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Kurs:Lineare Algebra/Teil I/11/Klausur mit Lösungen/latex

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%Daten zur Institution

%\input{Dozentdaten}

%\renewcommand{\fachbereich}{Fachbereich}

%\renewcommand{\dozent}{Prof. Dr. . }

%Klausurdaten

\renewcommand{\klausurgebiet}{ }

\renewcommand{\klausurtyp}{ }

\renewcommand{\klausurdatum}{ . 20}

\klausurvorspann {\fachbereich} {\klausurdatum} {\dozent} {\klausurgebiet} {\klausurtyp}

%Daten für folgende Punktetabelle


\renewcommand{\aeins}{ 3 }

\renewcommand{\azwei}{ 3 }

\renewcommand{\adrei}{ 1 }

\renewcommand{\avier}{ 4 }

\renewcommand{\afuenf}{ 3 }

\renewcommand{\asechs}{ 3 }

\renewcommand{\asieben}{ 3 }

\renewcommand{\aacht}{ 8 }

\renewcommand{\aneun}{ 3 }

\renewcommand{\azehn}{ 3 }

\renewcommand{\aelf}{ 11 }

\renewcommand{\azwoelf}{ 4 }

\renewcommand{\adreizehn}{ 4 }

\renewcommand{\avierzehn}{ 4 }

\renewcommand{\afuenfzehn}{ 2 }

\renewcommand{\asechzehn}{ 3 }

\renewcommand{\asiebzehn}{ 2 }

\renewcommand{\aachtzehn}{ 64 }

\renewcommand{\aneunzehn}{ }

\renewcommand{\azwanzig}{ }

\renewcommand{\aeinundzwanzig}{ }

\renewcommand{\azweiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\adreiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\avierundzwanzig}{ }

\renewcommand{\afuenfundzwanzig}{ }

\renewcommand{\asechsundzwanzig}{ }

\punktetabellesiebzehn

\klausurnote

\newpage


\setcounter{section}{0}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Definiere die folgenden \zusatzklammer {kursiv gedruckten} {} {} Begriffe. \aufzaehlungsechs{Ein \stichwort {Körper} {} $K$.

}{Eine Zerlegung eines $K$-\definitionsverweis {Vektorraumes}{}{} $V$ als \stichwort {direkte Summe} {} in die Untervektorräume
\mathl{U_1 , \ldots , U_m}{.}

}{Die \stichwort {lineare Unabhängigkeit} {} einer \zusatzklammer {nicht notwendigerweise endlichen} {} {} Familie von Vektoren
\mathbed {v_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} in einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$.

}{Eine \stichwort {alternierende Abbildung} {} \maabbdisp {\Phi} {V^n = \underbrace{V \times \cdots \times V}_{n\text{-mal} } } {W } {,} wobei \mathkor {} {V} {und} {W} {} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} über $K$ sind.

}{Die \stichwort {geometrische Vielfachheit} {} von einem \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} $\lambda$ zu einer \definitionsverweis {linearen Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} auf einem \definitionsverweis {endlichdimensionalen}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$.

}{Ein \stichwort {affiner Unterraum} {} eines $K$-\definitionsverweis {Vektorraumes}{}{} $V$. }

}
{

\aufzaehlungsechs{Ein Körper $K$ ist ein \definitionsverweis {kommutativer Ring}{}{,} wenn
\mathl{K \neq 0}{} ist und wenn jedes von $0$ verschiedene Element in $K$ ein multiplikatives Inverses besitzt. }{Man sagt, dass $V$ die direkte Summe der
\mathl{U_i}{} ist, wenn die beiden folgenden Bedingungen erfüllt sind. \aufzaehlungzwei {
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U_i \cap { \left( \sum_{j \neq i} U_j \right) } }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle $i$. } {Jeder Vektor
\mathl{v \in V}{} besitzt eine Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{v }
{ =} {u_1+u_2 + \cdots + u_m }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit $u_i \in U_i$. } }{Eine Familie von Vektoren
\mathbed {v_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} heißt linear unabhängig, wenn eine Gleichung
\mathdisp {\sum_{i \in J} a_i v_i =0 \text{ mit } a_i \in K \text{ für eine endliche Teilmenge } J \subseteq I} { }
nur bei
\mathl{a_i=0}{} für alle $i$ möglich ist. }{Die Abbildung \maabbdisp {\Phi} {V^n = \underbrace{V \times \cdots \times V}_{n\text{-mal} } } {W } {} heißt alternierend, wenn $\Phi$ multilinear ist und wenn folgendes gilt: falls in
\mathl{v= (v_1 , \ldots , v_{ n })}{} zwei Einträge übereinstimmen, also
\mathl{v_i=v_j}{} für ein Paar
\mathl{i \neq j}{,} so ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Phi (v) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Man nennt
\mathdisp {\dim_{ K } { \left( \operatorname{Eig}_{ \lambda } { \left( \varphi \right) } \right) }} { }
die geometrische Vielfachheit des Eigenwerts. }{Unter einem affinen Unterraum von $V$ versteht man \zusatzklammer {die leere Menge oder} {} {} eine Teilmenge der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ w+U }
{ =} { { \left\{ w+u \mid u \in U \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei
\mathl{U \subseteq V}{} ein \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{} und
\mathl{w \in V}{} ein Vektor ist. }


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Formuliere die folgenden Sätze. \aufzaehlungdrei{Der Satz über die Umkehrabbildung einer linearen Abbildung}{Der allgemeine Entwicklungssatz für die Determinante.}{Der Satz über baryzentrische Koordinaten.}

}
{

\aufzaehlungdrei{Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es seien \mathkor {} {V} {und} {W} {} zwei $K$-\definitionsverweis {Vektorräume}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} eine \definitionsverweis {bijektive}{}{} \definitionsverweis {lineare}{}{} \definitionsverweis {Abbildung}{}{.} Dann ist auch die \definitionsverweis {Umkehrabbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi^{-1}} {W} {V } {} \definitionsverweis {linear}{}{.}}{Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und sei
\mathl{M= ( a _{ i j } )_{ i j }}{} eine
\mathl{n \times n}{-}Matrix über $K$. Zu
\mathl{i,j \in { \{ 1 , \ldots , n \} }}{} sei
\mathl{M_{ij}}{} diejenige Matrix, die entsteht, wenn man in $M$ die $i$-te Zeile und die $j$-te Spalte weglässt. Dann ist \zusatzklammer {bei
\mathl{n \geq 2}{} für jedes feste $i$ bzw. $j$} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \det M }
{ =} { \sum_{ i = 1 }^{ n } (-1)^{i+j} a_{ij} \det M_{ij} }
{ =} { \sum_{ j = 1 }^{ n } (-1)^{i+j} a_{ij} \det M_{ij} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}{Es sei
\mathbed {P_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} eine \definitionsverweis {affine Basis}{}{} in einem \definitionsverweis {affinen Raum}{}{} $E$ über dem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$. Dann gibt es für jeden Punkt
\mathl{P \in E}{} eine eindeutige Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P }
{ =} { \sum_{i \in I} a_i P_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\sum_{i \in I} a_i }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}


}





\inputaufgabeklausurloesung
{1}
{

Wir betrachten den Satz \anfuehrung{Diese Vorlesung versteht keine Sau}{.} Negiere diesen Satz durch eine Existenzaussage.

}
{

Es gibt eine Sau, die diese Vorlesung versteht.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4 (2+2)}
{

Es sei
\mathbed {T_n} {}
{n \in \N_+} {}
{} {} {} {,} eine Familie von Mengen. Wir setzen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{S_n }
{ =} { T_n \setminus { \left( \bigcup_{i = 1}^{n-1} T_i \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

a) Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \bigcup_{i = 1}^{n} T_i }
{ =} { \bigcup_{i = 1}^{n} S_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

b) Zeige, dass die Vereinigung
\mathl{\bigcup_{i = 1}^{n} S_i}{} disjunkt ist, dass also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{S_n \cap S_k }
{ =} { \emptyset }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \neq }{k }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.

}
{

a) Wegen
\mathl{S_n \subseteq T_n}{} gilt
\mathl{\supseteq}{.} Zum Nachweis der umgekehrten Inklusion sei
\mathl{x \in \bigcup_{i = 1}^{n} T_i}{.} Dann gibt es ein $i$ zwischen $1$ und $n$ mit
\mathl{x \in T_i}{} und damit auch ein minimales $k$ mit dieser Eigenschaft. Es ist also
\mathl{x \in T_k}{,} aber
\mathl{x \not\in T_i}{} für
\mathl{i<k}{.} Damit ist
\mathl{x \in T_k \setminus \bigcup_{i = 1}^{k-1}T_i =S_k}{} und insbesondere
\mathl{x \in \bigcup_{i = 1}^{n} S_i}{.}

b) Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{k }
{ \neq }{n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sagen wir
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{k }
{ < }{n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei
\mathl{x \in S_n =T_n \setminus \bigcup_{i = 1}^{n-1} T_i}{.} Dann ist
\mathl{x \in T_n}{} und
\mathl{x \not\in T_i}{} für
\mathl{i < n}{.} Also ist insbesondere
\mathl{x \not\in T_k}{} und damit auch
\mathl{x \not\in S_k}{.} Also sind $S_n$ und $S_k$ disjunkt.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3 (1+1+1)}
{

Wir betrachten die durch die Wertetabelle \wertetabellesiebenausteilzeilen { $x$ }
{\mazeileundfuenf {1} {2} {3} {4} {5} }
{\mazeileundzwei {6} {7 } }
{ $\varphi(x)$ }
{\mazeileundfuenf {4} {7} {4} {5} {1} }
{\mazeileundzwei {1} {2} } gegebene Abbildung \maabbdisp {\varphi} {\{1,2,3,4,5,6,7\} } {\{1,2,3,4,5,6,7\} } {.}

a) Bestimme das Bild von
\mathl{\{1,2,3\}}{} unter $\varphi$.

b) Bestimme das Urbild von
\mathl{\{4,5,6,7\}}{} unter $\varphi$.

c) Erstelle eine Wertetabelle für
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi^3 }
{ =} { \varphi \circ \varphi \circ \varphi }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{

a) Das Bild von
\mathl{\{1,2,3\}}{} ist
\mathl{\{4,7\}}{.}

b) Das Urbild von
\mathl{\{4,5,6,7\}}{} ist
\mathl{\{1,2,3,4\}}{.}

c) \wertetabellesiebenausteilzeilen { $x$ }
{\mazeileundfuenf {1} {2} {3} {4} {5} }
{\mazeileundzwei {6} {7 } }
{ $\varphi(x)$ }
{\mazeileundfuenf {1} {7} {1} {4} {5} }
{\mazeileundzwei {5} {2} }


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} der \definitionsverweis {Dimension}{}{} $n$. Es seien \mathkor {} {\mathfrak{ u } = u_1 , \ldots , u_n ,\, \mathfrak{ v } = v_1 , \ldots , v_n} {und} {\mathfrak{ w } = w_1 , \ldots , w_n} {} \definitionsverweis {Basen}{}{} von $V$. Zeige, dass die \definitionsverweis {Übergangsmatrizen}{}{} zueinander in der Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M^{ \mathfrak{ u } }_{ \mathfrak{ w } } }
{ =} {M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } } \circ M^{ \mathfrak{ u } }_{ \mathfrak{ v } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} stehen.

}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{u_i }
{ =} { \sum_{j = 1}^n a_{ji} v_j }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{v_j }
{ =} { \sum_{k = 1}^n b_{kj} w_k }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M^{ \mathfrak{ u } }_{ \mathfrak{ v } } }
{ =} { (a_{ji}) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } } }
{ =} { (b_{kj}) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Somit ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{u_i }
{ =} { \sum_{j = 1}^n a_{ji} v_j }
{ =} { \sum_{j = 1}^n a_{ji} { \left( \sum_{k = 1}^n b_{kj} w_k \right) } }
{ =} { \sum_{k = 1}^n { \left( \sum_{j = 1}^n b_{kj} a_{ji} \right) } w_k }
{ } { }
} {} {}{.} Der Koeffizient vor $w_k$ ist dabei das Produkt aus der $k$-ten Zeile von
\mathl{M^{ \mathfrak{ v } }_{ \mathfrak{ w } }}{} und der $i$-ten Spalte von
\mathl{M^{ \mathfrak{ u } }_{ \mathfrak{ v } }}{,} und dies ist der Eintrag
\mathl{{ \left( M^{ \mathfrak{ u } }_{ \mathfrak{ w } } \right) }_{ik}}{.}


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Drücke in $\R^3$ den Vektor
\mathdisp {(0,1,0)} { }
als \definitionsverweis {Linearkombination}{}{} der Vektoren
\mathdisp {(9,6,5), (2,2,5) \text{ und } (7,3,4)} { }
aus.

}
{

Es geht um das lineare Gleichungssystem
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{9a+2b+7c }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{6a+2b+3c }
{ =} {1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{5a+5b+4c }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wir ersetzen die zweite Zeile durch
\mathl{II-I}{} und die dritte durch
\mathl{2III-5I}{} und erhalten
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{9a+2b+7c }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{-3 a -4c }
{ =} {1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ -35 a -27 c }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wir ersetzen $III$ durch $4III-27II$ und erhalten
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{9a+2b+7c }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{-3 a -4c }
{ =} {1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ 59 a }
{ =} { 27 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Somit ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{a }
{ =} { { \frac{ 27 }{ 59 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{c }
{ =} { { \frac{ -3a -1 }{ 4 } } }
{ =} { { \frac{ -3\cdot{ \frac{ 27 }{ 59 } } -1 }{ 4 } } }
{ =} { - { \frac{ 35 }{ 59 } } }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{b }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 } } ( -9a -7c) }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 } } \cdot { \frac{ 1 }{ 59 } } ( -9 \cdot 27 + 7 \cdot 35) }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 59 } } }
{ } { }
} {}{}{.}


}





\inputaufgabeklausurloesung
{8}
{

Beweise den Basisaustauschsatz.

}
{

Wir führen Induktion über $k$, also über die Anzahl der Vektoren in der Familie. Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist nichts zu zeigen. Es sei die Aussage für $k$ schon bewiesen und seien
\mathl{k+1}{} linear unabhängige Vektoren
\mathdisp {u_1 , \ldots , u_k, u_{k+1}} { }
gegeben. Nach Induktionsvoraussetzung, angewandt auf die \zusatzklammer {ebenfalls linear unabhängigen} {} {} Vektoren
\mathdisp {u_1 , \ldots , u_k} { }
gibt es eine Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ J }
{ = }{ \{ i_1, i_2 , \ldots , i_k \} }
{ \subseteq }{ \{1 , \ldots , n \} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart, dass die Familie
\mathdisp {u_1 , \ldots , u_k, b_i, i \in I \setminus J} { , }
eine Basis von $V$ ist. Wir wollen auf diese Basis das Austauschlemma anwenden. Da eine Basis vorliegt, kann man
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ u_{k+1} }
{ =} { \sum_{j = 1}^k c_j u_j + \sum_{ i \in I \setminus J} d_i b_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} schreiben.  Wären hierbei alle Koeffizienten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ d_i }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}  so ergäbe sich sofort ein Widerspruch zur linearen Unabhängigkeit der
\mathbed {u_j} {}
{j=1 , \ldots , k+1} {}
{} {} {} {.} Es gibt also ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ i }
{ \in }{ I \setminus J }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ d_i }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wir setzen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ i_{k+1} }
{ \defeq }{ i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Damit ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ J' }
{ = }{ \{ i_1, i_2 , \ldots , i_k, i_{k+1} \} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine
\mathl{(k+1)}{-}elementige Teilmenge von
\mathl{{ \{ 1 , \ldots , n \} }}{.} Nach dem Austauschlemma kann man den Basisvektor \mathkor {} {b_{i_{k+1} }} {durch} {u_{k+1}} {} ersetzen und erhält die neue Basis
\mathdisp {u_1 , \ldots , u_k, u_{k+1}, b_i, i \in I \setminus J'} { . }
  Der Zusatz folgt sofort, da eine $k$-elementige Teilmenge einer $n$-elementigen Menge vorliegt.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Dimension}{}{} des von den Vektoren
\mathdisp {\begin{pmatrix} 1 \\1\\ 1\\0 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 1 \\1\\ 0\\1 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 1 \\0\\ 1\\1 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 0 \\1\\ 1\\1 \end{pmatrix}} { }
\definitionsverweis {erzeugten}{}{} \definitionsverweis {Untervektorraumes}{}{} des $\R^4$.

}
{

Die Summe der vier Vektoren ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} 1 \\1\\ 1\\0 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 1 \\1\\ 0\\1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 1 \\0\\ 1\\1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 \\1\\ 1\\1 \end{pmatrix} }
{ =} {\begin{pmatrix} 3 \\3\\ 3\\3 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Daher gehört
\mathl{\begin{pmatrix} 1 \\1\\ 1\\1 \end{pmatrix}}{} zu dem von den Vektoren erzeugten Untervektorraum. Daher gehören auch die Differenzen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} 1 \\1\\ 1\\1 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 1 \\1\\ 1\\0 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 0\\1 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} 1 \\1\\ 1\\1 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 1 \\1\\ 0\\1 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 1\\0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} 1 \\1\\ 1\\1 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 1 \\0\\ 1\\1 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 \\1\\ 0\\0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} 1 \\1\\ 1\\1 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0 \\1\\ 1\\1 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 1 \\0\\ 0\\0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} also die Standardvektoren, zu dem erzeugten Untervektorraum. Daher wird der ganze $\R^4$ erzeugt und die Dimension ist $4$.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Bestimme, für welche
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} x^2+x & -x \\ -x^3+2x^2+5x-1 & x^2-x \end{pmatrix}} { }
\definitionsverweis {invertierbar}{}{} ist.

}
{

Eine Matrix ist genau dann invertierbar, wenn ihre Determinante $\neq 0$ ist. Die Determinante der Matrix ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \det \begin{pmatrix} x^2+x & -x \\ -x^3+2x^2+5x-1 & x^2-x \end{pmatrix} }
{ =} { (x^2+x)(x^2-x) +x (-x^3 +2x^2+5x-1) }
{ =} { x^4-x^2 -x^4 +2x^3+5x^2-x }
{ =} { 2x^3+4x^2-x }
{ =} { x(2x^2+4x-1) }
} {} {}{.} Dies ist gleich $0$ bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} was die Lösung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_1 }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ergibt, oder bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ 2x^2+4x-1 }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Diese quadratische Gleichung ist äquivalent zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x^2+2x- \frac{1}{2} }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} bzw. zu
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (x+1)^2 -1-\frac{1}{2} }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x+1 }
{ =} { \pm \sqrt{ \frac{3}{2} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und damit
\mathdisp {x_2 = \sqrt{ \frac{3}{2} } -1 \text{ und } x_3 = - \sqrt{ \frac{3}{2} } -1} { . }
Die einzigen komplexen Zahlen, bei denen die Matrix nicht invertierbar ist, sind also
\mathdisp {0, \, \sqrt{ \frac{3}{2} } -1, \, - \sqrt{ \frac{3}{2} } -1} { . }


}





\inputaufgabeklausurloesung
{11 (6+5)}
{

Es sei $K$ ein Körper, \mathkor {} {V} {und} {W} {} seien endlichdimensionale $K$-Vektorräume und sei \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} eine lineare Abbildung.

a) Zeige: $\varphi$ ist genau dann surjektiv, wenn es eine lineare Abbildung \maabbdisp {\psi} { W } { V } {} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi \circ \psi }
{ =} { \operatorname{Id}_{ W } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gibt.


b) Es sei nun $\varphi$ surjektiv, es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ S }
{ =} { { \left\{ \psi:W \rightarrow V \mid \psi \text{ linear} , \, \varphi \circ \psi = \operatorname{Id}_{ W } \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \psi_0 }
{ \in }{ S }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} fixiert. Definiere eine Bijektion zwischen \mathkor {} {\operatorname{Hom}_{ K } { \left( W , \operatorname{kern} \varphi \right) }} {und} {S} {,} unter der $0$ auf $\psi_0$ abgebildet wird.

}
{

a)
\mathl{\Leftarrow}{} Es gebe eine lineare Abbildung $\psi$ mit der angegebenen Eigenschaft
\mathl{\varphi \circ \psi = \operatorname{Id}_W}{.} Dann ist für jedes
\mathl{w \in W}{}
\mathdisp {w = \varphi( \psi(w))} { , }
also ist $\psi(w)$ ein Urbild für $w$ unter $\varphi$.


\mathl{\Rightarrow}{} Es sei
\mathl{w_1 , \ldots , w_n}{} eine Basis von
\mathl{W}{} und es seien
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} Urbilder unter $\varphi$, also Elemente in
\mathl{V}{} mit
\mathdisp {\varphi(v_i)= w_i \text { für alle } i=1 , \ldots , n} { . }
Wir definieren nun eine lineare Abbildung \maabb {\psi} {W} {V } {} durch
\mathdisp {\psi(w_i) := v_i \text { für alle } i=1 , \ldots , n} { . }
Da man eine lineare Abbildung auf einer Basis frei vorgeben kann, ist dadurch in der Tat eine lineare Abbildung definiert. Für die Verknüpfung
\mathl{\varphi \circ \psi}{} und einen beliebigen Vektor
\mathl{w= \sum_{i=1}^n a_iw_i}{} gilt
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{(\varphi \circ \psi) ( \sum_{i = 1}^n a_iw_i) }
{ =} { \varphi (\psi ( \sum_{i = 1}^n a_iw_i)) }
{ =} {\varphi ( \sum_{i = 1}^n a_i \psi ( w_i)) }
{ =} {\varphi ( \sum_{i = 1}^n a_i v_i) }
{ =} { \sum_{i = 1}^n a_i \varphi ( v_i) }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { \sum_{i = 1}^n a_i w_i }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
} {}{.} Also ist diese Verknüpfung die Identität.

b) Wir definieren eine Abbildung durch \maabbeledisp {} { \operatorname{Hom}_K(W, \operatorname{kern} \varphi ) } {S } {\theta} { \theta + \psi_0 } {,} wobei
\mathl{\theta + \psi_0}{} die Addition von linearen Abbildungen von \mathkor {} {W} {nach} {V} {} ist. Unter dieser Abbildung geht die Nullabbildung auf $\psi_0$. Wir müssen zuerst zeigen, dass
\mathl{\theta + \psi_0}{} zu $S$ gehört. Dies folgt aus
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ ( \varphi \circ ( \theta + \psi_0 ))(w) }
{ =} { \varphi (( \theta + \psi_0 )(w)) }
{ =} {\varphi ( \theta(w) + \psi_0 (w)) }
{ =} {\varphi ( \psi_0 (w)) }
{ =} {w }
} {} {}{} für alle
\mathl{w \in W}{.}

Zur Injektivität. Seien \mathkor {} {\theta_1} {und} {\theta_2} {} aus
\mathl{\operatorname{Hom}_K(W, \operatorname{kern} \varphi )}{} gegeben, die auf das gleiche Element in $S$ abgebildet werden. Dann ist
\mathdisp {\theta_1(w) + \psi_0(w)= \theta_2(w) + \psi_0(w) \text { für alle } w \in W} { }
und daher
\mathdisp {\theta_1(w) = \theta_2(w) \text { für alle } w \in W} { . }

Zur Surjektivität. Es sei
\mathl{\psi \in S}{.} Wir betrachten
\mathl{\psi - \psi_0}{} und behaupten, dass dies zu
\mathl{\operatorname{Hom}_K(W, \operatorname{kern} \varphi )}{} gehört. Dies folgt aus
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{\varphi(( \psi- \psi_0)(w)) }
{ =} {\varphi( \psi(w)- \psi_0(w)) }
{ =} {\varphi( \psi(w))- \varphi ( \psi_0 (w)) }
{ =} {w-w }
{ =} {0 }
} {} {}{.} Damit ist
\mathl{\psi=( \psi-\psi_0) + \psi_0}{} im Bild der Abbildung.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Zeige, dass eine Permutation auf
\mathl{{ \{ 1 , \ldots , n \} }}{} genau dann die Identität ist, wenn sie keinen \definitionsverweis {Fehlstand}{}{} besitzt.

}
{

Wenn $\pi$ die Identität ist, so ist für jedes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{i }
{ < }{j }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} natürlich auch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\pi(i) }
{ = }{i }
{ < }{j }
{ = }{\pi(j) }
{ }{ }
} {}{}{,} sodass kein Fehlstand vorliegt. Die Umkehrung beweisen wir durch Induktion über $n$. Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist die Aussage richtig. Es sei sie für $n$ schon bewiesen und sei eine Permutation $\pi$ auf
\mathl{\{ 1 , \ldots , n+1\}}{} ohne Fehlstand gegeben. Für jedes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{i }
{ < }{n+1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt dann
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \pi(i) }
{ < }{ \pi(n+1) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Die $n$ verschiedenen Zahlen
\mathbed {\pi(i)} {}
{i = { \{ 1 , \ldots , n \} }} {}
{} {} {} {,} sind also kleiner als
\mathl{\pi (n+1)}{,} und daher ist die einzige verbleibende Möglichkeit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\pi(n+1) }
{ =} { n+1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Daher ist $n+1$ ein Fixpunkt von $\pi$ und somit kann man $\pi$ als eine Permutation auf
\mathl{{ \{ 1 , \ldots , n \} }}{} auffassen. Diese besitzt ebenfalls keinen Fehlstand und ist nach Induktionsvoraussetzung die Identität, also ist auch $\pi$ die Identität.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mathl{{\mathfrak a} \subseteq K[X]}{} ein Ideal, das die beiden Elemente \mathkor {} {X^2+7X+5} {und} {6X+3} {} enthält. Zeige, dass ${\mathfrak a}$ das \definitionsverweis {Einheitsideal}{}{} ist.

}
{

Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ X^2+7X+5 }
{ =} { { \left( 6X+3 \right) } { \left( { \frac{ 1 }{ 6 } } X + { \frac{ 13 }{ 12 } } \right) } + { \frac{ 7 }{ 4 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Da \mathkor {} {X^2+7X+5} {und} {{ \left( 6X+3 \right) } { \left( { \frac{ 1 }{ 6 } } X + { \frac{ 13 }{ 12 } } \right) }} {} zum Ideal ${\mathfrak a}$ gehören, gehört auch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 7 }{ 4 } } }
{ =} {X^2+7X+5 - { \left( 6X+3 \right) } { \left( { \frac{ 1 }{ 6 } } X + { \frac{ 13 }{ 12 } } \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} zu ${\mathfrak a}$. Damit gehört auch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{1 }
{ =} { { \frac{ 4 }{ 7 } } \cdot { \frac{ 7 }{ 4 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} zum Ideal und wegen $P=P\cdot1$ für alle Polynome $P$ ist ${\mathfrak a}$ das Einheitsideal.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Bestimme die $2 \times 2$-\definitionsverweis {Matrizen}{}{} über $\R$ der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { \begin{pmatrix} a & b \\ 0 & d \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M^2 +3M -4 E_2 }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{

Die Gesamtbedingung führt wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} a & b \\ 0 & d \end{pmatrix} \circ \begin{pmatrix} a & b \\ 0 & d \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} a^2 & ab +bd \\ 0 & d^2 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} auf
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} a^2 & ab +bd \\ 0 & d^2 \end{pmatrix} + 3 \begin{pmatrix} a & b \\ 0 & d \end{pmatrix} -4 \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und somit auf die drei Bedingungen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ a^2 +3a-4 }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ d^2 +3d-4 }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (a+d+3 )b }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Nach der Lösungsformel für quadratische Gleichungen gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{a,d }
{ =} { 1, -4 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{b }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sind also
\mathdisp {\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -4 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} -4 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} -4 & 0 \\ 0 & -4 \end{pmatrix}} { }
Lösungen. Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{b }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} muss zusätzlich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{a+d }
{ =} {-3 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} sein, und daher sind
\mathdisp {\begin{pmatrix} 1 & b \\ 0 & -4 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} -4 & b \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \text{ mit } b \neq 0} { }
weitere Lösungen.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{2}
{

Was ist falsch an der folgenden Argumentation:

\anfuehrung{Aussage: Es sei $\lambda$ ein \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} zur \definitionsverweis {oberen Dreiecksmatrix}{}{}
\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} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lambda }
{ =} { d_n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

Beweis: Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x }
{ =} { \begin{pmatrix} x_1 \\\vdots\\ x_n \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein Eigenvektor der Matrix zum Eigenwert $\lambda$. Dies bedeutet die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \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} \begin{pmatrix} x_1 \\\vdots\\ x_n \end{pmatrix} }
{ =} { \lambda \begin{pmatrix} x_1 \\\vdots\\ x_n \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Diese Gleichheit bedeutet die entsprechende Gleichheit in jeder Zeile. Speziell ergibt sich für die letzte Zeile die Bedingung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{d_nx_n }
{ =} { \lambda x_n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Da $x$ als Eigenvektor von $0$ verschiedenen sein muss, kann man durch $x_n$ dividieren und erhält
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ d_n }
{ = }{ \lambda }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{}

}
{

Es ist zwar
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x }
{ =} { \begin{pmatrix} x_1 \\\vdots\\ x_n \end{pmatrix} }
{ \neq} {0 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} dies bedeutet aber nur, dass mindestens eine Komponente nicht $0$ ist. Der letzte Eintrag kann $0$ sein, und dann kann man die behauptete Division nicht durchführen.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {\Q^3} {\Q^3 } {} werde bezüglich der Standardbasis durch die \definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mathdisp {\begin{pmatrix} -2 & 7 & 8 \\ 0 & -2 & -2 \\0 & 0 & -2 \end{pmatrix}} { }
beschrieben. Finde eine \definitionsverweis {Basis}{}{,} bezüglich der $\varphi$ durch die Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} -2 & 1 & 0 \\ 0 & -2 & 1 \\0 & 0 & -2 \end{pmatrix}} { }
beschrieben wird.

}
{

Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { \begin{pmatrix} -2 & 7 & 8 \\ 0 & -2 & -2 \\0 & 0 & -2 \end{pmatrix} + 2 \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\0 & 0 & 1 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 7 & 8 \\ 0 & 0 & -2 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} 0 & 7 & 8 \\ 0 & 0 & -2 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \circ \begin{pmatrix} 0 & 7 & 8 \\ 0 & 0 & -2 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 0 & -14 \\ 0 & 0 & 0 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Der Vektor
\mathl{\begin{pmatrix} 0 \\0\\ 1 \end{pmatrix}}{} gehört nicht zum Kern von $M^2$, daher kann man aus den sukzessiven Bildern davon eine Basis wie gewünscht herstellen. Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 1 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 7 & 8 \\ 0 & 0 & -2 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 1 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 8 \\-2\\ 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M^2 \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 1 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} -14 \\0\\ 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Daher ist
\mathdisp {\begin{pmatrix} -14 \\0\\ 0 \end{pmatrix}\, , \begin{pmatrix} 8 \\-2\\ 0 \end{pmatrix} \, , \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 1 \end{pmatrix}} { }
eine Basis, bezüglich der die jordansche Normalform
\mathdisp {\begin{pmatrix} -2 & 1 & 0 \\ 0 & -2 & 1 \\0 & 0 & -2 \end{pmatrix}} { }
vorliegt.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{2}
{

Es sei
\mathbed {P_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} eine Familie von Punkten in einem \definitionsverweis {affinen Raum}{}{} $E$. Zeige, dass durch eine \definitionsverweis {baryzentrische Kombination}{}{}
\mathl{\sum_{i \in I} a_iP_i}{} ein eindeutiger Punkt in $E$ definiert wird.

}
{

Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Q,Q' }
{ \in }{ E }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ Q + \sum_{i \in I} a_i \overrightarrow{ Q P_i } }
{ =} { Q' + \overrightarrow{ Q' Q } + \sum_{i \in I} a_i \overrightarrow{ Q P_i } }
{ =} { Q' +\sum_{i \in I} a_i { \left( \overrightarrow{ Q' Q } + \overrightarrow{ Q P_i } \right) } }
{ =} { Q' + \sum_{i \in I} a_i \overrightarrow{ Q' P_i } }
{ } { }
} {} {}{,} der Punkt ist also wohldefiniert.


}