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Kurs:Lineare Algebra/Teil I/21/Klausur mit Lösungen/latex

Aus Wikiversity

%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}{ 4 }

\renewcommand{\avier}{ 5 }

\renewcommand{\afuenf}{ 7 }

\renewcommand{\asechs}{ 4 }

\renewcommand{\asieben}{ 3 }

\renewcommand{\aacht}{ 1 }

\renewcommand{\aneun}{ 8 }

\renewcommand{\azehn}{ 4 }

\renewcommand{\aelf}{ 3 }

\renewcommand{\azwoelf}{ 3 }

\renewcommand{\adreizehn}{ 4 }

\renewcommand{\avierzehn}{ 3 }

\renewcommand{\afuenfzehn}{ 4 }

\renewcommand{\asechzehn}{ 2 }

\renewcommand{\asiebzehn}{ 3 }

\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{Die \stichwort {Vereinigung} {} zu einer Mengenfamilie
\mathbed {M_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {,} in einer Grundmenge $G$.

}{Die \stichwort {Fakultät} {} einer natürlichen Zahl $n$.

}{Ein \stichwort {Untervektorraum} {}
\mathl{U \subseteq V}{} in einem $K$-Vektorraum $V$.

}{Die \stichwort {Spur} {} zu einer \definitionsverweis {linearen Abbildung}{}{} \maabb {\varphi} {V} {V } {} auf einem \definitionsverweis {endlichdimensionalen}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$.

}{Eine \stichwort {Fahne} {} in einem $n$-\definitionsverweis {dimensionalen}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$.

}{Die \stichwort {baryzentrischen Koordinaten} {} zu einem Punkt
\mathl{P \in E}{} in einem \definitionsverweis {affinen Raum}{}{} $E$ über dem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$ bezüglich einer \definitionsverweis {affinen Basis}{}{}
\mathbed {P_i} {}
{i \in I} {}
{} {} {} {.} }

}
{

\aufzaehlungsechs{Man nennt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \bigcup_{i \in I} M_i }
{ =} { { \left\{ x \in G \mid \text{es gibt ein } i \in I \text{ mit } x \in M_i \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Vereinigung der Mengen. }{Unter der Fakultät von $n$ versteht man die Zahl
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{n! }
{ \defeq} { n(n-1)(n-2) \cdots 3 \cdot 2 \cdot 1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Die Teilmenge
\mathl{U \subseteq V}{} heißt Untervektorraum, wenn die folgenden Eigenschaften gelten. \aufzaehlungdrei{
\mathl{0 \in U}{.} }{Mit
\mathl{u,v \in U}{} ist auch
\mathl{u+v \in U}{.} }{Mit
\mathl{u \in U}{} und
\mathl{s \in K}{} ist auch
\mathl{s u \in U}{.} } }{Die \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} werde bezüglich einer \definitionsverweis {Basis}{}{} durch die \definitionsverweis {Matrix}{}{} $M$ beschrieben. Dann nennt man
\mathl{\operatorname{Spur} { \left( M \right) }}{} die Spur von $\varphi$. }{Eine Kette von \definitionsverweis {Untervektorräumen}{}{}
\mathdisp {0=V_0 \subset V_1 \subset \ldots \subset V_{n-1} \subset V_n=V} { }
heißt eine Fahne in $V$. }{Man nennt die zu $P$ eindeutig bestimmten Zahlen
\mathdisp {(a_i, i \in I) \text{ mit } \sum_{i \in I} a_i =1} { }
mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P }
{ =} { \sum_{i \in I} a_i P_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die baryzentrischen Koordinaten von $P$. }


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Formuliere die folgenden Sätze. \aufzaehlungdrei{Der \stichwort {Charakterisierungssatz} {} für eine \definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} in einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$.}{Der Satz über den Zusammenhang von Zeilenumformungen und Elementarmatrizen.}{Der Satz über die \stichwort {Charakterisierung von trigonalisierbaren Abbildungen} {} \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} auf einem endlichdimensionalen $K$-Vektorraum $V$.}

}
{

\aufzaehlungdrei{Es sei $K$ ein Körper und $V$ ein $K$-Vektorraum. Es sei
\mathl{v_1 , \ldots , v_n \in V}{} eine Familie von Vektoren. Dann sind folgende Aussagen äquivalent. \aufzaehlungvier{Die Familie ist eine Basis von $V$. }{Die Familie ist ein minimales Erzeugendensystem, d.h. sobald man einen Vektor $v_i$ weglässt, liegt kein Erzeugendensystem mehr vor. }{Für jeden Vektor
\mathl{u \in V}{} gibt es genau eine Darstellung
\mathdisp {u= s_1 v_1 + \cdots + s_n v_n} { . }
}{Die Familie ist maximal linear unabhängig, d.h. sobald man irgendeinen Vektor dazunimmt, ist die Familie nicht mehr linear unabhängig. }}{Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und $M$ eine $m \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} mit Einträgen in $K$. Dann hat die \definitionsverweis {Multiplikation}{}{} mit den $m \times m$-\definitionsverweis {Elementarmatrizen}{}{} von links mit $M$ folgende Wirkung. \aufzaehlungdrei{$V_{ij} \circ M =$ Vertauschen der $i$-ten und der $j$-ten Zeile von $M$. }{$(S_k (s)) \circ M =$ Multiplikation der $k$-ten Zeile von $M$ mit $s$. }{$(A_{ij}(a)) \circ M =$ Addition des $a$-fachen der $j$-ten Zeile von $M$ zur $i$-ten Zeile (\mathlk{i \neq j}{}). }}{Folgende Aussagen sind äquivalent. \aufzaehlungvier{$\varphi$ ist \definitionsverweis {trigonalisierbar}{}{.} }{Es gibt eine $\varphi$-\definitionsverweis {invariante Fahne}{}{.} }{Das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{}
\mathl{\chi_{ \varphi }}{} zerfällt in \definitionsverweis {Linearfaktoren}{}{.} }{Das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{}
\mathl{\mu_\varphi}{} zerfällt in \definitionsverweis {Linearfaktoren}{}{.} }}

}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und
\mathdisp {\begin{matrix} a _{ 1 1 } x _1 + a _{ 1 2 } x _2 + \cdots + a _{ 1 n } x _{ n } & = & 0 \\ a _{ 2 1 } x _1 + a _{ 2 2 } x _2 + \cdots + a _{ 2 n } x _{ n } & = & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots \\ a _{ m 1 } x _1 + a _{ m 2 } x _2 + \cdots + a _{ m n } x _{ n } & = & 0 \end{matrix}} { }
ein homogenes \definitionsverweis {lineares Gleichungssystem}{}{} über $K$. Zeige, dass die Menge aller Lösungen des Gleichungssystems ein \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{} des $K^n$ ist. Wie verhält sich dieser Lösungsraum zu den Lösungsräumen der einzelnen Gleichungen?

}
{

Wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{j = 1}^n a_{ij} 0 }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ i }
{ =} { 1 , \ldots , m }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist das Nulltupel
\mathl{(0 , \ldots , 0)}{} eine Lösung. Es seien
\mathl{\left( x_1 , \, \ldots , \, x_n \right)}{} und
\mathl{\left( y_1 , \, \ldots , \, y_n \right)}{} Lösungen des linearen Gleichungssystems. Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist dann für jedes $i$
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{j = 1}^n a_{ij} { \left( s x_j \right) } }
{ =} { s \cdot { \left( \sum_{j = 1}^n a_{ij} x_j \right) } }
{ =} { s \cdot 0 }
{ =} { 0 }
{ } { }
} {}{}{.} Entsprechend ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \sum_{j = 1}^n a_{ij} { \left( x_j +y_j \right) } }
{ =} { \sum_{j = 1}^n { \left( a_{ij} x_j +a_{ij} y_j \right) } }
{ =} { { \left( \sum_{j = 1}^n a_{ij} x_j \right) } + { \left( \sum_{j = 1}^n a_{ij} x_j \right) } }
{ =} { 0 +0 }
{ =} { 0 }
} {} {}{} für alle $i$. Somit ist der Lösungsraum unter Multiplikation mit einem Skalar und unter Addition abgeschlossen und bildet demnach einen Untervektorraum.

Der Gesamtlösungsraum ist der Durchschnitt der Lösungsräume zu den einzelnen Gleichungen.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{5 (1+1+1+1+1)}
{

Der $\R$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $\R^2$ sei zusätzlich mit der komponentenweisen Multiplikation versehen. Bestimme, welche der folgenden Teilmengen unter dieser Multiplikation abgeschlossen sind. \aufzaehlungfuenf{Die Punktmenge
\mathl{\{ \left( 0 , \, 0 \right), \left( 0 , \, 1 \right), \left( 1 , \, 0 \right) , \left( 1 , \, 1 \right) \}}{.} }{Die Gerade
\mathdisp {{ \left\{ \left( x , \, y \right) \mid y = 3x \right\} }} { . }
}{Das Achsenkreuz
\mathdisp {{ \left\{ \left( x , \, y \right) \mid x = 0 \text{ oder } y = 0 \right\} }} { . }
}{Die Hyperbel
\mathdisp {{ \left\{ \left( x , \, y \right) \mid xy = 1 \right\} }} { . }
}{Die Parabel
\mathdisp {{ \left\{ \left( x , \, y \right) \mid y = x^2 \right\} }} { . }
}

}
{

\aufzaehlungfuenf{Ist multiplikativ abgeschlossen. Bei jedem möglichen Produkt sind die beiden Komponenten $0$ oder $1$, gehören also wieder zu der Punktmenge. }{Ist nicht multiplikativ abgeschlossen. Es ist
\mathl{(1,3)}{} ein Punkt der Geraden, aber
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (1,3) \cdot (1,3) }
{ =} { (1,9) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist kein Punkt der Geraden. }{Ist multiplikativ abgeschlossen. Ein Produkt von zwei Punkten des Achsenkreuzes hat in mindestens einer Komponenten den Wert $0$ und gehört somit wieder zum Achsenkreuz. }{Ist multiplikativ abgeschlossen. Es seien
\mathl{(x,y)}{} und
\mathl{(z,w)}{} Punkte der Hyperbel, also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{xy }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{zw }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Das Produkt der Punkte ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (x,y) \cdot (z,w) }
{ =} { (xz,yw) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{(xz ) \cdot (yw) }
{ =} { xzyw }
{ =} { xy zw }
{ =} { 1 \cdot 1 }
{ =} {1 }
} {}{}{} liegt das Produkt wieder auf der Hyperbel. }{Ist multiplikativ abgeschlossen. Die Punkte auf der Parabel sind die Punkte der Form
\mathl{(x,x^2)}{,} und das Produkt von zwei solchen Punkten ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (x,x^2) \cdot (u,u^2) }
{ =} { (xu, x^2u^2) }
{ =} { (xu, (xu)^2) }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} und hat also wieder diese Form. }


}





\inputaufgabeklausurloesung
{7 (5+2)}
{

Es sei $M$ eine $m \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} über dem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ mit dem \definitionsverweis {Rang}{}{} $r$. \aufzaehlungzwei {Zeige, dass es eine
\mathl{r \times n}{-}Matrix $A$ und eine
\mathl{m \times r}{-}Matrix $B$, beide mit dem Rang $r$, mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M }
{ = }{B \circ A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt. } {Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{s }
{ < }{r }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass es nicht möglich ist,
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M }
{ = }{B \circ A }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit einer
\mathl{s \times n}{-}Matrix $A$ und einer
\mathl{m \times s}{-}Matrix $B$ zu schreiben. }

}
{

\aufzaehlungzwei {Wir fassen die Matrix als \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {} {K^n} { K^m } {.} Nach Lemma 12.14 ist der \definitionsverweis {Rang}{}{} dieser Abbildung gleich $r$, d.h. das Bild
\mathl{V \subseteq K^m}{} besitzt die Dimension $r$. Es gibt also eine Faktorisierung
\mathdisp {K^n \longrightarrow V \longrightarrow K^m} { , }
wobei die erste Abbildung die durch $M$ gegebene Abbildung mit dem Bild $V$ ist und die zweite Abbildung die Inklusion
\mathl{V \subseteq K^m}{.} Mit einer Basis
\mathl{v_1 , \ldots , v_r}{} von $V$ und den Standardbasen links und rechts werden diese beiden linearen Abbildungen durch eine
\mathl{r \times n}{-}Matrix $A$ und eine
\mathl{m \times r}{-}Matrix $B$ beschrieben. Somit gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} {B \circ A }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Da die durch $A$ beschriebene lineare Abbildung surjektiv auf $V$ abbildet, ist ihr Rang gleich $r$. Da das Bild der durch $B$ beschriebenen linearen Abbildung wegen der Injektivität ebenfalls die Dimension $r$ besitzt, ist ihr Rang auch $r$. } {Wir nehmen an, dass es eine Darstellung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} {B \circ A }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit einer
\mathl{s \times n}{-}Matrix $A$ und einer
\mathl{m \times s}{-}Matrix $B$ gibt. Dann ergibt sich eine Faktorisierung
\mathdisp {K^n \stackrel{A}{\longrightarrow} K^s \stackrel{B}{\longrightarrow} K^m} { . }
Das Bild der Gesamtabbildung ist im Bild der hinteren Abbildung enthalten, und ist somit höchstens $s$-dimensional. Da $r$ die Dimension des Bildes der Gesamtabbildung ist, ergibt sich aus
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{s }
{ < }{r }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Widerspruch. }


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {endlicher Körper}{}{} mit $q$ Elementen. Bestimme die Anzahl der nicht \definitionsverweis {invertierbaren}{}{} $2 \times 2$-\definitionsverweis {Matrizen}{}{} über $K$.

}
{

Die $2\times 2$-Matrizen haben die Form
\mathdisp {\begin{pmatrix} x & y \\ z & w \end{pmatrix}} { }
mit
\mathl{x,y,z,w \in K}{.} Die Eigenschaft, nicht invertierbar zu sein, kann man mit der Determinante durch die Bedingung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ xw-yz }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ausdrücken. Wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{w }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist, so muss
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} oder
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sein. Im ersten Fall gibt es für $x$ und $z$ jeweils $q$ Möglichkeiten. Im zweiten Fall gibt es für $x$ und $y$ ebenfalls jeweils $q$ Möglichkeiten, allerdings darf man
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} nicht doppelt zählen. Somit erhalten wir bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{w }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} insgesamt
\mathl{q^2 + q(q-1)}{} Möglichkeiten. Es sei also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{w }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x }
{ =} { { \frac{ yz }{ w } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} d.h. $x$ ist durch die drei anderen Belegungen eindeutig bestimmt. Von dieser Art gibt es
\mathl{(q-1)q^2}{} Möglichkeiten. Insgesamt gibt es also
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ q^2 + q(q-1) + (q-1)q^2 }
{ =} { q^2 + q^2 -q + q^3 -q^2 }
{ =} { q^3 +q^2-q }
{ } { }
{ } { }
} {} {}{} nichtinvertierbare $2 \times 2$-Matrizen.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Man gebe ein Beispiel für einen $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$ und eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabb {\varphi} {V} {V } {,} die \definitionsverweis {surjektiv}{}{,} aber nicht \definitionsverweis {injektiv}{}{} ist.

}
{

Wir betrachten den Vektorraum
\mathl{K^{(\N)}}{} mit der \definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathbed {e_n} {}
{n \in \N} {}
{} {} {} {.} Wir betrachten die durch den Festlegungssatz gegebene lineare Abbildung, die das Basiselement $e_0$ auf sich selbst und die weiteren Basiselemente $e_n$ auf $e_{n-1}$ schickt. Dann werden
\mathl{e_0}{} und $e_1$ beide auf $e_0$ abgebildet und die Abbildung ist daher nicht injektiv. Hingegen wird jedes Basiselement $e_n$ durch $e_{n+1}$ getroffen, und somit ist diese lineare Abbildung surjektiv.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{1}
{

Bestimme, abhängig von
\mathl{a,b,c,d}{,} den \definitionsverweis {Rang}{}{} der Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} a & 4b & a-c & d \\ 0 & b & b^2 & b^3 \\ 0 & 0 & c^2 & a^2 \\ 0 & 0 & 0 & d \end{pmatrix}} { . }

}
{

Da eine obere Dreiecksmatrix vorliegt, ist der Rang der Matrix gleich der Anzahl der von $0$ verschiedenen Elemente in der Hauptdiagonalen. Dies ist einfach die Anzahl der
\mathl{a,b,c,d}{,} die von $0$ verschieden sind.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{8 (3+3+2)}
{

\aufzaehlungdrei{Beweise den Determinantenmultiplikationssatz
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \det \left( A \circ B \right) }
{ =} { \det \left( A \right) \det \left( B \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für den Fall, dass $A$ eine Elementarmatrix ist. }{Beweise den Determinantenmultiplikationssatz
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \det \left( A \circ B \right) }
{ =} { \det \left( A \right) \det \left( B \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für den Fall, dass $A$ ein Produkt aus Elementarmatrizen ist. }{Beweise den Determinantenmultiplikationssatz mit Hilfe von (2). }

}
{

\aufzaehlungdrei{Wir gehen die verschiedenen Elementarmatrizen durch. Wenn $E$ eine Vertauschungsmatrix ist, so ist ihre Determinante gleich $-1$ und $E \circ M$ entsteht aus $M$, indem die $i$-te und die $j$-te Zeile vertauscht werden. Das ändert die Determinante um das Vorzeichen. Wenn $E$ eine Skalierungsmatrix zum Faktor $s$ ist, so ist ihre Determinante gleich $s$ und $E \circ M$ entsteht aus $M$, indem die $i$-te mit $s$ multipliziert. Das ändert die Determinante um den Faktor $s$. Wenn $E$ eine Additionsmatrix ist, so ist ihre Determinante gleich $1$ und $E \circ M$ entsteht aus $M$, indem das $a$-fache der $j$-ten Zeile zur $i$-ten Zeile hinzuaddiert wird. Das ändert die Determinante nicht. }{Sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{A }
{ =} { E_1 \circ \cdots \circ E_s }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein Produkt von Elementarmatrizen. Wir beweisen die Aussage durch Induktion nach $s$, wobei sich der Induktionsanfang zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} aus Teil (1) ergibt. Es sei die Aussage für ein Produkt aus $s-1$ Elementarmatrizen schon bewiesen. Dann ist nach Teil (1) und der Induktionsvoraussetzung
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \det \left( AB \right) }
{ =} { \det \left( E_1 \circ \cdots \circ E_s \circ B \right) }
{ =} { \det E_1 \circ { \left( E_2 \circ \cdots \circ E_s \circ B \right) } }
{ =} { \det E_1 \cdot \det \left( E_2 \circ \cdots \circ E_s \circ B \right) }
{ =} { \det E_1 \cdot \det E_2 \cdots \det E_s \cdot \det B }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { \det A \cdot \det B }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
} {}{.} wobei sich die letzte Gleichung aus dem Spezialfall zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{B }
{ = }{ E_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ergibt. }{Es sei zunächst
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \det A }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist nach Satz 16.11 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) die Matrix $A$ nicht \definitionsverweis {invertierbar}{}{} und damit ist auch
\mathl{A \circ B}{} nicht invertierbar und somit wiederum
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \det A \circ B }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei nun $A$ invertierbar. Dann gibt es eine Zerlegung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ A }
{ =} { E_1 \circ \cdots \circ E_s }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} in Elementarmatrizen, und die Aussage folgt aus Teil (2). }


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Beweise den Satz über die Beschreibung des Signums mit Fehlständen.

}
{

Wir schreiben
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \operatorname{sgn}(\pi) }
{ =} { \prod_{ i < j } \frac{ \pi( j ) - \pi( i )}{ j - i } }
{ =} { \prod_{(i,j) \in F} \frac{ \pi (j) - \pi (i) }{ j-i } \prod_{(i,j) \not \in F} \frac{ \pi (j) - \pi (i) }{ j-i } }
{ =} { (-1)^k \prod_{(i,j) \in F} \frac{ \pi (i) - \pi (j) }{ j-i } \prod_{(i,j) \not \in F} \frac{ \pi (j) - \pi (i) }{ j-i } }
{ =} { (-1)^k }
} {} {}{,} da nach dieser Umordnung sowohl im Zähler als auch im Nenner das Produkt aller positiven Differenzen steht.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Bestimme im \definitionsverweis {Polynomring}{}{}
\mathl{K[X]}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ die \definitionsverweis {invertierbaren}{}{} Elemente, also Polynome $P$, für die es ein weiteres Polynom $Q$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{PQ }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt.

}
{

Es sind genau die konstanten Polynome
\mathbed {a} {}
{a \neq 0} {}
{} {} {} {} invertierbar. Wegen
\mathl{a \in K}{} besitzen diese ein Inverses. Das Nullpolynom ist sicher nicht invertierbar. Es sei nun
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P }
{ =} {a_nX^n + \cdots + a_1X+a_0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ein nichtkonstantes Polynom, also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a_n }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann besitzt für jedes Polynom
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} das Polynom
\mathdisp {PQ} { }
einen Grad
\mathl{\geq 1}{,} ist also nicht $1$ \zusatzklammer {und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P \cdot 0 }
{ = }{ 0 }
{ \neq }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} {.}


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x^2 + p x +q }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine quadratische Gleichung über einem Körper $K$, und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ r }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Lösung davon. Zeige, dass auch
\mathl{{ \frac{ q }{ r } }}{} eine Lösung der Gleichung ist.

}
{

Wir behaupten, dass das Polynom
\mathl{X^2+pX+q}{} die Faktorzerlegung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ X^2+pX+q }
{ =} { (X-r) { \left( X- { \frac{ q }{ r } } \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} besitzt. Wenn man die rechte Seite ausmultipliziert, so stimmt der konstante Koeffizient und der Leitkoeffizient mit den Koeffizienten der linken Seite überein. Der lineare Koeffizient ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{-r- { \frac{ q }{ r } } }
{ =} { { \frac{ -r^2- q }{ r } } }
{ =} { { \frac{ - { \left( -pr-q \right) } - q }{ r } } }
{ =} { { \frac{ pr +q - q }{ r } } }
{ =} { p }
} {}{}{,} sodass hier auch Überstimmung vorliegt. Wenn man nun rechts ${ \frac{ q }{ r } }$ einsetzt, kommt offenbar $0$ raus, es liegt also eine Lösung vor.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Beweise den Satz über die Diagonalisierbarkeit und Eigenräume.

}
{

Wenn $\varphi$ diagonalisierbar ist, so gibt es eine \definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} von $V$ aus \definitionsverweis {Eigenvektoren}{}{.} Es ist dann
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{Eig}_{ \lambda } { \left( \varphi \right) } }
{ =} { \langle v_i ,\, \text{der Eigenwert zu } v_i \text{ ist } \lambda \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Daher ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V }
{ =} { \operatorname{Eig}_{ \lambda_1 } { \left( \varphi \right) } \oplus \cdots \oplus \operatorname{Eig}_{ \lambda_k } { \left( \varphi \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei die Direktheit sich aus Lemma 22.2 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) ergibt. Wenn umgekehrt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V }
{ =} { \operatorname{Eig}_{ \lambda_1 } { \left( \varphi \right) } \oplus \cdots \oplus \operatorname{Eig}_{ \lambda_k } { \left( \varphi \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} vorliegt, so kann man in jedem der Eigenräume eine Basis wählen. Diese Basen bestehen aus Eigenvektoren und ergeben zusammen eine Basis von $V$.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Bestimme in $\Z$ mit Hilfe des euklidischen Algorithmus den \definitionsverweis {größten gemeinsamen Teiler}{}{} von $71894$ und $45327$.

}
{

Der Euklidische Algorithmus liefert:

\mathdisp {71894 = 1 \cdot 45327 + 26567} { }

\mathdisp {45327 = 1 \cdot 26567 + 18760} { }

\mathdisp {26567 = 1 \cdot 18760 + 7807} { }

\mathdisp {18760 = 2 \cdot 7807 + 3146} { }

\mathdisp {7807 = 2 \cdot 3146 + 1515} { }

\mathdisp {3146 = 2 \cdot 1515 + 116} { }

\mathdisp {1515 = 13 \cdot 116 + 7} { }

\mathdisp {116 = 16 \cdot 7 + 4} { }

\mathdisp {7 = 1 \cdot 4 + 3} { }

\mathdisp {4 = 1 \cdot 3 + 1} { . }
Die Zahlen \mathkor {} {71894} {und} {45327} {} sind also teilerfremd.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{4}
{

Es seien \mathkor {} {V} {und} {W} {} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} über $K$ der gleichen \definitionsverweis {Dimension}{}{} $n$ und es seien
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{0 }
{ =} {V_0 }
{ \subset} {V_1 }
{ \subset \ldots \subset} {V_{n-1} }
{ \subset} {V_n }
} {
\vergleichskettefortsetzung
{ =} {V }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{0 }
{ =} {W_0 }
{ \subset} {W_1 }
{ \subset \ldots \subset} {W_{n-1} }
{ \subset} {W_n }
} {
\vergleichskettefortsetzung
{ =} {W }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
}{}{} \definitionsverweis {Fahnen}{}{} in \mathkor {} {V} {bzw.} {W} {.} Zeige, dass es eine \definitionsverweis {bijektive}{}{} \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi(V_i) }
{ =} { W_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{i }
{ = }{0,1 , \ldots , n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt.

}
{

Aufgrund des Basisergänzungssatzes gibt es eine \definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathdisp {v_1 , \ldots , v_n} { }
von $V$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_i }
{ =} { \langle v_1 , \ldots , v_i \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle $i$. Entsprechend gibt es eine Basis
\mathdisp {w_1 , \ldots , w_n} { }
von $W$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{W_i }
{ =} { \langle w_1 , \ldots , w_i \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle $i$. Aufgrund des Basisfestlegungssatzes gibt es eine lineare Abbildung \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\varphi(v_i) }
{ = }{ w_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Diese ist surjektiv, da das Bild ein Erzeugendensystem enthält, und somit bijektiv, da die Räume gleichdimensional sind. Nach Konstruktion gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi(V_i) }
{ \subseteq} {W_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei wegen der Dimension hier Gleichheit gilt.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{2}
{

Bestimme, ob die Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 1 & 7 \\ 3 & 21 \end{pmatrix}} { }
\definitionsverweis {nilpotent}{}{} ist.

}
{

Wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} 1 & 7 \\ 3 & 21 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\7 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 22 \\ 154 \end{pmatrix} }
{ =} { 22 \begin{pmatrix} 1 \\7 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist $22$ ein Eigenwert der Matrix, sie kann also nicht nilpotent sein.


}





\inputaufgabeklausurloesung
{3}
{

Bestimme, ob die beiden Matrizen
\mathdisp {M = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \text{ und } N= \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}} { }
zueinander \definitionsverweis {ähnlich}{}{} sind.

}
{

Die Matrix $M$ bildet
\mathdisp {e_2 \mapsto e_1,\, e_1 \mapsto 0, \, e_4 \mapsto e_3,\, e_3 \mapsto 0} { , }
daher ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M^2 }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Die Matrix $N$ bildet
\mathdisp {e_1 \mapsto 0, \, e_4 \mapsto e_3,\, e_3 \mapsto e_2, \, e_2 \mapsto 0} { , }
daher ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{N^2 }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Die beiden Matrizen können also nicht die gleiche lineare Abbildung beschreiben und sind somit nicht zueinander ähnlich.


}