Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2015-2016)/Teil I/Arbeitsblatt 4

Die Pausenaufgabe

Aufgabe

Löse das lineare Gleichungssystem

$2x+3y=7{\text{ und }}5x+4y=3.$

Übungsaufgaben

Aufgabe

Löse die lineare Gleichung

${}3x=5\,$

für die folgenden Körper ${}K$:

a) ${}K=\mathbb {Q}$,

b) ${}K=\mathbb {R}$,

c) ${}K=\{0,1\}$, der Körper mit zwei Elementen aus Beispiel *****,

d) ${}K=\{0,1,2,3,4,5,6\}$, der Körper mit sieben Elementen aus Beispiel *****.

Der Körper der komplexen Zahlen wird in der Analysis eingeführt. Eine komplexe Zahl hat die Form ${}a+bi$ mit reellen Zahlen ${}a,b$. Bei der Multiplikation rechnet man ${}i\cdot i=-1$. Die inverse komplexe Zahl zu ${}a+bi\neq 0$ ist ${}{\frac {a}{a^{2}+b^{2}}}-{\frac {b}{a^{2}+b^{2}}}i$.

Aufgabe *

Löse die lineare Gleichung

${}(2+5{\mathrm {i} })z=(3-7{\mathrm {i} })\,$

über ${}{\mathbb {C} }$ und berechne den Betrag der Lösung.

Aufgabe *

Zwei Personen, ${}A$ und ${}B$, liegen unter einer Palme, ${}A$ besitzt ${}2$ Fladenbrote und ${}B$ besitzt ${}3$ Fladenbrote. Eine dritte Person ${}C$ kommt hinzu, die kein Fladenbrot besitzt, aber ${}5$ Taler. Die drei Personen werden sich einig, für die ${}5$ Taler die Fladenbrote untereinander gleichmäßig aufzuteilen. Wie viele Taler gibt ${}C$ an ${}A$ und an ${}B$?

Aufgabe

In einer Familie leben ${}M,P,S$ und ${}T$. Dabei ist ${}M$ dreimal so alt wie ${}S$ und ${}T$ zusammen, ${}M$ ist älter als ${}P$ und ${}S$ ist älter als ${}T$, wobei der Altersunterschied von ${}S$ zu ${}T$ doppelt so groß wie der von ${}M$ zu ${}P$ ist. Ferner ist ${}P$ siebenmal so alt wie ${}T$ und die Summe aller Familienmitglieder ist so alt wie die Großmutter väterlicherseits, nämlich ${}83$.

a) Stelle ein lineares Gleichungssystem auf, das die beschriebenen Verhältnisse ausdrückt.

b) Löse dieses Gleichungssystem.

Aufgabe *

Kevin zahlt für einen Winterblumenstrauß mit ${}3$ Schneeglöckchen und ${}4$ Mistelzweigen ${}2{,}50$ € und Jennifer zahlt für einen Strauß aus ${}5$ Schneeglöckchen und ${}2$ Mistelzweigen ${}2{,}30$ €. Wie viel kostet ein Strauß mit einem Schneeglöckchen und ${}11$ Mistelzweigen?

Aufgabe

Wir betrachten eine Uhr mit Stunden- und Minutenzeiger. Es ist jetzt 6 Uhr, sodass die beiden Zeiger direkt gegenüber stehen. Um wie viel Uhr stehen die beiden Zeiger zum nächsten Mal direkt gegenüber?

Aufgabe

Berechne das Matrizenprodukt

${\begin{pmatrix}Z&E&I&L&E\\R&E&I&H&E\\H&O&R&I&Z\\O&N&T&A&L\end{pmatrix}}\cdot {\begin{pmatrix}S&E&I\\P&V&K\\A&E&A\\L&R&A\\T&T&L\end{pmatrix}}.$

Unter dem ${}i$-ten Standardvektor der Länge ${}n$ versteht man den Vektor, der an der ${}i$-ten Stelle eine ${}1$ und sonst nur Nullen stehen hat.

Aufgabe

Bestimme das Matrizenprodukt

$e_{i}\circ e_{j},$

wobei links der ${}i$-te Standardvektor (der Länge ${}n$) als Zeilenvektor und rechts der ${}j$-te Standardvektor (ebenfalls der Länge ${}n$) als Spaltenvektor aufgefasst wird.

Aufgabe

Es sei ${}M$ eine ${}m\times n$-Matrix. Zeige, dass das Matrizenprodukt ${}Me_{j}$ mit dem ${}j$-ten Standardvektor (als Spaltenvektor aufgefasst) die ${}j$-te Spalte von ${}M$ ergibt. Was ist ${}e_{i}M$, wobei ${}e_{i}$ der ${}i$-te Standardvektor (als Zeilenvektor aufgefasst) ist?

Aufgabe *

Berechne über den komplexen Zahlen das Matrizenprodukt

${\begin{pmatrix}2-{\mathrm {i} }&-1-3{\mathrm {i} }&-1\\{\mathrm {i} }&0&4-2{\mathrm {i} }\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}1+{\mathrm {i} }\\1-{\mathrm {i} }\\2+5{\mathrm {i} }\end{pmatrix}}.$

Aufgabe

Berechne das Matrizenprodukt

${\begin{pmatrix}2+{\mathrm {i} }&1-{\frac {1}{2}}{\mathrm {i} }&4{\mathrm {i} }\\-5+7{\mathrm {i} }&{\sqrt {2}}+{\mathrm {i} }&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}-5+4{\mathrm {i} }&3-2{\mathrm {i} }\\{\sqrt {2}}-{\mathrm {i} }&e+\pi {\mathrm {i} }\\1&-{\mathrm {i} }\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}1+{\mathrm {i} }\\2-3{\mathrm {i} }\end{pmatrix}}$

gemäß den beiden möglichen Klammerungen.

Zu einer Matrix ${}M$ bezeichnet man mit ${}M^{n}$ die ${}n$-fache Verknüpfung (Matrizenmultiplikation) mit sich selbst. Man spricht dann auch von ${}n$-ten Potenzen der Matrix.

Aufgabe

Berechne zur Matrix

${}M={\begin{pmatrix}2&4&6\\1&3&5\\0&1&2\end{pmatrix}}\,$

die Potenzen

$M^{i},\,i=1,\ldots ,4.$

Aufgabe

Es sei

${}D={\begin{pmatrix}d_{11}&0&\cdots &\cdots &0\\0&d_{22}&0&\cdots &0\\\vdots &\ddots &\ddots &\ddots &\vdots \\0&\cdots &0&d_{n-1\,n-1}&0\\0&\cdots &\cdots &0&d_{nn}\end{pmatrix}}\,$

eine Diagonalmatrix und ${}M$ eine ${}n\times n$-Matrix. Beschreibe ${}DM$ und ${}MD$.

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein Körper und ${}m,n,p\in \mathbb {N}$. Zeige, dass das Transponieren von Matrizen folgende Eigenschaften besitzt (dabei seien ${}A,B\in \operatorname {Mat} _{m\times n}(K)$, ${}C\in \operatorname {Mat} _{n\times p}(K)$ und ${}s\in K$).

1. ${}{({A^{\text{tr}}})^{\text{tr}}}=A$.
2. ${}{(A+B)^{\text{tr}}}={A^{\text{tr}}}+{B^{\text{tr}}}$.
3. ${}{(sA)^{\text{tr}}}=s\cdot {A^{\text{tr}}}$.
4. ${}{(A\circ C)^{\text{tr}}}={C^{\text{tr}}}\circ {A^{\text{tr}}}$.

Aufgaben zum Abgeben

Aufgabe (3 Punkte)

Löse das lineare Gleichungssystem

${}{\begin{pmatrix}3&4\\2&6\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}5\\1\end{pmatrix}}\,$

über dem Körper ${}K=\{0,1,2,3,4,5,6\}$ aus Beispiel 3.9.

Aufgabe (3 Punkte)

Berechne über den komplexen Zahlen das Matrizenprodukt

${\begin{pmatrix}3-2{\mathrm {i} }&1+5{\mathrm {i} }&0\\7{\mathrm {i} }&2+{\mathrm {i} }&4-{\mathrm {i} }\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}1-2{\mathrm {i} }&-{\mathrm {i} }\\3-4{\mathrm {i} }&2+3{\mathrm {i} }\\5-7{\mathrm {i} }&2-{\mathrm {i} }\end{pmatrix}}.$

Aufgabe (3 Punkte)

Wir betrachten die Matrix

${}M={\begin{pmatrix}0&a&b&c\\0&0&d&e\\0&0&0&f\\0&0&0&0\end{pmatrix}}\,$

über einem Körper ${}K$. Zeige, dass die vierte Potenz von ${}M$ gleich ${}0$ ist, also

${}M^{4}=MMMM=0\,.$

Für die folgende Aussage wird sich bald ein einfacher Beweis über die Beziehung zwischen Matrizen und linearen Abbildungen ergeben.

Aufgabe (4 Punkte)

Zeige, dass die Matrizenmultiplikation assoziativ ist. Genauer: Es sei ${}K$ ein Körper und es sei ${}A$ eine ${}m\times n$-Matrix, ${}B$ eine ${}n\times p$-Matrix und ${}C$ eine ${}p\times r$-Matrix über ${}K$. Zeige, dass ${}(AB)C=A(BC)$ ist.

Aufgabe (4 Punkte)

Es sei ${}n\in \mathbb {N}$. Finde und beweise eine Formel für die ${}n$-te Potenz der Matrix

${\begin{pmatrix}a&b\\0&c\end{pmatrix}}.$