= 9 10 k = 10

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

6 Lineare Algebra. 6.1 Einführung

Im Falle einer zweimal differenzierbaren Funktion lässt sich das Krümmungsverhalten anhand der zweiten Ableitung feststellen.

a 11x 1 + a 12x a 1nx n = d 1 a 21x 1 + a 22x a 2nx n = d 2.. =

Mathematik I Herbstsemester 2014 Kapitel 8: Lineare Algebra 8.1 Reelle Matrizen

Mathematik II Frühjahrssemester 2013

Mathematik I Herbstsemester 2018 Kapitel 8: Lineare Algebra 8.1 Reelle Matrizen

3 Matrizenrechnung. 3. November

Matrizen. a12 a1. a11. a1n a 21. a 2 j. a 22. a 2n. A = (a i j ) (m, n) = i te Zeile. a i 1. a i 2. a i n. a i j. a m1 a m 2 a m j a m n] j te Spalte

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

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:

Lineare Algebra 1. Roger Burkhardt

oder A = (a ij ), A =

Lineare Algebra. Beni Keller SJ 16/17

Lineare Algebra. Mathematik II für Chemiker. Daniel Gerth

$Id: matrix.tex,v /12/02 21:08:55 hk Exp $ $Id: vektor.tex,v /12/05 11:27:45 hk Exp hk $

3 Elementare Umformung von linearen Gleichungssystemen und Matrizen

2 Die Algebra der Matrizen

Lineare Algebra. Mathematik II für Chemiker. Daniel Gerth

Kapitel 2. Matrixalgebra. Josef Leydold Mathematik für VW WS 2017/18 2 Matrixalgebra 1 / 49

Kapitel 2. Matrixalgebra. Josef Leydold Mathematik für VW WS 2017/18 2 Matrixalgebra 1 / 49

Matrixalgebra. Kapitel 2. Ein sehr einfaches Leontief-Modell. Matrix. Ein sehr einfaches Leontief-Modell. Vektor. Spezielle Matrizen I

Universität Stuttgart Physik und ihre Didaktik PD Dr. Holger Cartarius. Matrizen. a 1,1 a 1,2 a 1,n a 2,1 a 2,2 a 2,n A = a m,1 a m,2 a m,n

Matrizen. Spezialfälle. Eine m nmatrix ist ein rechteckiges Zahlenschema mit. m Zeilen und n Spalten der Form. A = (a ij ) =

35 Matrixschreibweise für lineare Abbildungen

Vektoren und Matrizen

IV. Matrizenrechnung. Gliederung. I. Motivation. Lesen mathematischer Symbole. III. Wissenschaftliche Argumentation. i. Rechenoperationen mit Matrizen

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

Matrizen, Determinanten, lineare Gleichungssysteme

Lineare Gleichungssysteme und Matrizen

3 Invertierbare Matrizen Die Inverse einer (2 2)-Matrix Eigenschaften invertierbarer Matrizen... 18

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

5.4 Basis, Lineare Abhängigkeit

Kapitel 15 Lineare Gleichungssysteme

Skript zur Vorlesung. Lineare Algebra. Prof. Dr.-Ing. Katina Warendorf. 2. Oktober 2014

4 Matrizenrechnung. Beide Operationen geschehen also koeffizientenweise. Daher übertragen sich die Rechenregeln von K(m n, k).

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

1 Lineare Algebra. 1.1 Matrizen und Vektoren. Slide 3. Matrizen. Eine Matrix ist ein rechteckiges Zahlenschema

Kapitel 14 Lineare Gleichungssysteme

4 Vorlesung: Matrix und Determinante

8.2 Invertierbare Matrizen

Vorlesung Mathematik für Ingenieure 1 (Wintersemester 2008/09)

2 Die Algebra der Matrizen

Musterlösungen Blatt Mathematischer Vorkurs. Sommersemester Dr. O. Zobay. Matrizen

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

1 Matrizenrechnung zweiter Teil

Prof. Dr. G. Wagner Ingenieurmathematik Begleittext Seite 1

A = ( a 1,..., a n ) ii) Zwei Matrizen sind gleich, wenn die Einträge an den gleichen Positionen übereinstimmen. so heißt die n n Matrix

Zusammenfassung zum Thema Vektor- und Matrizenrechnung

Kapitel 1. Vektoren und Matrizen. 1.1 Vektoren

Mischungsverhältnisse: Nehmen wir an, es stehen zwei Substanzen (zum Beispiel Flüssigkeiten) mit spezifischen Gewicht a = 2 kg/l bzw.

Definition, Rechenoperationen, Lineares Gleichungssystem

FH Gießen-Friedberg, FB 06 (MNI) Skript 8 Mathematik 1 für KMUB 5./7. November 2008 Prof. Dr. H.-R. Metz. Matrizen 1. a m1 a m2 a m3 a mn

Mathematische Erfrischungen III - Vektoren und Matrizen

a ij i - te Gleichung (Zeile), i = 1,2,3,..., m

Skript zur Vorlesung. Lineare Algebra. Prof. Dr.-Ing. Katina Warendorf. 29. April 2011

Grundlagen der linearen Algebra

9.2 Invertierbare Matrizen

Ökonometrische Analyse

II. Lineare Gleichungssysteme. 10 Matrizen und Vektoren. 52 II. Lineare Gleichungssysteme

Definition von R n. Parallelverschiebungen in R n. Definition 8.1 Unter dem Raum R n (n N) versteht man das kartesische Produkt R R... R (n-mal), d.h.

8. Elemente der linearen Algebra 8.1 Der euklidische Raum R n

Hilfsblätter Lineare Algebra

Mathematik für Naturwissenschaftler II SS 2010

32 2 Lineare Algebra

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

2 Matrizenrechnung und Lineare Gleichungssysteme

Definition, Rechenoperationen, Lineares Gleichungssystem

Vektorrechnung. 10. August Inhaltsverzeichnis. 1 Vektoren 2. 2 Grundlegende Rechenoperationen mit Vektoren 3. 3 Geometrie der Vektoren 5

Matrizen Definition: Typ einer Matrix

Mathematik 1 Bachelorstudiengang Maschinenbau

8.2 Invertierbare Matrizen

3 Lineare Algebra (Teil 1): Lineare Unabhängigkeit

37 Gauß-Algorithmus und lineare Gleichungssysteme

1 Transponieren, Diagonal- und Dreiecksmatrizen

Basiswissen Matrizen

3 Matrizen und Lineare Gleichungssysteme

Vektorräume. 1. v + w = w + v (Kommutativität der Vektoraddition)

Matrizen - I. Sei K ein Körper. Ein rechteckiges Schema A = wobei a ij K heißt Matrix bzw. eine m n Matrix (mit Elementen aus K).

Brückenkurs Mathematik. Mittwoch Freitag

Spezielle Matrixformen

2.1 Vektorräume. 1. für alle x, y U ist x + y U und. 2. für alle x U und alle λ R ist λx U. O V (= O U) U, und dass ( 1) x U, also x U.

Beispiele 1. Gegeben sei das lineare Gleichungssystem mit erweiterter Matrix (A

Vorlesung Mathematik für Ingenieure I (Wintersemester 2007/08)

Mathematische Grundlagen der Computerlinguistik Lineare Algebra

Ferienkurs Mathematik für Physiker I Skript Teil 3 ( )

Lineare Algebra 1. Roger Burkhardt

Zusammenfassung Mathe III. Themenschwerpunkt 3: Analytische Geometrie / lineare Algebra (ean) 1. Rechenregeln mit Vektoren

Mathematik II für Studierende der Informatik. Wirtschaftsinformatik (Analysis und lineare Algebra) im Sommersemester 2015

Tutorium: Analysis und Lineare Algebra

05. Lineare Gleichungssysteme

Mathematik 1 für Wirtschaftsinformatik

Matrizen. Lineare Algebra I. Kapitel April 2011

Matrixoperationen. Einige spezielle Matrizen: Nullmatrix: n-te Einheitsmatrix: E n := 0 d. TU Dresden, WS 2013/14 Mathematik für Informatiker Folie 1

Vorbereitungskurs Mathematik zum Sommersemester 2011 Tag 7

Beispiele 1. Gegeben ist das lineare System. x+4y +3z = 1 2x+5y +9z = 14 x 3y 2z = 5. Die erweiterte Matrix ist

Mathematik für Naturwissenschaftler II SS 2010

Transkript:

2 Die Reihe für Dezimalzahlen 1 r = r 0 +r 1 10 +r 1 2 100 + = r k 10 k, wobei r k {0,,9} für k N, konvergiert, da r k 10 k 9 10 k für alle k N und ( 1 ) k 9 10 k 9 = 9 = 10 1 1 = 10 10 k=0 k=0 aufgrund der Formel für den Grenzwert einer geometrischen Reihe k=0 220

5 Lineare Algebra 51 Einführung Die lineare Algebra ist für die Wirtschaftswissenschaften von zentraler Bedeutung Einerseits liefert sie die theoretischen und praktischen Grundlagen für das Lösen linearer Gleichungssysteme Ferner lassen sich viele ökonomische Phänomene durch sogenannte lineare Modelle beschreiben Eine Menge von m Gleichungen und n Unbekannten der Form a 11 x 1 + a 12 x 2 + + a 1n x n = d 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + + a 2n x n = d 2 = a m1 x 1 + a m2 x 2 + + a mn x n = d m (51) heisst lineares Gleichungssystem mit m Gleichungen und n Unbekannten (Variablen) Die Information über das Gleichungssystem ist in dem Rechteckschema a 11 a 1n A = a m1 a mn 221

sowie d = enthalten Wir nennen A eine m n-matrix und d einen Vektor der Länge m oder einen m-vektor Man schreibt manchmal auch d 1 d m A = (a ij ) i=1,,m;j=1,,n Einen m-vektor kann man auch als m 1-Matrix auffassen Wir definieren den m-dimensionalen reellen Vektorraum wie folgt: x 1 R m = { : x 1,,x m R} x m dh R m besteht aus allen reellen m-vektoren Im Fall m = 3 können wir uns das gut als den normalen dreidimensionalen Raum vorstellen Wir fixieren einen 0 Ursprung, den wir mit dem Vektor 0 identifizieren Ferner fixieren wir drei 0 222

orthogonale Richtungen (x, y und z-richtung) Den Vektor a b c identifizieren wir mit dem Pfeil, den wir erhalten, wenn wir vom Ursprung aus a Einheiten in x-richtung, dann b Einheiten in y-richtung und schließlich c Einheiten in z-richtung gehen Wir definieren eine Addition von Vektoren wie folgt: a 1 a 2 a m + b 1 b 2 b m a 1 +b 1 = a 2 +b 2 a m +b m Addition von Vektoren bedeutet dann einfach aneinandersetzen von Pfeilen Ähnlich erlauben wir, Vektoren mit reellen Zahlen zu multiplizieren: a 1 λa 1 a λ 2 = λa 2 a m λa m 223

Geometrisch bedeutet dies, den Vektor zu verlängern (wenn λ > 1) oder zu stauchen (0 < λ < 1) Ist λ < 0, so ändert der zugehörige Pfeil seine Richtung Der Abstand zwischen zwei Punkten im R 3 x 1 y 1 z 1 und x 2 y 2 z 2 ist (x1 x 2 ) 2 +(y 1 y 2 ) 2 +(z 1 z 2 ) 2 Entsprechend definieren wir auch den Abstand zwischen Punkten x 1 y 1 und x m y m in R m als m i=1 (x i y i ) 2 224

52 Operationen mit Vektoren und Matrizen DieMengeallerm n-matrizenüberrwirdstetsmitr (m,n) bezeichnetzunächst einmal halten wir fest, wann zwei Matrizen gleich sein sollen: Seien A,B R (m,n), also beide Matrizen haben m Zeilen und n Spalten Dann heißen A und B gleich, wenn sie komponentenweise gleich sind, dh A = B genau dann, wenn a ij = b ij für 1 i m, 1 j n EntsprechendheißenzweiVektorena,b R m gleich,wennsiekomponentenweise gleich sind Wir haben bereits gesehen, dass Matrizen im Zusammenhang mit Gleichungssystemen auftreten Bevor wir uns dem Lösen von Gleichungssystemen widmen, wollen wir uns die Algebra der Matrizen ein wenig anschauen Spezielle Matrizen Ist A eine m n-matrix, so hat A m Zeilen und n Spalten Eine Matrix mit m = n heißt quadratisch Ist A = (a ij ) i,j=1,,n quadratisch, so heißen die Einträge a 11,a 22,,a nn die Diagonaleinträge von A 225

Beispiel 51 A = 2 4 8 3 9 27 4 16 64 R (3,3) ist eine quadratische 3 3-Matrix mit den Diagonalelementen 2, 9, 64 (i) Eine m n-matrix, deren Komponenten sämtlich Null sind, heißt Nullmatrix und wird mit 0 bezeichnet,also 0 0 0 0 0 0 0 = 0 0 0 Ist n = 1, so heißt der entsprechende Vektor Nullvektor, also 0 0 = 0 0 226

(ii) Eine n n-matrix A, deren sämtliche Nicht-Diagonalelemente, also die Einträge a ij mit i j, gleich Null sind, heißt Diagonalmatrix Die Matrix hat also die Form a 11 0 0 0 0 a 22 0 0 A = 0 0 a n 1n 1 0 0 0 0 a nn Zur Abkürzung schreiben wir auch A = diag(a 11,a 22,,a nn ) (iii) Die n n-diagonalmatrix, deren Diagonalelemente alle gleich 1 sind, heißt Einheitsmatrix (n-ter Ordnung) und wird mit I n bezeichnet, also 1 0 0 0 0 1 0 0 I n = diag(1,1,,1) = 0 0 1 0 0 0 0 1 Die Spalten der Einheitsmatrix sind die Einheitsvektoren in R n Der i-te Einheitsvektor e i ist der Vektor, dessen i-te Komponente 1 ist und dessen 227

andere Komponenten alle 0 sind Also 0 0 e i = 1 0 0 mit dem Eintrag 1 in der i-ten Zeile (iv) Eine quadratische Matrix, deren sämtliche Komponenten oberhalb (bzw unterhalb) der Diagonalen gleich Null sind, heißt untere (bzw obere) Dreiecksmatrix Also hat eine untere Dreiecksmatrix die Gestalt (L: lower) l 11 0 0 0 l 21 l 22 0 0 L = l n 11 l n 12 l n 1n 1 0 l n1 l n2 l nn 1 l nn 228

bzw eine obere Dreiecksmatrix die Gestalt (U: upper) U = u 11 u 12 u 1n 1 u nn 0 u 22 u 2n 1 u 2n 0 0 u n 1n 1 u n 1n 0 0 0 u nn Nachdem wir nun einige spezielle Matrizen eingeführt haben, wollen wir einige Operationen auf der Menge der Matrizen erklären Sei A eine m n-matrix Durch Vertauschen der Zeilen und Spalten von A erhaltenwireinen m-matrixa (Sprechweise: Atransponiert),diesogenannte transponierte Matrix zu A a 11 a 12 a 1j a 1n a 21 a 22 a 2j a 2n Für A = a i1 a i2 a ij a in a m1 a m2 a mj a mn 229

Es gilt stets (A ) = A a 11 a 21 a i1 a m1 a 12 a 22 a i2 a m2 ist A = a 1j a 2j a ij a mj a 1n a 2n a in a mn Beispiel 52 Für die 3 4-Matrix 1 2 3 4 A = 2 3 0 5 6 2 1 2 10 ist A die 4 3-Matrix mit A = 1 2 6 2 3 2 3 0 1 2 4 5 10 230

Symmetrische Matrizen Eine quadratische Matrix A heißt symmetrisch, falls A = A Für eine symmetrische Matrix A gilt also a ij = a ji für alle i,j Schiefsymmetrische Matrizen Eine quadratische Matrix A heißt schiefsymmetrisch, falls A = A Für eine schiefsymmetrische Matrix A gilt also a ij = a ji für alle i,j; insbesondere ist a ii = 0 für alle i Beispiel 53 Die Matrix A ist symmetrisch 1 1 2 3 A = 1 2 4 7 3 7 0 Die Matrix B ist schiefsymmetrisch: B = 0 1 3 1 0 2 3 2 0 231

Wir kommen nun zur Addition von Matrizen Weil Vektoren spezielle Matrizen sind, gelten dieselben Regeln auch für Vektoren Addition Zwei Matrizen A,B R (m,n) werden addiert, indem komponentenweise addiert wird, dh für A = (a ij ) und B = (b ij ) ist A+B = a 11 +b 11 a 12 +b 12 a 1n +b 1n a 21 +b 21 a 22 +b 22 a 2n +b 2n a m1 +b m1 a m2 +b m2 a mn +b mn Entsprechend ist die Differenzmatrix A B durch komponentenweise Subtraktion definiert Es werden nur Matrizen mit gleicher Anzahl von Zeilen und gleicher Anzahl Spalten addiert oder subtrahiert Insbesondere werden zwei Vektoren x,y R n addiert bzw subtrahiert, indem 232

sie koordinatenweise addiert bzw subtrahiert werden, dh x 1 y 1 x 1 ±y 1 x x±y = 2 ± y 2 = x 2 ±y 2 x n y n x n +y n Multiplikation mit einem Skalar Sei A eine m n-matrix, und sei λ R Die Matrix A wird mit dem Skalar λ multipliziert, indem jede Komponente von A mit λ multipliziert wird, dh für A = (a ij ) ist λa 11 λa 12 λa 1n λa λ A = 21 λa 22 λa 2n λa m1 λa m2 λa mn Entsprechend wird ein Vektor x R n mit einem Skalar λ R multipliziert, 233

indem jede Koordinate von x mit λ multipliziert wird, dh x 1 λ x 1 x λ x = λ 2 = λ x 2 λ x n x n Im folgenden fassen wir einige Rechenregeln für die Addition und skalare Multiplikation von Matrizen zusammen: Seien A,B,C m n-matrizen und seien λ,µ R Skalare Kommutativgesetz: Assoziativgesetze: Distributivgesetze: A+B = B+A (A+B)+C = A+(B+C) (λµ)a = λ(µa) λ(a + B) = λa + λb (λ+µ)a = λa+µa Spezialisierung auf Vektoren liefert dieselben Rechengesetze für Vektoren, dh für x,y,z R n und λ,µ R gilt: 234

Kommutativgesetz: Assoziativgesetze: Distributivgesetze: x+y = y+x (x+y)+z = x+(y+z) (λµ)x = λ(µx) λ(x + y) = λx + λy (λ+µ)x = λx+µx Jeder Vektor x R n lässt sich mit Hilfe von Einheitsvektoren zerlegen: x 1 x x = 2 = x 1 e 1 +x 2 e 2 + +x n e n x n Wir sagen auch, dass x eine Linearkombination von e 1,,e n ist Dazu später mehr Die Operation des Transponierens ist mit den hier erklärten Rechenoperationen (Addition und Multiplikation mit einem Skalar) verträglich: (A+B) = A +B und (λa) = λa 235

Es gibt kein Produkt von m-vektoren, das wieder einen m-vektor liefert Man kann aber sehr wohl ein Skalarprodukt von Vektoren definieren, dh das Produkt zweier reeller m-vektoren ist eine reelle Zahl: Skalarprodukt Seien x,y R n Dann heißt die reelle Zahl x,y = n x i y i das Skalarprodukt der Vektoren x und y DieZahl x,x = n i=1 x2 i bezeichnen wirals x (NormoderLängedes Vektors x) Es ist der Abstand des Punktes x vom Ursprung Wir fassen im folgenden einige Eigenschaften des Skalarproduktes zusammen: i=1 236

Seien x,y,z R n und sei λ R Dann gilt [S1] x,y = y,x [S2] λ x,y = x,λ y = λ x,y [S3] x+y,z = x,z + y,z [S4] x,y x y [S5] λx = λ x [S6] x = 0 x = 0 [S7] x+y x + y [S8] x+y x y Im R 3 hat das Skalarprodukt eine schöne Interpretation Wenn wir wieder drei orthogonale Richtungen (x, y und z-richtung) auszeichnen und der Vektor a = x 1 y 1 den Pfeil vom Ursprung zum Punkt y 1 bezeichnet z 1 z 1 x 1 237

x 2 (analog für b = y 2 ), so gilt z 2 a,b = cos(α) a,a b,b = cos(α) a b wobei α der Winkel zwischen den Pfeilen ist, die zu a und b gehören Für Vektoren der Länge 1 ist also das Skalarprodukt der Cosinus des Winkels zwischen den Vektoren Insbesondere bedeutet Skalarprodukt 0, dass die Pfeile senkrecht aufeinander stehen 238

Multiplikation von Matrizen Sei A eine m n-matrix, und sei B eine n k-matrix (beachte: Die Anzahl der Spalten von A muss gleich der Anzahl der Zeilen von B sein!) Dann ist das Produkt A B der beiden Matrizen definiert als die m k-matrix C, deren Komponente c ij das Skalarprodukt aus i-ter Zeile von A und j-ter Spalte von B ist, also c ij = n a ip b pj = p=1 a i1 a in, b 1j b nj Wir können das Skalarprodukt als ein spezielles Matrixprodukt auffassen Seien a,b R n zwei Vektoren Dann ist a eine 1 n-matrixund b eine n 1Matrix Somit existiert das Matrixprodukt a b, und es gilt n a b = a j b j = a,b j=1 Ferner ist durch die Definition des Produktes zweier Matrizen auch ein Matrix- Vektor-Produkt erklärt, weil ein Vektor ja auch als eine Matrix aufgefasst werden kann 239

Beispiel 54 (1) Seien 1 5 A = 3 0, B = 2 1 ( ) 1 5 3 6 2 2 3 4 Dann ist C = A B 9 15 18 14 = 3 15 9 18 0 12 9 8 (2) Sei A = 1 2 2 3 und b = 4 1 ( ) 1 2 Dann ist A b = 3 4 2 240