Kurs:Mathematik für Anwender (Osnabrück 2023-2024)/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.
}
{} {}