3 Vektorräume abstrakt

Ähnliche Dokumente
Übungen zum Ferienkurs Lineare Algebra WS 14/15

Definition 27 Affiner Raum über Vektorraum V

u + v = v + u. u + (v + w) = (u + v) + w. 0 V + v = v + 0 V = v v + u = u + v = 0 V. t (u + v) = t u + t v, (t + s) u = t u + s u.

klar. Um die zweite Bedingung zu zeigen, betrachte u i U i mit u i = 0. Das mittlere -Zeichen liefert s

Mathematik für Informatiker II. Beispiellösungen zur Probeklausur. Aufgabe 1. Aufgabe 2 (5+5 Punkte) Christoph Eisinger Sommersemester 2011

Lineare Gleichungssysteme

2 Die Darstellung linearer Abbildungen durch Matrizen

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN. Abzählbarkeit, Injektivität, Sürjektivität und Bijektivität

Übungen zur Ingenieur-Mathematik III WS 2009/10 Blatt

Basis und Dimension. Als nächstes wollen wir die wichtigen Begriffe Erzeugendensystem und Basis eines Vektorraums definieren.

Vorlesung. Funktionen/Abbildungen 1

Erinnerung/Zusammenfassung zu Abbildungsmatrizen

6 Symmetrische Matrizen und quadratische Formen

4. Übungsblatt Matrikelnr.:

Höhere Mathematik 3. Apl. Prof. Dr. Norbert Knarr. Wintersemester 2015/16. FB Mathematik

Induktive Limiten. Arpad Pinter, Tobias Wöhrer. 30. Jänner 2010

ARBEITSUNTERLAGEN ZUR VORLESUNG UND ÜBUNG AN DER UNIVERSITÄT DES SAARLANDES LINEARE OPTIMIERUNG

x 2 2x + = 3 + Es gibt genau ein x R mit ax + b = 0, denn es gilt

Reelle Analysis. Vorlesungsskript. Enno Lenzmann, Universität Basel. 7. November 2013

Übungsaufgaben LAAG I. für Lehramtsstudenten GS, MS, BS

13. Lineare DGL höherer Ordnung. Eine DGL heißt von n-ter Ordnung, wenn Ableitungen y, y, y,... bis zur n-ten Ableitung y (n) darin vorkommen.

Lösungen zum 3. Aufgabenblatt

0, v 6 = , v 4 = span(v 1, v 5, v 6 ) = span(v 1, v 2, v 3, v 4, v 5, v 6 ) 4. span(v 1, v 2, v 4 ) = span(v 2, v 3, v 5, v 6 )

Zuammenfassung: Reelle Funktionen

3.3 Eigenwerte und Eigenräume, Diagonalisierung

Lösungsvorschläge zu ausgewählten Übungsaufgaben aus Storch/Wiebe: Lehrbuch der Mathematik Band 2, 2.Aufl. (Version 2010), Kapitel 5

GNS-Konstruktion und normale Zustände. 1 Rückblick. 2 Beispiel für einen Typ-II 1 -Faktor

KAPITEL 4. Lineare Ausgleichsrechnung Beispiel 4.1. Das Ohmsche Gesetz: U = RI. Eine Meßreihe von Daten:

Lineare Algebra - alles was man wissen muß


Lineare Gleichungssysteme

Ausgewählte Aufgaben zum Grundbereich des Staatsexamens in Mathematik. Lineare Algebra. zusammengestellt von

Seminararbeit für das SE Reine Mathematik- Graphentheorie

Bestimmung einer ersten

9.2. DER SATZ ÜBER IMPLIZITE FUNKTIONEN 83

Orthogonale Funktionenräume

Bitte unbedingt beachten: a) Gewertet werden alle acht gestellten Aufgaben.

Frohe Weihnachten und ein gutes neues Jahr!

Minimale Darstellungen, Kommutator- und Fixräume, projektive Geometrie

Beispiel Wenn p ein Polynom vom Grad größer gleich 1 ist, ist q : C Ĉ definiert durch q (z) =

Matrixalgebra. mit einer Einführung in lineare Modelle. Stefan Lang Institut für Statistik Ludwigstrasse 33

Projektive Moduln. Lemma/Definition 1.1. Folgende Aussagen für einen R-Modul P sind äquivalent: (i) P erfüllt folgende Liftungseigenschaft:

Division Für diesen Abschnitt setzen wir voraus, dass der Koeffizientenring ein Körper ist. Betrachte das Schema

Algebraische Kurven. Vorlesung 26. Die Schnittmultiplizität

Hilbertraum-Methoden

Theoretische Informatik

Ergänzungen zur Analysis I

Einführung in die Algebra

Matrizennorm. Definition 1. Sei A M r,s (R). Dann heißt A := sup die Matrixnorm. Wir wissen zunächst nicht, ob A eine reelle Zahl ist.

Lineare Algebra für Informatiker TUM Sommersemester 2011 Dozent: Christian Pötzsche

UNIVERSITÄT KARLSRUHE Institut für Analysis HDoz. Dr. P. C. Kunstmann Dipl.-Math. M. Uhl. Sommersemester 2009

Einführung in die Funktionalanalysis

Einführung in die Vektor- und Matrizenrechnung. Matrizen

Invariantentheorie. Vorlesung 5. Invariantenringe zu Untergruppen

Elemente der Analysis I Kapitel 2: Einführung II, Gleichungen

Quantenautomaten und das Cut-Point-Theorem für beschränkte erkennbare Potenzreihen

Welche Lagen können zwei Geraden (im Raum) zueinander haben? Welche Lagen kann eine Gerade bezüglich einer Ebene im Raum einnehmen?

Wirtschaftsmathematik für International Management (BA) und Betriebswirtschaft (BA)

DIFFERENTIALGLEICHUNGEN

H. Gruber, R. Neumann. Erfolg im Mathe-Abi. Übungsbuch für die optimale Vorbereitung in Analysis, Geometrie und Stochastik mit verständlichen Lösungen

Schleswig-Holsteinische Ergänzung der Musteraufgaben für den hilfsmittelfreien Teil der schriftlichen Abiturprüfung im Fach Mathematik ab 2015

Codierungstheorie, Vorlesungsskript

Mathematik für Studierende der Biologie und des Lehramtes Chemie Wintersemester 2013/14. Auswahl vorausgesetzter Vorkenntnisse

Elemente der Analysis II

Codes und Codegitter. Katharina Distler. 27. April 2015

34 5. FINANZMATHEMATIK

Der Golay-Code und das Leech-Gitter

Lineare Algebra und Computer Grafik

Grundlagen der Mathematik II

Gleichungen - Aufgabenstellung und Lösungsstrategien

Kommentierte Musterlösung zur Klausur HM I für Naturwissenschaftler

11 Normalformen von Matrizen

Beispiel zur Lösung eines Gleichungssystems : 6 y + z = x + 3 y 3 z = x 3 y =

Optimalitätskriterien

Noethersche und artinsche Ringe

Analytische Methoden und die Black-Scholes Modelle

Lineare Ausgleichsprobleme. Lineare Ausgleichsprobleme. Normalgleichungen. Normalgleichungen

6 Fehlerkorrigierende Codes

Mathematischer Vorkurs für Physiker WS 2009/10

11. Primfaktorzerlegungen

Umgekehrte Kurvendiskussion

Schleswig-Holsteinische Ergänzung der Musteraufgaben für den hilfsmittelfreien Teil der schriftlichen Abiturprüfung im Fach Mathematik ab 2015

ToDo-Liste für s Mathe-Abi 2009

3.1. Die komplexen Zahlen

2 3 x3 17. x k dx = x k x k+1 k +1. Mit jeder weiteren partiellen Integration reduziert sich der Grad des Faktors x n, induktiv erhalten wir also

Charakteristikenmethode im Beispiel

Abiturprüfung Mathematik 2008 (Baden-Württemberg) Berufliche Gymnasien ohne TG Analysis, Aufgabe 1

Gegeben ist die Funktion f durch. Ihr Schaubild sei K.

LINEARE ALGEBRA Ferienkurs. Hanna Schäfer Philipp Gadow

Quelle/Referenz für dieses Kapitel: Springborn [2, Lectures 28/29] hx a,vi

Vorlesungsskript. für den Vorkurs Mathematik für Elektrotechniker und Informationstechniker

Mathematik I für Wirtschaftswissenschaftler

w a is die Anzahl der Vorkommen von a in w Beispiel: abba a = 2

Geometrische Mannigfaltigkeiten

Definition und Eigenschaften Finiter Elemente

Vorlesung. Komplexe Zahlen

Galerkin-Diskretisierung von Eigenwertproblemen für partielle Differentialgleichungen


Vorkurs Mathematik Übungen zu Differentialgleichungen

A Matrix-Algebra. A.1 Definition und elementare Operationen

Transkript:

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 7 Vektorräume abstrakt Lineare Unabhängigkeit Definition: Sei V Vektorraum W V Dann heißt W := LH(W := Menge aller Linearkombinationen aus W die lineare Hülle von W Beispiele: V = P W = { x x } W = {P : P (x = a + a x + a x } = P {( ( ( } V = R : LH = { } = = ( λ { ( (λ + µ { ( + µ ( ( = λ + ν {( ( } = LH ( + ν ( + ν : λ ν R : λ µ ν R : λ µ ν R } } Satz: Seien v v n V (n Dann sind äquivalent Ist v = λ j v j mit λ j K so sind die Koeffzienten λ j eindeutig bestimmt dh j= λ j v j = j= µ j v j λ j = µ j für j = n j= Ist λ j v j = so folgt λ = λ = = λ n = j= Keiner der Vektoren v j ist Linearkombination der übrigen 4 Die lineare Hülle jeder echten Teilmenge von {v v n } ist echte Teilmenge von LH{v v n } 4 Definition: Die Menge {v v n } V heißt linear unabhängig falls sie die äquivalenten Bedingungen des vorigen Satzes erfüllt sonst heißt sie linear abhängig sei linear unabhängig

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 7 Allgemeiner heißt eine Menge {v i : i I} V linear unabhängig falls jede endliche Teilmenge linear unabhängig ist Gilt darüberhinaus V = LH{v i : i I} dh jeder Vektor v V ist (eindeutige! Linearkombination aus {v i } dann heißt {v i } eine Basis von V und I die Länge der Basis Ist v = λ j v j j= so heißen die Koeffizienten λ j auch Koordinaten von v bezüglich der Basis {v i : i I} und (λ λ n K n heißt Koordinatenvektor 5 Diskussion: {v} ist linear abhängig v = {v v } linear abhängig v = v = v = λv v v zeigen in gleiche Richtung {x y z} R ist linear unabhängig LH{x y z} = R linear abhängig x y z liegen in einer Ebene durch (oder sogar auf einer Geraden durch 4 Falls {v v n } dann ist {v v n } linear abhängig 5 {v i : i I} linear unabhängig Jede Teilmenge ist linear unabhängig 6 {v i : i I} linear unabhängig {v i : i I} ist Basis von LH {v i : i I} 7 {v i : i I} Basis von V w V {v i : i I} {w} ist linear abhängig 6 Beispiele: {e e n } K n ist Basis von K n : x x = x = x j e j x x n Koordinaten bezüglich {e e n } x n j= Sind a a n K n \ {} so dass a j links/oben mehr Nullen hat als a k für j > k dann ist {a a n } linear unabhängig und Basis von K n Konkret in R : a = ( a = ( a = ( 4

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 7 Für x = ( x x x R gilt λ i a + λ a + λ a = x λ + + = x λ + λ + = x λ + + 4λ = x λ = x λ = x λ = x x λ = 4 (x λ = 4 (x x a λ λ λ eindeutig {a a a } linear unabhängig b x = x a + ( x x a + (x 4 x a LH{a a a } = R {a a a } ist Basis des R x = ( x x x (x 4 x = Koordinaten bezüglich der Basis {a a a } Sei P n : K K : x x n (K = R oder K = C Dann ist {P n : n N } in F = {f : K K} linear unabhängig: Sei I N I endlich λ j P j = j I P : x j I λ j P j (x ist Polynom mit unendlich vielen Nullstellen P = also λ j = für j I B := {P n : n N } ist Basis von P = {Polynome P : K K} Ist P : x a j x j so gilt P = a P + a P + + a n P n + P n+ + j= P hat die Koordinaten (a a n 4 Die Menge {x e ax : a R} ist linear unabhängig in F := {f : R R} Sei c e a x + c e a x + + c m e amx = für x R und sei a m der größte Koeffizient: a m > a i für i = m c e (a a mx + c e (a a n + + c m e (a m a n + c m e = x c m = =c m Entsprechend: c m = c m = = c = Warum sind linear unabhängige Vektoren wichtig? Mit linear unabhängigen Vektoren kann man Koordinaten einführen und wie in K n rechnen:

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 7 Sei {v v n } V Definiere T : K n V : x x n x j v j j= Dann ist T linear (leicht 7 Satz: Äquivalent sind: a LH {v v n } = V b T ist surjektiv Äquivalent sind: a {v v n } ist linear unabhängig b T ist injektiv Äquivalent sind: a {v v n } ist Basis von V b T ist bijektiv 8 Definition: Seien V W Vektorräume Ist T : V W linear und bijektiv so heißt T (Vektorraum-Isomorphismus Dann ist auch T : W V ein Isomorphismus V und W heißen isomorph falls ein Isomorphismus T : V W existiert Wir schreiben V = W Isomorphe Vektorräume sind als Vektorräume gleich Also: Ist {v v n } Basis von V so ist V = K n 9 Beispiele: V = P = {reelle Polynome vom Grad } P : x P : x x P : x x T : R P : {P P P } ist Basis ( a a a (x a + a x + a x ist Isomorphismus Addition von Vektoren im R ˆ= Addition von Polynomen etc Eine lineare Abbildung auf P zb Translation wird zu einer linearer Abbildung auf R Frage: Besitzt jeder Vektorraum eine Basis? Antwort: Ja (Beweis mit Zornschem Lemma

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 74 Dimension Satz: Der Vektorraum V besitze eine Basis aus n Elementen Dann gilt: Je n + Vektoren aus V sind linear abhängig Jede Basis hat genau n Elemente Folgerung: Hat V eine endliche Basis so ist V isomorph zu einem Vektorraum K n für genau ein n N Definition: Ist {v v n } Basis von V so heißt n die Dimension von V : dim V := n (n ist eindeutig Besitzt V keine endliche Basis so heißt V unendlichdimensional Beispiele: V = LH {( ( ( } V = P : Basis = {x x x x x } dim V = V = P : dim V = da Basis = {P n : x x n n N } : dim V = 4 Bemerkungen: Ist dim V = n N und U V Untervektorraum so gilt dim U dim V : Ist B = {v v k } Basis von U so ist B linear unabhängig in V k dim V Manchmal ist es nötig die Basis eines Unterraumes U V durch Hinzunahme weiterer Vektoren zu einer Basis des Vektorraumes V zu ergänzen ( Basisergänzungssatz Ist zb {v v } R linear unabhängig E := {λ v + λ v : λ λ R} die von v v aufgespannte Ebene und n := v v der Normalenvektor so ist B := {v v n} Basis des R Ist (x x x der Koordinatenvektor eines Punktes x bezüglich B: x = x v + x v + x n so gilt x E x =

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 75 4 Skalarprodukte 5 Definition: Sei V Vektorraum über R oder C Eine Abbildung V V K : (x y x y heißt Skalarprodukt auf V falls (SP λ x + µ y z = λ x z + µ y z (SP y x = x y (SP x x ; x x = x = (vgl Kapitel Ein Vektorraum mit Skalarprodukt (V heißt auch euklidischer (K = R oder unitärer (K = C Vektorraum 6 Diskussion: Für festes y V ist die Abbildung x x y linear nach (SP Nach (SP und (SP x λ y = λ y x = λ y x = λ x y x y + z = y + z x = y x + z x = x y + x z ( y V : x y = x = (Setze y := x siehe (SP 7 Beispiele: Standard-Skalarprodukt auf R n oder C n ZB ( ( + i + i = ( + i( i + i( i = + = i i ( ( x y x y := x y + x y definiert ein Skalarprodukt auf C ( ( x y x y := x y x y definiert kein Skalarprodukt auf C 4 In der Analysis: [a b] R V := {f : [a b] C f stetig} definiert ein Skalarprodukt auf V f g := b a f(x g(x dx

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 76 8 Satz (Cauchy-Schwarzsche Ungleichung (CSU: Für x y V gilt x y x x y y 9 Satz: Ist (V ein Vektorraum mit Skalarprodukt so definiert x := x x eine Norm auf V (vgl Kapitel 8 Die Cauchy-Schwarzsche Ungleichung wird zu x y x y Beispiele: V = C n x = x + + x n ( b / V = {f : [a b] C f stetig } f = f(x dx a 5 Orthogonalität Definition: Sei V ein Vektorraum mit Skalarprodukt x y V heißen orthogonal (x y falls x y = Eine Familie (v i i J V mit v i heißt Orthogonalsystem falls v i v j für i j und Orthonormalsystem (ONS falls v i v j = δ ij = { für i j für i = j Ist ein ONS gleichzeitig Basis so heißt es Orthonormalbasis (ONB Bemerkung: Sei x y Dann gilt x + y = x + y x + y = x x + x y + y x + y y x y = x + y (Satz des Pythagoras Satz: Ist (v i i I ein Orthogonalsystem (oder sogar ONS so ist {v i : i I} linear unabhängig

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 77 4 Beweis: = λ v + + λ n v n k { n} = λ v + + λ n v n v k λ k = = λ v v k + + λ k v k v k + + λ n v n v k = = v k = 5 Satz: (Gram-Schmidtsches Orthogonalisierungsverfahren: Sei (V Vektorraum mit Skalarprodukt {v v } V endliche oder abzählbare linear unabhängige Menge Dann gibt es ein ONS {e e } mit k N mit k Anzahl {v v } : LH{v v k } = LH{e e k } Beweis: (konstruktiv wichtig Setze e := v v LH{v } = LH{e } f := v v e e da v / LH{e } f e = v e v e e e = also f e Setze e := f f {e e } ist ONS LH {v v } = LH{e e } Seien e e k schon konstruiert Dann gilt v k / LH{e e k } Setze e k := f k f k k f k := v k v k e j e j j= k f k e i = v k e i v k e j e j e i = j= =δ ij 6 Folgerung: Ist dim V < so besitzt V eine ONB und jedes ONS lässt sich zu einer ONB ergänzen 6 Warum sind ONB s wichtig? Entwicklung nach ONB 7 Satz: Seien u v V und {e e n } ONB von V Es gilt v = v e j e j dh v e v e n sind die Koordinaten von v bezüglich {e e n } j=

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 78 Ist u = λ j e j v = j= Insbesondere gilt µ j e j so gilt j= u v = (Parsevalsche Gleichung λ j µ j = j= u = u u = λ λ n λ j = j= µ µ n C n u e j j= 8 Folgerung: Der Isomorphismus T : K n V : x x n x j e j j= erhält das Skalarprodukt und die Norm: x y K n = T (x T (y V K n und V können als identisch angesehen werden {( ( } cos ϕ sin ϕ 9 Beispiele: V = R ONB =: {e sin ϕ cos ϕ e } mit festem ϕ R ( ( ( cos ϕ λ = = cos ϕ sin ϕ = λ e + λ e mit ( ( sin ϕ λ = = sin ϕ cos ϕ ( x Allgemein: = (x y cos ϕ + x sin ϕ e + ( x sin ϕ + x cos ϕ e V = C([ π] := {f : [ π] C stetig} f g = π f(xg(xdx f = e : x π e n : x π sin(nx (n N e n : x π cos(nx (n N ( π / f(x dx Dann ist {e e } ein ONS (nachrechnen! und insbesondere linear unabhängig Ist f LH{e n : n N } so gilt f = f e n e n : x b + n a n sin(nx + b n cos(nx n= n=

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 79 mit b = π f(t dt b n = π π a n = π f(t sin(nt dt π π f(t cos(nt dt Lässt man auch unendliche Summen zu so kann man praktisch jede Funktion f so entwickeln : Theorie der Fourierreihen 7 Orthogonale Projektion Erinnerung: Sei G = {λ e : λ R} mit e = Für x R ist y := x e e die orthogonale Projektion auf G und es gilt x y e Geometrisch klar: y ist der Punkt von G der den kleinsten Abstand von x hat Satz: Sei U V endlichdimensionaler Unterraum {e e k } ONB von U und x V fest Für y U sind äquivalent y = k x e j e j j= x = y + z mit z U (dh ỹ U : z ỹ ỹ U : x y x ỹ Beispiel: Projektion auf Ursprungsebene im R : { ( ( } ( E := s + t : x t R x := ( e := ( ( f := e := 6 ( ( ( ONB von E (Gram-Schmidt: = ( ( = (

Mathematik I für inf/swt Wintersemester / Seite 8 {e e } ist ONB von E Projektion: y = ( ( = ( / = / ( ( + ( ( + ( 6 ( des Satzes: y ist der Punkt auf E der den kleinsten Abstand zu x hat 6 ( des Satzes: y ist der einzige Punkt auf E so dass z = x y E (y ist also Lotfußpunkt von x auf E Bemerkung: Aus dem Satz: Für x V! y U : x y ist minimal Es gilt y = k x e j e j j= Die Abbildung P : V U : x von V auf U k x e j e j ist linear und heißt orthogonale Projektion j=