Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Ähnliche Dokumente
Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG. Serie 6

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG. Serie 4

Lineare Algebra für D-ITET, D-MATL, RW. Beispiellösung für Serie 6. Aufgabe 6.1. Dr. V. Gradinaru K. Imeri. Herbstsemester 2018.

D-MATH Lineare Algebra und Numerische Mathematik HS 2013 Prof. R. Hiptmair. Serie 9

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Lineare Algebra für D-ITET, D-MATL, RW. Beispiellösung für Serie 8. Aufgabe 8.1. Dr. V. Gradinaru T. Welti. Herbstsemester 2017.

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Serie 5. ETH Zürich - D-MAVT Lineare Algebra II. Prof. Norbert Hungerbühler

Lösungen zur Prüfung Lineare Algebra I/II für D-MAVT

K. Eppler, Inst. f. Num. Mathematik Übungsaufgaben. 11. Übung: Woche vom

Teil I. Lineare Algebra I Vorlesung Sommersemester Olga Holtz. MA 378 Sprechstunde Fr und n.v.

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG

Vektorräume und Lineare Abbildungen

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN. Basisdarstellung und das Skalarprodukt (Teil 2)

Lösungen Serie 5. D-MAVT Lineare Algebra II FS 2018 Prof. Dr. N. Hungerbühler

Mathematik für Naturwissenschaftler II SS 2010

Blatt 10 Lösungshinweise

$Id: linabb.tex,v /01/09 13:27:34 hk Exp hk $

Lineare Algebra II 8. Übungsblatt

Musterlösung Serie 8

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG. Winter 2016 Typ B

32 2 Lineare Algebra

Ausgewählte Lösungen zu den Übungsblättern 4-5

= 9 10 k = 10

Lösung zu Serie [Aufgabe] Zeige: Das folgende Diagramm kommutiert insgesamt genau dann, wenn alle 6 Teilquadrate kommutieren.

3. Übungsblatt zur Lineare Algebra I für Physiker

Lösung 5: Gram-Schmidt Orthogonalisierung, adjungierte Abbildungen

Vektorräume. Stefan Ruzika. 24. April Mathematisches Institut Universität Koblenz-Landau Campus Koblenz

Lineare Algebra. Mathematik II für Chemiker. Daniel Gerth

Serie 11: Lineare Gleichungssysteme, Gauss-Elimination & LR-Zerlegung

3 Lineare Algebra (Teil 1): Lineare Unabhängigkeit

2. Dezember Lineare Algebra II. Christian Ebert & Fritz Hamm. Skalarprodukt, Norm, Metrik. Matrizen. Lineare Abbildungen

Klausur (Modulprüfung) zum Lehrerweiterbildungskurs Lineare Algebra/Analytische Geometrie I WiSe 2015/16

Lineare Algebra für D-ITET, D-MATL, RW. Beispiellösung für Serie 10. Aufgabe ETH Zürich D-MATH. Herbstsemester Dr. V. Gradinaru D.

Serie 8: Fakultativer Online-Test

Brückenkurs Mathematik. Mittwoch Freitag

9.2 Invertierbare Matrizen

Lösung Serie 11: Lineare Gleichungssysteme, Gauss-Elimination & LR-Zerlegung

Lösungen zu Prüfung Lineare Algebra I/II für D-MAVT

Lineare Algebra für D-ITET, D-MATL, RW. Serie 10. Aufgabe ETH Zürich D-MATH. Herbstsemester Dr. V. Gradinaru T. Welti

LINEARE ALGEBRA II. FÜR PHYSIKER

AUFGABENSAMMLUNG ZU VEKTORRECHNUNG FÜR USW

1 Lineare Unabhängigkeit Äquivalente Definition Geometrische Interpretation Vektorräume und Basen 6

1 Transponieren, Diagonal- und Dreiecksmatrizen

Lösung zu Serie Zeige, dass das Minimalpolynom jedes Jordanblocks gleich seinem charakteristischen

10.2 Linearkombinationen

Lineare Algebra. 1 Lineare Abbildungen

Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG. Serie 13

Lineare Algebra für D-ITET, D-MATL, RW. Beispiellösung für Serie 7. Aufgabe 7.1. ETH Zürich D-MATH. Dr. V. Gradinaru K. Imeri. Herbstsemester 2018

Übungen zum Ferienkurs Lineare Algebra 2015/2016: Lösungen

Kapitel 13. Lineare Gleichungssysteme und Basen

1 Eigenschaften von Abbildungen

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

Serie 8: Online-Test

8.2 Invertierbare Matrizen

Nachklausur (Modulprüfung) zum Lehrerweiterbildungskurs 6 Lineare Algebra/Analytische Geometrie I WiSe 2016/17

Inhalt. Mathematik für Chemiker II Lineare Algebra. Vorlesung im Sommersemester Kurt Frischmuth. Rostock, April Juli 2015

a 11 a 12 a 1(m 1) a 1m a n1 a n2 a n(m 1) a nm Matrizen Betrachten wir das nachfolgende Rechteckschema:

Serie 11: Lineare Gleichungssysteme, Gauss-Elimination & LR-Zerlegung

BC 1.2 Mathematik WS 2016/17. BC 1.2 Mathematik Zusammenfassung Kapitel II: Vektoralgebra und lineare Algebra. b 2

Lineare Algebra I Lösungsvorschlag

Klausurenkurs zum Staatsexamen (WS 2016/17): Lineare Algebra und analytische Geometrie 7

Wiederholungs-Modulprüfung: zum Lehrerweiterbildungskurs Lineare Algebra/Analytische Geometrie I WiSe 2015/16 1.Klausur

Affine Hülle. x x 1 ist lineare Kombination der Vektoren x 2 x 1,x 3 x 1,...,x k x 1. Tatsächlich, in diesem Fall ist λ 1 = 1 λ 2 λ 3...

Lösbarkeit linearer Gleichungssysteme

Für die Matrikelnummer M = Dann sind durch A =

1. Übungsblatt: Lineare Algebra I Abgabe: 1. November 2001 in den Übungsgruppen

7.3 Unitäre Operatoren

Satz 7. A sei eine Teilmenge des nichttrivialen Vektorraums (V,+, ). Dann sind die folgende Aussagen äquivalent.

Mathematik für Informatiker 1 Wintersemester 2013/14 Übungsblatt 12

Die wichtigste Klasse von Funktionen zwischen Vektorräumen sind die linearen Abbildungen.

5.4 Basis, Lineare Abhängigkeit

Probeklausur zu Mathematik 2 für Informatik

Hauptachsentransformation: Eigenwerte und Eigenvektoren

, v 3 = und v 4 =, v 2 = V 1 = { c v 1 c R }.

bzw. eine obere Dreiecksmatrix die Gestalt (U: upper)

37 Gauß-Algorithmus und lineare Gleichungssysteme

Kapitel 17 Skalar- und Vektorprodukt

Kapitel 3. Vektorräume. Josef Leydold Mathematik für VW WS 2017/18 3 Vektorräume 1 / 41. : x i R, 1 i n x n

Kapitel 3. Vektorräume. Josef Leydold Mathematik für VW WS 2017/18 3 Vektorräume 1 / 41

Lineare Algebra für Ingenieure

Lösung 13: Unitäre Vektorräume und normale Abbildungen

Technische Universität München Zentrum Mathematik. Übungsblatt 12

Unterlagen zur Vorlesung Algebra und Geometrie in der Schule: Grundwissen über Affine Geometrie. Sommersemester Franz Pauer

Klausurvorbereitungsblatt Lineare Algebra

Lineare Algebra und analytische Geometrie I (Unterrichtsfach) Lösungsvorschlag

Kapitel 14. Geometrie Eine kurze Einführung in die affine Geometrie

Mathematik II für Studierende der Informatik (Analysis und lineare Algebra) im Sommersemester 2018

7. Wie lautet die Inverse der Verkettung zweier linearer Abbildungen? 9. Wie kann die Matrixdarstellung einer linearen Abbildung aufgestellt werden?

Grundbildung Lineare Algebra und Analytische Geometrie (LPSI/LS-M2) SoSe C. Curilla/ B. Janssens

Eigenwerte und Diagonalisierung

Lineare Algebra I (NAWI) WS2017/2018 Übungsblatt

Transkript:

R. Hiptmair S. Pintarelli E. Spindler Herbstsemester 014 Lineare Algebra und Numerische Mathematik für D-BAUG ETH Zürich D-MATH Beispiellösung für Serie 9 Einleitung. Diese Serie nimmt in den ersten Aufgabe noch Themen aus [LANM, Kapitel ] auf. Die Mehrheit der Aufgaben beschäftigt sich dann mit abstrakter analytischer Geometrie, behandelt in [LANM, Abschnitt 4.1], [LANM, Abschnitt 4.] und [LANM, Abschnitt 4.]. Bitte warten Sie mit der Bearbeitung von Aufgabe 9.5 bis [LANM, Abschnitt 4..5] in der Vorlesung behandelt worden ist. Aufgabe 9.1 Unterräume von Matrizen Wie wir in Aufgabe 7.6 bereits gesehen haben, lassen sich Mengen von speziellen Matrizen als Unterräume indentifizieren, siehe [LANM, Definition III.1.0.C]. Diese Aufgabe wiederholt die Fragestellung von Aufgabe 7.6. Zusätzlich sollen Sie noch die Dimensionen und Basen der Unterräume bestimmen. Erinnern Sie sich dazu an [LANM, Definition III..0.K]. Weiter betrachten wir die folgenden Teilmengen von R n,n, n N: (a) Die Menge aller Diagonalmatrizen, siehe [LANM, Definition I...J] D := A = (a ij ) 1 i,j n R n,n : a ij = 0 für alle i j, (b) Die Menge aller oberen Dreiecksmatrizen, siehe [LANM, Bsp. I.4.4.K] R := A = (a ij ) 1 i,j n R n,n : a ij = 0 für alle i > j, (c) Die Menge aller symmetrischen Matrizen, siehe [LANM, Definition II.6.0.J] S := A = (a ij ) 1 i,j n R n,n : a ij = a ji für alle 1 i, j n. 9.1a) Zeigen Sie, dass die Mengen D, R und S Unterrräume des Matrixraumes R n,n. 9.1b) Bestimmen Sie in jedem Fall die jeweilige Dimension der Unterräume. Lösung: (a) D = {A = {a i,j } 1 i,j n R n,n : a i,j = 0 falls i j} = {diag([a 1,1, a,,..., a n,n ]) : a i,j R, i {1,..., n}} D M = R n,n : Es gilt für A = diag([a 1,1,..., a n,n ]), B = diag([b 1,1,..., b n,n ]) D, λ R: A + λb D, somit bildet D M = R n,n einen Unterrraum von M. Serie 9 Seite 1 Aufgabe 9.1

Basis von D: Die Matrizen E 1,1 = diag([1, 0,..., 0]), E, = diag([0, 1, 0,..., 0]),..., E n,n = diag([0,..., 0, 1]) aus D spannen offensichtlich den ganzen Unterraum U auf: U = Span([E 1,1,..., E n,n ]), (9.1.1) ebenfalls sind sie linear unabhängig. Aus der linearen Unabhängigkeit und (9.1.1) folgt per Definition, dass {E 1,1,..., E n,n } eine Basis von U bilden. Die Dimension U, also die Anzahl der Basismatrizen ist somit dim U = n. (b) R = {A = {a i,j } 1 i,j n R n,n : a i,j = 0 für alle i > j} R M Unterraum: Für A = {a i,j } 1 i,j n, B = {b i,j } 1 i,j n R, λ R gilt: c i,j = a i,j + λb i,j = 0, für i > j, da a i,j = b i,j = 0 für i > j Basis von R M: B = {E i,j : i j und i, j {1,..., n}} ist eine Basis von R M. Dies lässt sich leicht einsehen, denn zum einen sind die Elemente von B linear unabhängig und zum anderen lässt sich jedes Element von R durch eine linear Kombination aus Elementen von B darstellen. Die Dimension von R ist gleich der Anzahl Basismatrizen : dim(r) = n + (n 1) + + + 1 = n(n+1). (c) S = {A = {a i,j } 1 i,j n R n,n : a i,j = a j,i für alle 1 i, j n} S M Unterraum: Seien A, B S, λ R, dann gilt Aufgrund der Definition von S gilt: C = A + λb = {a i,j + λb i,j } 1 i,j n. c i,j = a i,j + λb i,j = a j,i + λb j,i = c j,i C S. Somit is S M ein Unterraum. Basis S M Zuerst führen wir geeignete Matrizen ein, für i j, i, j = {1,..., n} 1 k = i und l = j S i,j = {s k,l } 1 k,l n, wobei s k,l = 1 k = j und l = i 0 sonst Sei B := {S i,j : i j, i, j {1,..., n}}. Die Element aus B sind linear unabhängig und spannen offensichtlich die Menge der symmetrischen Matrizen S auf. Somit ist S ein Unterraum. Die Dimension von S erhält man indem man die Basiselemente aus B abzählt. dim B = n(n+1). Serie 9 Seite Aufgabe 9.1

Aufgabe 9. Matrixpotenzen In [LANM, Kapitel ] hatten wir allgemein die Konzept lineare Unabhängigkeitünd Basisïn R m,n betrachtet. Die meisten Beispiele bezogen sich allerdings auf den R n. In dieser Aufgabe werden wir uns mit linear abhängigen Matrizen beschäftigen. Wir betrachten die Matrix ñ ô 1 α A := R,, α R, α und Ihre Potenzen A k, k N 0, die das k-fache Produkt von A mit sich selbst bezeichnen. Es gilt die Konvention A 0 := I. Wir definieren allgemein M k := Span{A 0, A 1,..., A k }, k N. B k := {A 0, A 1,..., A k }, k N. 9.a) Mit welchem Argument kann man sofort und ohne Rechnung begründen, dass die Menge B linear abhängig ist. Lösung: A ist symmetrisch. Deshalb ist auch A k, k Z symmetrisch. Eine Basis für symmetrische Matrizen hat Dimension. Da B vier Elemente enthält, müssen diese linear abhängig sein. 9.b) Zeigen Sie, dass auch die Menge B linear abhängig ist. Lösung: B = {A 0, A 1, A } Wir berechnen zuerst A : A = î α +1 ó α α α +4 Eine einfache Rechnung zeigt, dass A = (α )A 0 + A 1. 9.c) Geben Sie eine Basis von M an. Lösung: 9.d) Was ist dim M? B = {I, A} Lösung: dim M =. Da A = (α )A 0 + A 1 und A = A A = (α 1)A + A = (α 1)A + (α )I. Serie 9 Seite Aufgabe 9.

9.e) Was ist die Dimension von M k für beliebiges k? Lösung: Wir verwenden einen Induktionsbeweis: Induktionsverankerung k = : A = (α )I + A Das führt uns auf die Induktionsannahme, dass A k sich als Linearkombination von I, A darstellen lässt. D.h: Induktionsschritt k Z: A k = a k A + b k A 0 A k+1 = A A k = a k A + b k A 0 = a k ((α )I + A 1 ) + b k A 0 ist A k eine Linearkombination aus A 0, A, dann gilt das für A k+1 ebenfalls. Induktionsschluss: Jede Matrix A k aus M k lässt sich als Linearkombination von I, A darstellen. Somit ist gezeigt, dass dim M k =. Aufgabe 9. Koordinatentransformation In [LANM, Abschnitt.4] haben wir die Darstellung von Vektoren in Unterräumen von R n als Koordinatenvektoren bezüglich einer Basis kennen gelernt. Diese Aufgabe übt den Umgang mit Basiswechselmatrizen, siehe [LANM, Thm. III.4.0.F], anhand von anschaulichen Beispielen im R. Gegeben seien die zwei Basen B, B des R mit 1 1 1 B = 1,,, B =,, 7. 7 6 6 9.a) Finden Sie die Basiswechselmatrix S, welche Koordinaten bezüglich der Basis B auf die zugehörigen Koordinaten bezüglich der Basis B abbildet. Lösung: Wir definieren, die beiden Matrizen B, B, in deren Spalten die Basisvektoren von B, B stehen. Wir folgen der Definition der Basiswechselmatrix S in [LANM, Thm. III.4.0.F], in welcher S durch das Gleichungssystem bestimmt ist. Wir schreiben (9..1) in Matrixnotation: b j = S i,j b i (9..1) i=1 B = BS (9..) Serie 9 Seite 4 Aufgabe 9.

In den Spalten von S stehen die Koordinaten der alten Basis B bzgl. der neuen Basis B. Lösung von (9..) durch Gausselimination liefert für die Basiswechselmatrix S: S = 1 1 5 4 6 5 1 5 5 4 Koordinaten c bzgl. der alten Basis B, werden durch Multiplikation mit S in Koordinaten c bzgl. der neuen Basis B überführt. Dies lässt sich durch folgende Rechnung leicht nachvollziehen: Multiplikation des Koordinatenvektors c von links mit (9..) ergibt B c = BS c Da B c und Bc denselben Punkt im R beschreiben sollen, gilt natürlich B c = Bc. Somit muss c = S c sein. 9.b) Bestimmen Sie die Koordinaten des Vektors v bezüglich der Basis B. Lösung: v = [ 1 1 ] + 9 [ 7 ] 8 [ 6 ] v = B c = B [ ] 9 8 Die Koordinaten bezüglich der Basis B sind gegeben durch, c = S c = ñ 1 ô 5 191 5 18. Aufgabe 9.4 Wiederholung: Analytische Geometrie in der Ebene Die in [LANM, Kapitel 4] eingeführten Konzepte bilden die Grundlage der analytischen Geometrie. Diese ist Schulstoff und hier wiederholen wir einige einfach Rechnungen. H A c H B H C b S B B S C M c S A A b c γ WB WC WA β b a (a) Höhen a C (b) Seitenhalbierende a α (c) Winkelhalbierende / Inkreis Abbildung 9.1: Skizze zu Aufgabe 9.4 Serie 9 Seite 5 Aufgabe 9.4

9.4a) Gegeben sei das Dreieck (in der Ebene) aus Abbildung 9.1. Wir nehmen an, dass die Eckpunkte des Dreiecks folgende Koordinaten(vektoren) haben: a = [ 1 ] ñ, b =, c = 0ô Bestimmen Sie die Geradengleichungen G in der Form für (i) die Seitenhalbierende S A. (ii) die Höhe H B. (iii) die Winkelhalbierende W C. Lösung: [ + 1 ] 1 G = {q + τ w : τ R}, wobei q R, w R \{0},. (1, 1) y c γ BC CA β b a α (1, 0) 0 x 45 AB Abbildung 9.: Skizze zu 9.4a) Die Lösungen erhalten wir, indem wir die Koordinaten von A, B, C in die in 9.4b) bestimmten allgemeinen Formeln einsetzen: S A = {a + τ S B = {b + τ ñ 6 + + 1 + 1 4 ñ 6 4 1 4 + 1 4 ô } ô : τ R} ñ H A = {a + τ ñ H B = {b + τ 6 + + 1 1 4 + + 1 ô : τ R} ô : τ R} Serie 9 Seite 6 Aufgabe 9.4

9.4b) Die drei Eckpunkte A, B und C eines Dreiecks im Raum haben nun die allgemeinen Koordination a = a 1 a a, b = b 1 b b, c = Bestimmen Sie nun die allgemeinen Geradengleichungen für (i) die Seitenhalbierende S A. (ii) die Höhe H B. (iii) die Winkelhalbierende W C. Lösung: Beachten Sie die Beschriftungen in Abbildung 9.. c 1 c c R. (i) S A können wir bestimmen, indem wir feststellen, dass 1(b + c) zum Mittelpunkt A der gegenüber liegenden Seite zeigt. Ç å 1 S A = a + τ (b + c) a : τ R Analog erhalten wir S B, S C : Ç 1 S B = b + τ S C = c + τ å (a + c) b Ç 1 (b + a) c å : τ R : τ R (ii) Die Höhe H A erhalten wir, indem wir feststellen, dass sie senkrecht auf c b steht und durch den Punkt a gehen muss. Für die Normale n a, senkrecht auf w := c b, muss gelten: Wir wählen n a = î c b (c 1 b 1 ) ó, womit (9.4.1) erfüllt ist. Analog lassen sich H B und H C bestimmen. n a, w = 0 (9.4.1) (n a ) 1 (w) 1 + (n a ) (w) (9.4.) H A = {A + τn A : τ R} (iii) Nun bestimmen wir die Winkelhalbierende W A. Den Vektor w A, welcher in die Richtung von W A zeigt, findet man indem man die Vektoren, welche angemacht im Punkt A in die Richtung von B, resp. C zeigen, auf eins addiert und dann ihren Mittelwert nimmt. w A = 1 Ç c a c a + b a å b a W A = {a + τw A : τ R} Serie 9 Seite 7 Aufgabe 9.4

Analog erhalten wir W B, W C : w B = 1 Ç c b c b + a b å a b W B = {b + τw B : τ R} w C = 1 Ç b c b c + a c å a c W C = {c + τw C : τ R} Aufgabe 9.5 Vektorprodukt In [LANM, Abschnitt 4..5] haben wir Vektorprodukt von zwei Vektoren aus R eingefuehrt. In dieser Aufgabe lernen Sie die geometrische Bedeutung der Länge des Vektorprodukts kennen und verifizieren die häufig verwendeten Rechenregeln aus [LANM, Thm. IV..5.G]. 1 1 1 9.5a) Sei a = 1, b = und c = R. Berechnen Sie 1 1 (i) die Euklidische Norm a b, siehe [LANM, Definition IV.1..A]. (ii) den Flächeninhalt des von a und b aufgespannten Parallelogramms. (iii) einen Einheitsnormalenvektor n H, der senkrecht zur Ebene Lösung: steht. H = x R : x = a + α b + β c, α, β R (i) a b = ï ò 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 = [ ] 1 0 a b = 1 (ii) A = a b =. (iii) n H = b c = [ ] [ 1 1 ] [ 4 ] 1 = 4. Oft wird nh normiert angegeben, da somit zumindest 4 bis aufs Vorzeichen eindeutig bestimmt. Serie 9 Seite 8 Aufgabe 9.5

9.5b) Verifizieren Sie die folgenden Identitäten für die allgemeinen Vektoren a 1 b 1 c 1 a = a, b = b, c = c R : a b c (i) a b = b a. (ii) a (ra) = 0 für alle r R. (iii) a (b c) = a, c b a, b c. Lösung: (i) Wir berechnen die rechte und die linke Seite der Gleichung: b a = ï a ò b a b a 1 b a b 1 a b 1 a 1 b somit stimmt die Gleichung. (ii) Sei r R: = a b a b a b = [ a 1 a a b 1 a 1 b a 1 b a b 1, ] ï b1 a b b ò def = a (ra) = [ a 1 ] [ ra1 ] ñ ô a (ra ) a (ra ) a a ra ra = a (ra 1 ) a 1 (ra ) = [ ] 0 00 a 1 (ra ) a (ra 1 ) ï a ò b a b a b 1 a 1 b a 1 b a b 1 (iii) b c b c b c = b c 1 b 1 c b 1 c b c 1 a (b 1 c b c 1 ) + a (b 1 c b c 1 ) a (b c) = a 1 (b c 1 b 1 c ) + a (b c b c ) a 1 (b c 1 b 1 c ) + a (b c b c ) Wir berechnen a, c b a, b c: b 1 (a 1 c 1 + a c + a c ) c 1 (a 1 b 1 + a b + a b ) a, c b a, b c = b (a 1 c 1 + a c + a c ) c (a 1 b 1 + a b + a b ) b (a 1 c 1 + a c + a c ) c (a 1 b 1 + a b + a b ) a (b 1 c b c 1 ) + a (b 1 c b c 1 ) = a 1 (b c 1 b 1 c ) + a (b c b c ) = a (b c). a 1 (b c 1 b 1 c ) + a (b c b c ) Serie 9 Seite 9 Aufgabe 9.5

Aufgabe 9.6 Bestimmung Orthogonaler Matrizen Anhand von Parametergleichungen [LANM, Abschnitt 4.] der Vorlesung wurden orthogonale Matrizen eingeführt. Die Orthogonalität einer Matrix verifiziert man üblicherweise direkt aus der Definition. Gegeben ist die Matrix 1 a b 1 B = c d, (9.6.1) e 0 f wobei a, b, c, d, e, f R + 0 (R + 0 ist die Menge der nicht-negativen reellen Zahlen). 9.6a) Wieviele Bestimmungsgleichungen für die Einträge einer -Matrix sind durch die Eigenschaft der Orthogonalität impliziert. Lösung: Da die Gleichung QQ = I die Bedingungsgleichung ist, und A = QQ immer symmetrisch ist, also nur vom oberen Dreiecksteil, d.h. a ij, i j, bestimmt wird, erhalten wir für Q R, n(n+1) Bestimmungsgleichungen für a, b, c, d, e und f. In unserem Fall, n =, erhalten wir folglich 6 Bestimmungsgleichungen. 9.6b) Finden Sie Werte für die Parameter a, b, c, d, e, f R + 0 so, dass die Matrix B aus (9.6.1) orthogonal ist. Lösung: Durch berechnen von BB = I erhalten wir (i) 1 + 1 + e = 1, (ii) 1 a 1 c = 0, (iii) 1 b + 1 d fe = 0, (iv) a + c = 1, (v) ab cd = 0, (vi) b + d + f = 1. Aus (i) erhalten wir e = 1 ; aus (ii) a = c. Einsetzen in (iv) gibt uns a = c = 1. Aus (v) erhalten wir b = d und aus (iii) f = b. Wenn wir beide Ausdrücke in (vi) einsetzen, erhalten wir schliesslich b = d = 1 6 und f = 6. Aufgabe 9.7 Längenerhaltende Abbildung Diese Aufgabe behandelt eine wichtige Eigenschaften der in [LANM, Abschnitt 4..] eingeführten orthogonalen Matrizen, nämlich die in [LANM, Lemma IV...F] formulierte Längenerhaltung. Es empfiehlt sich die Aufgabe 9.6 zu bearbeiten, bevor Sie mit dieser Aufgabe beginnen. Serie 9 Seite 10 Aufgabe 9.6

Wir betrachten die Matrix 1 s t A = 0 0 1. 1 r 0 Betimmen Sie für welche rellen Zahlen s, t und r die durch die Matrix beschriebene lineare Selbstabbildung des R längenerhaltend ist. Lösung: As in 9.6, we compute A A and equate it to I. By doing so we obtain the following equations (i) 1 + r = 1, (ii) (iii) s + r = 0, t = 0, (iv) 1 + s = 1, (v) ts = 0, (vi) 1 + t = 1. From (vi) and (iii) we have t = 0 while (ii) gives s = r. Then (i) gives r = ± 1 and s = 1. Hence, we either have r = 1, s = 1, t = 0, or r = 1, s = 1, t = 0. Aufgabe 9.8 Cayley-Transformation von Matrizen In [LANM, Definition II.6.0.J] haben wir die Menge der schiefsymmetrischen Matrizen kennengelernt, in [LANM, Abschnitt 4..] die orthogonalen Matrizen. In dieser Aufgabe werden wir uns mit einer wichtigen Abbildung zwischen diesen befassen und üben dabei das Rechnen mit diesen speziellen Matrizen. Für n N und M := {A R n,n : A + I n invertierbar} betrachten wir die Abbildung M R n,n C : A C(A) := (I n + A) 1 (I n A). (9.8.1) 9.8a) Zeigen Sie, dass für jede Matrix A M gilt C(A) = (I n + A) 1 I n. Lösung: Ebenso gilt (I n + A) 1 I n = (I n + A) 1 (I n I n (I n + A)) = (I n + A) 1 (I n A) (I n + A) 1 I n = (I n I n (I n + A))(I n + A) 1 = (I n A)(I n + A) 1. Damit ist gezeigt, dass (I n +A) 1 und (I n A) kommutieren. Diese Eigenschaft wird zur Lösung der nachfolgenden Teilaufgaben verwendet werden. Serie 9 Seite 11 Aufgabe 9.8

9.8b) Zeigen Sie, dass für jede schiefsymmetrische Matrix S R n,n, siehe [LANM, Definition II.6.0.J], gilt, dass x Sx = 0 für alle x R n. Lösung: Wir schreiben für α R und x R n : x Sx = α (9.8.) (x Sx) = x S x = x Sx = α. (9.8.) Addition von (9.8.) und (9.8.) ergibt α = 0, womit die Behauptung gezeigt ist. 9.8c) Zeigen Sie, dass jede schiefsymmetrische Matrix S in M enthalten ist, also dass I n + S invertierbar ist, wenn S = S. Lösung: Wir nehmen an, dass I n + S nicht invertierbar ist. Die Aussage, dass I n +S nicht invertierbar ist, ist äquivalent zur Aussage, dass es ein x 0 R n gibt, so dass (I n + S)x = 0: (I n + S)x = x + Sx = 0, x 0 R n x x + x } {{ Sx } = x 0 = 0 =0 x x = 0 x x = 0, x 0 ist ein Widerspruch, wodurch gezeigt ist, dass dim (Kern(I n + S)) = 0. Daraus folgt, dass I n + S invertierbar sein muss. 9.8d) Zeigen Sie, S schiefsymmetrisch = C(S) orthogonal. Lösung: Es ist zu zeigen, dass C(S)C(S) = I n. Aus der Definition (9.8.1) entnehmen wir C(S) = (I n + S) 1 (I n S). In 9.8b) haben wir gesehen, dass (I n + A) 1 )(I n A) = (I n A)(I n + A) 1 ). Somit ergibt sich und anschliessend die Orthogonalität 9.8e) Zeigen Sie, C(S) = (I n + S) T (I n A) T = (I n S) 1 (I n + S), C(S) T C(S) = (I n S) 1 (I n + S)(I n + S) 1 (I n S) = I n. Q M orthogonal = C(Q) schiefsymmetrisch. Lösung: Es ist zu zeigen, dass C(Q) = C(Q): C(Q) = (I n + Q) 1 (Q I n ) C(Q) = (I n Q) (I n + Q) = (I n + Q) (I n Q) = (I n + Q 1 ) 1 (I n Q 1 ) = (I n + Q) 1 Q(I n Q 1 ) = (I n + Q) 1 (Q I n ) = C(Q) Q orthogonal Serie 9 Seite 1 Aufgabe 9.8

9.8f) Zeigen Sie, dass C(C(S)) = S S R n,n schiefsymmetrisch. Zusammen mit der Aussage von Teilaufgabe 9.8e) bedeutet das, dass C eine bijektive Abbildung zwischen den schiefsymmetrischen Matrizen und einer Teilmenge der orthogonalen Matrizen, nämlichen denen, die in M liegen, definiert. Lösung: Wir verwenden die Definition von C(A) aus 9.8c) C(C(S)) = (I n + C(S)) 1 I n = (I n + (I n + S) 1 I n ) = ((I n + S) 1 ) 1 I n = I n + S I n = S S = S Tipps Tipps für Aufgabe 9. 9.a) Verwenden Sie die Ergebnisse von Aufgabe 9.1. 9.b) 9.c) Bei dieser Aufgabe sollten Sie dem Standardalgorithmus folgen und direkt auf [LANM, Definition III..0.B] aufbauen. Verwenden Sie die Aussage, die in 9.b) zu zeigen war. Tipps für Aufgabe 9. 9.a) Verwenden Sie [LANM, Thm. III.4.0.F] aus der Vorlesung. Erinnern Sie sich an die Tatsache, dass die Spalten der Basiswechselmatrix die Koordinaten der alten Basis B bzgl. der neuen Basis B enthalten. Hier müssen Sie lineare Gleichungssysteme lösen, um diese Koordinaten zu bestimmen. Tipps für Aufgabe 9.6 9.6a) Beachten Sie, dass für Q R, das Matrixprodukt QQ immer symmetrisch ist. Tipps für Aufgabe 9.7 Verwenden Sie [LANM, Lem. IV...F] aus der Vorlesung. Serie 9 Seite 1 Aufgabe 9.8

Tipps für Aufgabe 9.8 9.8c) 9.8c) Verwenden Sie die Äquivalenz (i) (iii) aus [LANM, Satz III..0.P] und die Aussage von Teilaufgabe 9.8b). Diese Aufgabe lässt sich mit einem Widerspruchsbeweis lösen. Die Idee des Widerspruchsbeweises ist die folgende: Um eine Schlussfolgerung A B zu zeigen, macht man die Annahme, dass das logische Gegenteil von B gilt und gleichzeitig auch A. Dann schliesst man aus dieser Annahme eine offensichtlich falsche Aussage. Überlegen Sie sich also zuerst, was in dieser Teilaufgabe die logischen Aussagen A und B sind und was das Gegenteil von B bedeutet. Allgemeine Informationen: Abgabe der Serien: Mittwoch,.1.014 in den Übungen oder bis 15:00 Uhr in den Fächern im Vorraum zum HG G 5. Die Serien müssen sauber und ordentlich geschrieben und zusammengeheftet abgegeben werden, sofern eine Korrektur gewünscht wird. Zentralpräsenz: Die Abgabe der Hausaufgaben wird nachdrücklich empfohlen! Bitte markieren Sie deutlich die Aufgaben, deren Korrektur Sie wünschen! Montags, 17:00-0:00 Uhr, ETH Zentrum, HG E 41. Donnerstags, 17:00-0:00 Uhr, ETH Zentrum, HG E 41. Freitags, 17:00-0:00 Uhr, ETH Zentrum, HG E 41. Bitte erscheinen Sie bereits zwischen 17:00-18:00Uhr, sofern Sie von der Semesterpräsenz profitieren wollen. Homepage: Hier werden zusätzliche Informationen zur Vorlesung und die Serien und Musterlösungen als PDF verfügbar sein. www.math.ethz.ch/education/bachelor/lectures/hs014/other/linalgnum BAUG Veröffentlichung am 6. November 014. Abzugeben bis. Dezember 014. Literatur [LANM] Vorlesungszusammenfassung für die Vorlesung Lineare Algebra und Numerische Mathematik, D-BAUG. Last modified on 5. Juni 015 Serie 9 Seite 14 Literatur