienten
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ c_j }
{ \in }{ \Q }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} {} mit
\mathdisp {P(1)=a_1, \, P(2)=a_2, \, P(3)=a_3, \, P(4)= a_4, \, P(5)=a_5} { . }

}
{} {}

\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Berechne das Ergebnis, wenn man im \definitionsverweis {Polynom}{}{}
\mathdisp {2X^3-5X^2+7X-4} { }
die Variable $X$ durch die $2 \times 2$-\definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mathdisp {\begin{pmatrix} 4 & 1 \\ 5 & 3 \end{pmatrix}} { }
ersetzt.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabbdisp {f,g} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {Endomorphismen}{}{} auf einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$ und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Polynom}{}{.} Zeige, dass die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ P(f \circ g) }
{ =} { P (f) \circ P(g) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} im Allgemeinen
\betonung{nicht}{} gilt.

}
{} {}

\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zu einer $2 \times 2$-\definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M }
{ = }{ \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P_M }
{ \defeq} { X^2 - \operatorname{Spur} { \left( M \right) } X + \det M }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P_M(M) }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} \definitionsverweis {Vektorraum}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ und es sei \maabbdisp {f} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.} Zeige, dass die Menge
\mathdisp {{ \left\{ P \in K[X] \mid P(f) = 0 \right\} }} { }
ein \definitionsverweis {Hauptideal}{}{} im Polynomring
\mathl{K[X]}{} ist, das vom \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} $\mu_f$ \definitionsverweis {erzeugt}{}{} wird.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Es sei $M$ eine \definitionsverweis {Matrix}{}{} mit dem \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} $X-a$. Zeige, dass $M$ die \definitionsverweis {Streckung}{}{} mit dem Streckungsfaktor $a$ ist.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Wir besprechen die \definitionsverweis {Minimalpolynome}{}{} zu den \definitionsverweis {Elementarmatrizen}{}{.}

a) Zeige, dass das Minimalpolynom einer Vertauschungsmatrix
\mathl{V_{ij}}{} gleich
\mathl{X^2 -1}{} ist.

b) Zeige, dass das Minimalpolynom einer skalaren Elementarmatrix $S_k (s)$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{s }
{ \neq }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gleich
\mathdisp {X^2 -(s+1)X +s} { }
ist.

c) Zeige, dass das Minimalpolynom einer Additionsmatrix $A_{ij}(a)$ von der Form
\mathdisp {(X-1)^k} { }
ist. Was ist dabei $k$?

}
{} {}

\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ V }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und \maabbdisp {\varphi} { V } { V } {} eine \definitionsverweis {Projektion}{}{.} Zeige, dass es für das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} zu $\varphi$ drei Möglichkeiten gibt, nämlich
\mathl{X,X-1}{} und
\mathl{X(X-1)}{.}

}
{} {}

\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{.} Es sei eine $n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} $M$ über $K$ gegeben. Zeige, dass das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit dem Minimalpolynom zu $M$ übereinstimmt, wenn man die Matrix über $L$ auffasst.

}
{} {}

\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $M$ eine $n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} über $K$ mit dem \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 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.

}
{} {}

\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten die \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {K^{(\N)} } {K^{(\N)} } {,} die durch
\mathl{e_n \mapsto e_{n+1}}{} festgelegt ist. Zeige, dass $\varphi$ nur vom Nullpolynom annulliert wird.

}
{} {}

\zwischenueberschrift{Die Weihnachtsaufgabe für die ganze Familie}

\inputaufgabe
{}
{

Welches Bildungsgesetz liegt der Folge
\mathdisp {1,\,11,\, 21,\, 1211,\, 111221,\, 312211,\, ...} { }
zugrunde?

}
{} {(Es wird behauptet, dass diese Aufgabe für Grundschulkinder sehr einfach und für Mathematiker sehr schwierig ist.)}

\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}

\inputaufgabe
{4}
{

Man finde ein \definitionsverweis {Polynom}{}{} $f$ vom Grad
\mathl{\leq 3}{,} für welches
\mathdisp {f(0)=-1,\, f(-1) =-3,\, f(1) = 7,\, f(2) = 21} { }
gilt.

}
{} {}

\inputaufgabe
{3}
{

Man finde ein \definitionsverweis {Polynom}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f }
{ =} { a+bX+cX^2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a,b,c }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart, dass die folgenden Bedingungen erfüllt werden.
\mathdisp {f({ \mathrm i}) = 1,\, f(1) = 1+{ \mathrm i},\, f(1-2{ \mathrm i}) = -{ \mathrm i}} { . }

}
{} {}

\inputaufgabe
{3}
{

Berechne das Ergebnis, wenn man im \definitionsverweis {Polynom}{}{}
\mathdisp {-X^3+6X^2-6X+27} { }
die Variable $X$ durch die $3\times 3$-\definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mathdisp {\begin{pmatrix} 5 & 3 & 2 \\ 5 & 4 & 1 \\7 & 3 & 0 \end{pmatrix}} { }
ersetzt.

}
{} {}

\inputaufgabe
{3}
{

Es sei \maabbdisp {f} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {Endomorphismus}{}{} auf einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$ und \maabbdisp {g} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {Isomorphismus}{}{.} Zeige, dass für jedes \definitionsverweis {Polynom}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g P(f) g^{-1} }
{ =} { P (gfg^{-1}) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}

\inputaufgabe
{4}
{

Wir betrachten die Abbildung \maabbdisp {f} {\N} {\N } {,} die dem Bildungsgesetz aus Aufgabe 20.15 entspricht \zusatzklammer {die natürlichen Zahlen sind dabei als endliche Ziffernfolgen im Zehnersystem zu verstehen} {} {.} \aufzaehlungvier{Ist $f$ wachsend? }{Ist $f$ surjektiv? }{Ist $f$ injektiv? }{Besitzt $f$ einen \definitionsverweis {Fixpunkt}{}{?} }

}
{} {}

\zwischenueberschrift{Die Weihnachtsaufgabe}

\inputaufgabe
{10}
{

Wir betrachten die Abbildung \maabbdisp {f} {\N} {\N } {,} die dem Bildungsgesetz aus Aufgabe 20.15 entspricht. Unter einem
\betonung{Zykel}{} von
\mathl{f}{} der Länge $n$ verstehen wir ein
\mathl{x \in \N}{} derart, dass
\mathl{f^n(x) =x}{} (
\mathl{f^n}{} bezeichnet die
\mathl{n}{-}te Hintereinanderschaltung von
\mathl{f}{} mit sich selbst) und
\mathl{f^{i}(x) \neq x}{} ist für
\mathl{i=1,2 , \ldots , n-1}{.} Besitzt $f$ Zykel der Länge
\mathl{n \geq 2}{?}

}
{(Diese Aufgabe ist gesondert abzugeben, die Deckelregel findet für sie keine Anwendung.)} {}