Kurs:Mathematik für Anwender (Osnabrück 2020-2021)/Teil I/Arbeitsblatt 27/latex

\setcounter{section}{27}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Eigenvektoren}{}{} der Funktion \maabbele {} {\R} { \R } {x} { \pi x } {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Überprüfe, ob der Vektor
\mathl{\begin{pmatrix} 3 \\1\\ -1 \end{pmatrix}}{} ein \definitionsverweis {Eigenvektor}{}{} zur Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} -2 & -5 & 1 \\ 0 & -2 & 2 \\4 & -3 & 5 \end{pmatrix}} { }
ist und bestimme, falls ein Eigenvektor vorliegt, den zugehörigen \definitionsverweis {Eigenwert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Eigenvektoren}{}{} und die \definitionsverweis {Eigenwerte}{}{} zu einer \definitionsverweis {linearen Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {\R^2} {\R^2 } {,} die durch eine Matrix der Form
\mathl{\begin{pmatrix} a & b \\ 0 & d \end{pmatrix}}{} gegeben ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der erste \definitionsverweis {Standardvektor}{}{} ein Eigenvektor zu einer jeden \definitionsverweis {oberen Dreiecksmatrix}{}{} ist. Was ist der \definitionsverweis {Eigenwert}{}{?}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} {\begin{pmatrix} d_1 & \ast & \cdots & \cdots & \ast \\ 0 & d_2 & \ast & \cdots & \ast \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ 0 & \cdots & 0 & d_{ n-1} & \ast \\ 0 & \cdots & \cdots & 0 & d_{ n } \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {obere Dreiecksmatrix}{}{.} Zeige, dass ein \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} zu $M$ ein Diagonaleintrag von $M$ sein muss.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme die Eigenwerte, Eigenvektoren und Eigenräume zu einer \definitionsverweis {ebenen Drehung}{}{}
\mathl{\begin{pmatrix} \operatorname{cos} \, \alpha & - \operatorname{sin} \, \alpha \\ \operatorname{sin} \, \alpha & \operatorname{cos} \,\alpha \end{pmatrix}}{} zu einem Drehwinkel
\mathbed {\alpha} {}
{0 \leq \alpha <2 \pi} {}
{} {} {} {,} über $\R$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass jede \definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ M }
{ \in }{ \operatorname{Mat}_{ 2 } ({\mathbb C}) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mindestens einen \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \maabbdisp {\varphi, \psi} {V} {V } {} \definitionsverweis {Endomorphismen}{}{} auf einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$ und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Eigenvektor}{}{} von $\varphi$ und von $\psi$. Zeige, dass $v$ auch ein Eigenvektor von $\varphi \circ \psi$ ist. Was ist der Eigenwert?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {\varphi} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {Isomorphismus}{}{} auf einem $K$-\definitionsverweis {Vektor\-raum}{}{} $V$ mit der \definitionsverweis {Umkehrabbildung}{}{} $\varphi^{-1}$. Zeige, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} genau dann ein \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} von $\varphi$ ist, wenn
\mathl{a^{-1}}{} ein Eigenwert von
\mathl{\varphi^{-1}}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel für eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {\R^2} {\R^2 } {} derart, dass $\varphi$ keine \definitionsverweis {Eigenwerte}{}{} besitzt, dass aber eine gewisse \definitionsverweis {Potenz}{}{}
\mathbed {\varphi^n} {}
{n \geq 2} {}
{} {} {} {,} Eigenwerte besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,} $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^n }
{ =} { \operatorname{Id}_{ V } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für ein gewisses
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{\zusatzfussnote {Der Wert
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ n }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist hier erlaubt, aber aussagelos} {.} {.}} Zeige, dass jeder \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} $\lambda$ von $\varphi$ die Eigenschaft
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda^n }
{ = }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,} $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} von $\varphi$ und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Polynom}{}{.} Zeige, dass $P(\lambda)$ ein Eigenwert von\zusatzfussnote {Der Ausdruck \mathlk{P(\varphi)}{} bedeutet, dass man die lineare Abbildung $\varphi$ in das Polynom $P$ einsetzt. Dabei muss man $X^n$ als $\varphi^n$, also als die $n$-fache Hintereinanderschaltung von $\varphi$ mit sich selbst, interpretieren, die Addition wird zur Addition von linearen Abbildungen, u.s.w} {.} {} $P(\varphi)$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $M$ eine quadratische Matrix, die man als \definitionsverweis {Blockmatrix}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} {\begin{pmatrix} A & 0 \\ 0 & B \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit quadratischen Matrizen \mathkor {} {A} {und} {B} {} schreiben kann. Zeige, dass eine Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\lambda }
{ \in }{K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} genau dann ein \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} von $M$ ist, wenn $\lambda$ ein Eigenwert von $A$ oder von $B$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,} $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige folgende Aussagen. \aufzaehlungdrei{Der \definitionsverweis {Eigenraum}{}{}
\mathdisp {\operatorname{Eig}_{ \lambda } { \left( \varphi \right) }} { }
ist ein \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{} von $V$. }{$\lambda$ ist genau dann ein \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} zu $\varphi$, wenn der Eigenraum $\operatorname{Eig}_{ \lambda } { \left( \varphi \right) }$ nicht der \definitionsverweis {Nullraum}{}{} ist. }{Ein Vektor
\mathl{v \in V, \, v \neq 0}{,} ist genau dann ein \definitionsverweis {Eigenvektor}{}{} zu $\lambda$, wenn $v \in \operatorname{Eig}_{ \lambda } { \left( \varphi \right) }$ ist. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es bezeichne
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{V }
{ = }{ \R[X]_{\leq d} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Menge aller reellen Polynome vom Grad $\leq d$. Bestimme die Eigenwerte, Eigenvektoren und Eigenräume zum Ableitungsoperator \maabbeledisp {} {V} {V } {P} {P' } {.}

}
{} {}

Der Begriff des Eigenvektors ist auch für unendlichdimensionale Vektorräume definiert und wichtig, wie die folgende Aufgabe zeigt.


\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ der reelle Vektorraum, der aus allen unendlich oft differenzierbaren Funktionen von $\R$ nach $\R$ besteht.

a) Zeige, dass die Ableitung
\mathl{f \mapsto f'}{} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} von $V$ nach $V$ ist.


b) Bestimme die \definitionsverweis {Eigenwerte}{}{} der Ableitung und zu jedem Eigenwert mindestens einen \definitionsverweis {Eigenvektor}{}{\zusatzfussnote {In diesem Zusammenhang spricht man auch von \stichwort {Eigenfunktionen} {}} {.} {.}}


c) Bestimme zu jeder reellen Zahl die \definitionsverweis {Eigenräume}{}{} und deren \definitionsverweis {Dimension}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,} $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.} Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{kern} \varphi }
{ =} { \operatorname{Eig}_{ 0 } { \left( \varphi \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,} $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U }
{ =} {\operatorname{Eig}_{ \lambda } { \left( \varphi \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} der zugehörige \definitionsverweis {Eigenraum}{}{.} Zeige, dass sich $\varphi$ zu einer linearen Abbildung \maabbeledisp {\varphi {{|}}_U} {U} {U } {v} {\varphi(v) } {,} einschränken lässt, und dass diese Abbildung die \definitionsverweis {Streckung}{}{} um den Stre\-ckungsfaktor $\lambda$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,} $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} und seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda_1 }
{ \neq }{ \lambda_2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} Elemente in $K$. Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Eig}_{ \lambda_1 } { \left( \varphi \right) } \cap \operatorname{Eig}_{ \lambda_2 } { \left( \varphi \right) } }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

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}{}{.} Zeige, dass es maximal
\mathl{\dim_{ K } { \left( V \right) }}{} viele \definitionsverweis {Eigenwerte}{}{} zu $\varphi$ gibt.

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{1}
{

Überprüfe, ob der Vektor
\mathl{\begin{pmatrix} 6 \\-5\\ 8 \end{pmatrix}}{} ein \definitionsverweis {Eigenvektor}{}{} zur Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} -8 & 0 & -1 \\ 2 & 4 & -5 \\-3 & 7 & 2 \end{pmatrix}} { }
ist und bestimme, falls ein Eigenvektor vorliegt, den zugehörigen \definitionsverweis {Eigenwert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{1}
{

Überprüfe, ob der Vektor
\mathl{\begin{pmatrix} 7 \\2\\ 3 \end{pmatrix}}{} ein \definitionsverweis {Eigenvektor}{}{} zur Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 2 & -4 & -9 \\ -2 & 7 & -2 \\-1 & -1 & 0 \end{pmatrix}} { }
ist und bestimme, falls ein Eigenvektor vorliegt, den zugehörigen \definitionsverweis {Eigenwert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{4 (1+3)}
{

Das Nachtleben im Dorf Kleineisenstein besteht aus folgenden Möglichkeiten: dem Bett \zusatzklammer {bzw. zuhause} {} {,} der Kneipe \anfuehrung{Nachteule}{} und dem Tanzclub \anfuehrung{Pirouette}{.} In der Nacht kann man innerhalb einer Stunde folgende Bewegungen beobachten:

a) Von den Leuten im Bett gehen $1/10$ in die Nachteule, $1/12$ gehen in die Pirouette und der Rest bleibt im Bett.


b) Von den Leuten in der Nachteule gehen $1/3$ in die Pirouette, $1/5$ gehen ins Bett und der Rest bleibt in der Nachteule.


c) Von den Leuten in der Pirouette bleiben $3/5$ in die Pirouette, $8$ Prozent gehen in die Nachteule, der Rest geht ins Bett. \aufzaehlungzwei {Erstelle eine Matrix, die die Bewegungen innerhalb einer Stunde beschreibt. } {Kleineisenstein hat $500$ Einwohner. Bei welcher Verteilung der Einwohner auf die drei Möglichkeiten ändert sich die Verteilung innerhalb einer Stunde nicht? }

}
{} {}






\bild{ \begin{center}
\includegraphics[width=5.5cm]{\bildeinlesung {Homothety_in_two_dim.svg} }
\end{center}
\bildtext {} }

\bildlizenz { Homothety in two dim.svg } {} {Lantonov} {Commons} {CC-by-sa 3.0} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,} $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.} Zeige, dass $\varphi$ genau dann eine \definitionsverweis {Streckung}{}{} ist, wenn jeder Vektor $v \in V, \, v \neq 0,$ ein \definitionsverweis {Eigenvektor}{}{} von $\varphi$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Betrachte die Matrix
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} {\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ -1 & 1 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass $M$ als reelle Matrix keine \definitionsverweis {Eigenwerte}{}{} besitzt. Bestimme die Eigenwerte und die \definitionsverweis {Eigenräume}{}{} von $M$ als \definitionsverweis {komplexer}{}{} Matrix.

}
{} {}




\inputaufgabe
{6}
{

Betrachte die \definitionsverweis {reellen}{}{} \definitionsverweis {Matrizen}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} }
{ \in} { \operatorname{Mat}_{ 2 } (\R) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Man charakterisiere in Abhängigkeit von $a,b,c,d$, wann eine solche Matrix \aufzaehlungvier{zwei verschiedene \definitionsverweis {Eigenwerte}{}{,} }{einen Eigenwert mit einem zweidimensionalen \definitionsverweis {Eigenraum}{}{,} }{einen Eigenwert mit einem eindimensionalen \definitionsverweis {Eigenraum}{}{,} }{keinen Eigenwert, } besitzt.

}
{} {}