Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2015-2016)/Teil I/Vorlesung 15/latex

\setcounter{section}{15}






\zwischenueberschrift{Unterräume und Dualraum}

Untervektorräume eines $K$-Vektorraumes stehen in direkter Beziehung zu Untervektorräumen des \definitionsverweis {Dualraumes}{}{}
\mathl{{ V }^{ * }}{.}




\inputdefinition
{}
{

Zu einem \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U }
{ \subseteq }{V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} nennt man
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ U^{ { \perp } } }
{ =} { { \left\{ f \in { V }^{ * } \mid f(u) = 0 \text{ für alle } u \in U \right\} } }
{ \subseteq} { { V }^{ * } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} den \definitionswort {Orthogonalraum}{} zu $U$.

}

Diese Orthogonalräume sind Untervektorräume von ${ V }^{ * }$, siehe Aufgabe 15.3. Ob eine Linearform $f$ zu
\mathl{U^{ { \perp } }}{} gehört, kann man auf einem \definitionsverweis {Erzeugendensystem}{}{} von $U$ überprüfen, siehe Aufgabe 15.4. Die Eigenschaft
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ U^{ { \perp } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist äquivalent zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ \operatorname{kern} f }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}  Im zweiten Semester, wenn wir Skalarprodukte zur Verfügung haben, wird es auch einen Orthogonalraum zu
\mathl{U \subseteq V}{} in $V$ selbst geben.




\inputbeispiel{}
{

Wir betrachten den \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U }
{ =} { \langle \begin{pmatrix} 8 \\6\\ 5 \end{pmatrix} , \begin{pmatrix} 4 \\7\\ -3 \end{pmatrix} \rangle }
{ \subseteq} { \R^3 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Der \definitionsverweis {Orthogonalraum}{}{} zu $U$ besteht aus allen \definitionsverweis {Linearformen}{}{} \maabbdisp {f} {\R^3} { \R } {} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f \begin{pmatrix} 8 \\6\\ 5 \end{pmatrix} }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f \begin{pmatrix} 4 \\7\\ -3 \end{pmatrix} }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Da eine Linearform bezüglich der Standardbasis durch eine Zeilenmatrix
\mathl{\left( a , \, b , \, c \right)}{} gegeben ist, geht es um die Lösungsmenge des Gleichungssystems
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{8a +6b+5c }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ 4a +7b-3c }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Der Lösungsraum ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ U^{ { \perp } } }
{ =} { { \left\{ s \left( { \frac{ 17 }{ 4 } } , \, 1 , \, -8 \right) \mid s \in K \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


}




\inputbeispiel{}
{

Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit einer \definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathbed {v_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} und \definitionsverweis {Dualbasis}{}{}
\mathbed {v_i^*} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {.} Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U }
{ =} { \langle v_j ,\, j \in J \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} zu einer Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{J }
{ \subseteq }{I }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ U^{ { \perp } } }
{ =} { \langle v_i^* ,\, i \not\in J \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


}




\inputdefinition
{}
{

Es sei $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ \subseteq }{ { V }^{ * } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{} im \definitionsverweis {Dualraum}{}{} ${ V }^{ * }$ zu $V$. Dann nennt man
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F^{ { \perp } } }
{ =} { { \left\{ v \in V \mid f(v) = 0 \text{ für alle } f \in F \right\} } }
{ \subseteq} { V }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} den \definitionswort {Orthogonalraum}{} zu $F$.

}




\inputbeispiel{}
{

Es sei ein homogenes \definitionsverweis {lineares Gleichungssystem}{}{}
\mathdisp {\begin{matrix} a _{ 1 1 } x _1 + a _{ 1 2 } x _2 + \cdots + a _{ 1 n } x _{ n } & = & 0 \\ a _{ 2 1 } x _1 + a _{ 2 2 } x _2 + \cdots + a _{ 2 n } x _{ n } & = & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots \\ a _{ m 1 } x _1 + a _{ m 2 } x _2 + \cdots + a _{ m n } x _{ n } & = & 0 \end{matrix}} { }
über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ gegeben, wobei wir die $i$-te Gleichung als Kernbedingung für die \definitionsverweis {Linearform}{}{} \maabbeledisp {L_i} {K^n} {K } { \left( x_1 , \, \ldots , \, x_n \right) } { \sum_{j = 1}^n a_{ij}x_j } {,} auffassen. Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{F }
{ =} { \langle L_1 , \ldots , L_m \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} der von diesen Linearformen im \definitionsverweis {Dualraum}{}{}
\mathl{{ K^n }^{ * }}{} \definitionsverweis {erzeugte Untervektorraum}{}{.} Dann ist $F^{ { \perp } }$ der Lösungsraum des Gleichungssystems.


}

Generell gilt die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F^{ { \perp } } }
{ =} { \bigcap_{f \in F} \operatorname{kern} f }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Insbesondere ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \langle f \rangle ^{ { \perp } } }
{ =} { \operatorname{kern} f }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}





\inputfaktbeweis
{Untervektorraum/Dualraum/Orthogonaler Raum/Entsprechung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit \definitionsverweis {Dualraum}{}{} ${ V }^{ * }$.}
\faktuebergang {Dann gelten folgende Aussagen.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungvier{Zu Untervektorräumen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U }
{ \subseteq }{U' }
{ \subseteq }{V }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ U^{ { \perp } } }
{ \supseteq} { U'^{ { \perp } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Zu Untervektorräumen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{F }
{ \subseteq }{F' }
{ \subseteq }{ { V }^{ * } }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F^{ { \perp } } }
{ \supseteq} { F'^{ { \perp } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Es sei $V$ \definitionsverweis {endlichdimensional}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \left( U^{ { \perp } } \right)^{ { \perp } } }
{ =} { U }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \left( F^{ { \perp } } \right)^{ { \perp } } }
{ =} { F }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Es sei $V$ \definitionsverweis {endlichdimensional}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \dim_{ K } { \left( U^{ { \perp } } \right) } }
{ =} { \dim_{ K } { \left( V \right) } - \dim_{ K } { \left( U \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \dim_{ K } { \left( F^{ { \perp } } \right) } }
{ =} { \dim_{ K } { \left( V \right) } - \dim_{ K } { \left( F \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

(1) und (2) sind klar. (3). Die Inklusion
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq} { { \left( U^{ { \perp } } \right) } ^{ { \perp } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist auch klar. Sei
\mathbed {v \in V} {}
{v \not\in U} {}
{} {} {} {.} Dann kann man eine \definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathl{u_1 , \ldots , u_r}{} von $U$ zu einer Basis
\mathl{u_1 , \ldots , u_r, v, v_1 , \ldots , v_\ell}{} von $V$ ergänzen. Die Linearform $v^*$ verschwindet auf $U$ und gehört daher zu $U^{ { \perp } }$. Wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{v^*(v) }
{ =} {1 }
{ \neq} {0 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \notin }{ { \left( U^{ { \perp } } \right) } ^{ { \perp } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

Die Inklusion
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F }
{ \subseteq} { \left( F^{ { \perp } } \right)^{ { \perp } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt wieder direkt. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ \left( F^{ { \perp } } \right)^{ { \perp } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F^{ { \perp } } }
{ \subseteq} { \operatorname{kern} f }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es sei
\mathl{f_1 , \ldots , f_m}{} ein \definitionsverweis {Erzeugendensystem}{}{} von $F$. Nach Aufgabe ***** gilt, dass $f$ eine Linearkombination der $f_i$ ist, also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ F }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

(4). Wir beweisen zuerst den zweiten Teil. Es sei
\mathl{f_1 , \ldots , f_r}{} eine Basis von $F$ und es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {K^r } {} die aus diesen Linearformen zusammengesetzte Abbildung. Dabei ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ F^{ { \perp } } }
{ =} { \operatorname{kern} \varphi }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wenn die Abbildung $\varphi$ nicht surjektiv wäre, so wäre
\mathl{\operatorname{bild} \varphi}{} ein echter Untervektorraum von $K^r$ und hätte maximal die Dimension
\mathl{r-1}{.} Es sei $W$ ein
\mathl{(r-1)}{-}dimensionaler Untervektorraum mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{bild} \varphi }
{ \subseteq} { W }
{ \subseteq} { K^r }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Nach Lemma 14.5 gibt es eine von $0$ verschiedene \definitionsverweis {Linearform}{}{} \maabbdisp {g} {K^r} {K } {,} deren Kern genau $W$ ist. Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{g }
{ = }{ \sum_{i= 1}^r a_ip_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wobei $p_i$ die $i$-te Projektion bezeichnet. Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{i= 1}^r a_if_i }
{ =} { g \circ \varphi }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} was der linearen Unabhängigkeit der $f_i$ widerspricht. Also ist $\varphi$ surjektiv ist und die Aussage folgt aus Satz 11.5.

Der erste Teil folgt, indem man
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ = }{ { \left( U^{ { \perp } } \right) } ^{ { \perp } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} verwendet und den zweiten Teil auf
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ F }
{ = }{ U^{ { \perp } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} anwendet.

}


\inputfaktbeweis
{Endlichdimensionaler Vektorraum/Untervektorraum/Kern/Lösungsraum/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{.}}
\faktuebergang {Dann gelten die folgenden Aussagen.}
\faktfolgerung {

a) Es gibt \definitionsverweis {Linearformen}{}{}
\mathl{L_1 , \ldots , L_r}{} auf $V$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U }
{ =} { \bigcap_{i = 1}^r \operatorname{kern} L_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


b)
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist der Kern einer linearen Abbildung auf $V$ in einen $K^r$.


c) Jeder Untervektorraum
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ K^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist der Lösungsraum eines \definitionsverweis {linearen Gleichungssystems}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{ Siehe Aufgabe 15.7. }







\zwischenueberschrift{Die duale Abbildung}




\inputdefinition
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,} \mathkor {} {V} {und} {W} {} seien $K$-\definitionsverweis {Vektorräume}{}{} und \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} sei eine $K$-\definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.} Dann heißt die \definitionsverweis {Abbildung}{}{} \maabbeledisp {\varphi^*} { \operatorname{Hom}_{ K } { \left( W , K \right) } = { W }^{ * } } { \operatorname{Hom}_{ K } { \left( V , K \right) } = { V }^{ * } } {f} {f \circ \varphi } {,} die \definitionswort {duale Abbildung}{} zu $\varphi$.

}

Diese Zuordnung beruht also einfach darauf, dass man die Hintereinanderschaltung
\mathdisp {V \stackrel{\varphi}{\longrightarrow} W \stackrel{f}{\longrightarrow} K} { }
betrachtet. Die duale Abbildung ist ein Spezialfall von der in Lemma 13.8  (1) beschriebenen Situation. Insbesondere ist die duale Abbildung wieder linear.





\inputfaktbeweis
{Lineare Abbildung/Duale Abbildung/Funktorielle Eigenschaften/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es seien
\mathl{U,V,W}{} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ und es seien \maabbdisp {\psi} {U} {V } {} und \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} \definitionsverweis {lineare Abbildungen}{}{.}}
\faktuebergang {Dann gelten folgende Aussagen.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungvier{Für die \definitionsverweis {duale Abbildung}{}{} gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( \varphi \circ \psi \right) }^* }
{ =} { \psi^* \circ \varphi^* }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Für die Identität auf $V$ ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \operatorname{Id}_{ V } }^{ * } }
{ =} { \operatorname{Id}_{ { V }^{ * } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Wenn $\psi$ \definitionsverweis {surjektiv}{}{} ist, so ist $\psi^*$ \definitionsverweis {injektiv}{}{.} }{Wenn $\psi$ \definitionsverweis {injektiv}{}{} ist, so ist $\psi^*$ \definitionsverweis {surjektiv}{}{.} }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

\aufzaehlungvier{Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ { W }^{ * } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( \varphi \circ \psi \right) }^* (f) }
{ =} { f \circ { \left( \varphi \circ \psi \right) } }
{ =} { { \left( f \circ \varphi \right) } \circ \psi }
{ =} { \varphi^*(f) \circ \psi }
{ =} { \psi^*( \varphi^*(f) ) }
} {}{}{.} }{Dies folgt direkt aus
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f \circ \operatorname{Id}_{ V } }
{ = }{ f }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ { V }^{ * } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \psi^*(f) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wegen der Surjektivität von $\psi$ gibt es für jedes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ u }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\psi (u) }
{ = }{v }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Daher ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f(v) }
{ =} { f ( \psi (u)) }
{ =} { (\psi^*(f)) (u) }
{ =} { 0 }
{ } { }
} {}{}{} und $f$ ist selbst die Nullabbildung. Nach Lemma 11.3 ist $\psi^*$ injektiv. }{Die Voraussetzung bedeutet, dass man
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} als \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{} auffassen kann. Man kann daher nach Lemma 9.12
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V }
{ =} { U \oplus U' }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit einem weiteren $K$-Untervektorraum
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U' }
{ \subseteq }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} schreiben. Eine Linearform \maabbdisp {g} {U} {K } {} lässt sich zu einer Linearform \maabbdisp {\tilde{g}} {V} {K } {} fortsetzen, indem man beispielsweise $\tilde{g}$ auf $U'$ als die Nullform ansetzt. Dies bedeutet die Surjektivität. }

}





\inputfaktbeweis
{Lineare Abbildung/Nach endlichdimensional/Darstellung mit Linearformen/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und seien \mathkor {} {V} {und} {W} {} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} über $K$, wobei $W$ \definitionsverweis {endlichdimensional}{}{} sei. Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es Vektoren
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ w_1 , \ldots , w_n }
{ \in }{ W }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und \definitionsverweis {Linearformen}{}{}
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} auf $V$ mit\zusatzfussnote {Die
\mathl{fw}{} sind im Sinne von Bemerkung 14.3 zu verstehen} {.} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi }
{ =} { f_1w_1 +f_2w_2 + \cdots + f_nw_n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mathl{w_1 , \ldots , w_n}{} eine \definitionsverweis {Basis}{}{} von $W$ und
\mathl{w_1^* , \ldots , w_n^*}{} die zugehörige \definitionsverweis {Dualbasis}{}{.} Wir setzen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f_i }
{ =} {\varphi^*(w_i^*) }
{ =} { w_i^* \circ \varphi }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dann ist für jeden Vektor
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ { \left( \sum_{i =1 }^n f_i w_i \right) } (v) }
{ =} { \sum_{i =1 }^n f_i (v) w_i }
{ =} { \sum_{i =1 }^n { \left( w_i^* \circ \varphi \right) } (v) w_i }
{ =} { \sum_{i =1 }^n w_i^* ( \varphi (v)) w_i }
{ =} { \varphi(v) }
} {} {}{,} wobei die letzte Gleichung auf Lemma 14.12 beruht.

}





\inputfaktbeweis
{Duale Abbildung/Duale Basis/Matrix/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {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.}
\faktfolgerung {Dann wird die \definitionsverweis {duale Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi^*} { { W }^{ * } } { { V }^{ * } } {} bezüglich der Dualbasen von \mathkor {} {{ W }^{ * }} {bzw.} {{ V }^{ * }} {} durch die \definitionsverweis {transponierte Matrix}{}{}
\mathl{{ { \left( M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }(\varphi) \right) } ^{ \text{tr} } }}{} beschrieben.}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Die Behauptung bedeutet die Gleichheit\zusatzfussnote {In $W$ gelten die Beziehungen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \varphi(v_k) }
{ = }{ \sum_{r = 1}^m a_{rk} w_r }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} dort steht der Laufindex also vorne; bei der behaupteten Gleichung steht der Laufindex hinten, was dem Transponieren entspricht} {.} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi^*(w_j^*) }
{ =} { \sum_{i = 1}^n a_{ji} v_i^* }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} in ${ V }^{ * }$. Dies kann man auf der Basis
\mathbed {v_k} {}
{k=1 , \ldots , n} {}
{} {} {} {,} überprüfen. Es ist einerseits
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ { \left( \varphi^* (w_j^*) \right) } (v_k) }
{ =} { w_j^* { \left( \varphi (v_k) \right) } }
{ =} { w_j^* { \left( \sum _{r = 1}^m a_{rk} w_r \right) } }
{ =} { \sum _{r = 1}^m a_{rk} w_j^* (w_r ) }
{ =} { a_{j k} }
} {} {}{} und andererseits ebenso
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( \sum_{i = 1}^n a_{ji} v_i^* \right) } (v_k) }
{ =} { a_{jk} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}







\zwischenueberschrift{Das Bidual}




\inputdefinition
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Dann nennt man den \definitionsverweis {Dualraum}{}{} des Dualraums ${ V }^{ * }$, also
\mathdisp {{ ({ V }^{ * }) }^{ * }} { }
das \definitionswort {Bidual}{} von $V$.

}





\inputfaktbeweis
{Vektorraum/Bidual/Natürliche Abbildung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es eine natürliche \definitionsverweis {injektive}{}{} \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbeledisp {\Psi} {V} { { ({ V }^{ * }) }^{ * } } {v} { { \left( f \mapsto f(v) \right) } } {.} Wenn $V$ \definitionsverweis {endlichdimensional}{}{} ist, so ist $\Psi$ ein \definitionsverweis {Isomorphismus}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} fixiert. Zuerst ist zu zeigen, dass
\mathl{\Psi(v)}{} eine Linearform auf dem Dualraum ${ V }^{ * }$ ist. Offenbar ist
\mathl{\Psi(v)}{} eine Abbildung von ${ V }^{ * }$ nach $K$. Die Additivität ergibt sich aus
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{( \Psi(v))(f_1+f_2) }
{ =} { (f_1+f_2) (v) }
{ =} { f_1(v) +f_2(v) }
{ =} { ( \Psi(v))(f_1) + ( \Psi(v))(f_2) }
{ } { }
} {}{}{,} wobei wir die Definition der Addition auf dem Dualraum verwendet haben. Die Verträglichkeit mit der Skalarmultiplikation ergibt sich entsprechend mittels
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{( \Psi(v))(s f ) }
{ =} { (s f ) (v) }
{ =} { s ( f(v)) }
{ =} { s ( ( \Psi(v))(f) ) }
{ } { }
} {}{}{.}

Zum Beweis der Additivität der Gesamtabbildung seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v,w }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es ist die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Psi (v+w) }
{ =} { \Psi(v) + \Psi(w) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} zu zeigen. Da dies eine Gleichheit in
\mathl{{ { \left( { V }^{ * } \right) } }^{ * }}{} ist, also insbesondere eine Gleichheit von Abbildungen, sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ { V }^{ * } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} beliebig. Dann folgt die Additivität aus
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ ( \Psi (v+w) )(f) }
{ =} { f(v+w) }
{ =} { f(v) +f(w) }
{ =} { ( \Psi (v) )(f) + ( \Psi (w) )(f) }
{ } { }
} {}{}{.} Entsprechend ergibt sich die skalare Verträglichkeit aus
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ ( \Psi (s v) )(f) }
{ =} { f(s v) }
{ =} { s (f(v)) }
{ =} { s ( ( \Psi (v) )(f) ) }
{ } { }
} {}{}{.}

Zum Nachweis der Injektivität sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\Psi(v) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gegeben. D.h. für alle Linearformen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ { V }^{ * } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f(v) }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist aber nach Lemma 14.6 schon
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{v }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und nach dem Injektivitätskriterium ist $\Psi$ injektiv.

Im endlichdimensionalen Fall folgt die Bijektivität aus der Injektivität und aus Korollar 13.12.

}


Die Abbildung $\Psi$ bildet also einen Vektor $v$ auf die \stichwort {Auswertung} {} \zusatzklammer {oder \stichwort {Auswertungsabbildung} {}} {} {} ab, die eine Linearform $f$ an der Stelle $v$ auswertet.