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Kurs:Lineare Algebra/Teil I/5/Klausur/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}{ 3 }

\renewcommand{\avier}{ 2 }

\renewcommand{\afuenf}{ 12 }

\renewcommand{\asechs}{ 3 }

\renewcommand{\asieben}{ 3 }

\renewcommand{\aacht}{ 5 }

\renewcommand{\aneun}{ 5 }

\renewcommand{\azehn}{ 6 }

\renewcommand{\aelf}{ 5 }

\renewcommand{\azwoelf}{ 4 }

\renewcommand{\adreizehn}{ 6 }

\renewcommand{\avierzehn}{ 3 }

\renewcommand{\afuenfzehn}{ 1 }

\renewcommand{\asechzehn}{ 64 }

\renewcommand{\asiebzehn}{ }

\renewcommand{\aachtzehn}{ }

\renewcommand{\aneunzehn}{ }

\renewcommand{\azwanzig}{ }

\renewcommand{\aeinundzwanzig}{ }

\renewcommand{\azweiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\adreiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\avierundzwanzig}{ }

\renewcommand{\afuenfundzwanzig}{ }

\renewcommand{\asechsundzwanzig}{ }

\punktetabellefuenfzehn

\klausurnote

\newpage


\setcounter{section}{0}




\inputaufgabegibtloesung
{3}
{

Definiere die folgenden \zusatzklammer {kursiv gedruckten} {} {} Begriffe. \aufzaehlungsechs{Die \stichwort {Matrizenmultiplikation} {.}

}{Der von einer Familie von Vektoren
\mathl{v_i,\, i \in I}{,} aus einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$ \stichwort {aufgespannte Untervektorraum} {.}

}{Die \stichwort {Elementarmatrizen} {.}

}{Eine \stichwort {Determinantenfunktion} {} \maabbdisp {\triangle} {V^n} {K } {,} wobei $V$ ein $n$-\definitionsverweis {dimensionaler}{}{} \definitionsverweis {Vektorraum}{}{} über einem \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ ist.

}{Ein \stichwort {Gruppenhomomorphismus} {} zwischen \definitionsverweis {Gruppen}{}{} \mathkor {} {(G, \circ, e_G)} {und} {(H, \circ, e_H)} {.}

}{Ein \stichwort {affiner Raum} {} über einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$. }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{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 Ideale in einem Polynomring
\mathl{K[X]}{} in einer Variablen über einem Körper $K$.}{Der Satz über Eigenwerte und das charakteristische Polynom.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{3}
{

In einem Hörsaal befindet sich ein Tafelgestell mit drei hintereinander liegenden, vertikal verschiebbaren Tafeln. Diese seien mit $V$ \zusatzklammer {vordere Tafel} {} {,} $M$ \zusatzklammer {mittlere Tafel} {} {} und $H$ \zusatzklammer {hintere Tafel} {} {} bezeichnet. Aufgrund der Höhe des Gestells sind nur \zusatzklammer {maximal} {} {} zwei Tafeln gleichzeitig einsehbar. Die Lehrperson schreibt in der Vorlesung jede Tafel genau einmal voll. In welcher Reihenfolge \zusatzklammer {alle Möglichkeiten} {!} {} muss sie die Tafeln einsetzen, wenn beim Beschreiben einer Tafel stets die zuletzt beschriebene Tafel sichtbar sein soll.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{2}
{

Es seien $L,M,N$ Mengen und
\mathdisp {f:L \longrightarrow M \text{ und } g:M \longrightarrow N} { }
\definitionsverweis {Abbildungen}{}{} mit der \definitionsverweis {Hintereinanderschaltung}{}{} \maabbeledisp {g \circ f} {L} {N } {x} {g(f(x)) } {.} Zeige: Wenn $g \circ f$ \definitionsverweis {injektiv}{}{} ist, so ist auch $f$ injektiv.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{12}
{

Beweise den \stichwort {Charakterisierungssatz} {} für eine \definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} in einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{3}
{

Bestimme die \definitionsverweis {inverse Matrix}{}{} zu
\mathdisp {\begin{pmatrix} 1 & 3 & 0 \\ 5 & 2 & 1 \\0 & 0 & 2 \end{pmatrix}} { . }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{3}
{

Drücke die Vektoren
\mathl{u_1^*,u_2^*}{} der \definitionsverweis {Dualbasis}{}{} zur Basis
\mathl{u_1 = \begin{pmatrix} 1 \\3 \end{pmatrix},\, u_2 = \begin{pmatrix} 2 \\-5 \end{pmatrix}}{} im $\R^2$ als \definitionsverweis {Linearkombinationen}{}{} bezüglich der Standarddualbasis
\mathl{e_1^*,e_2^*}{} aus.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{5}
{

Zeige, dass im Polynomring
\mathl{K[X]}{} über einem Körper $K$ jedes \definitionsverweis {Ideal}{}{} ein \definitionsverweis {Hauptideal}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{5}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{K }
{ \subseteq }{L }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Körpererweiterung}{}{.} Es sei eine $n \times n$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} $M$ über $K$ gegeben. Zeige, dass das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ K[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit dem Minimalpolynom zu $M$ übereinstimmt, wenn man die Matrix über $L$ auffasst.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{6 (3+3)}
{


a) Es sei $M$ eine $2 \times 2$-\definitionsverweis {Matrix}{}{,} die \definitionsverweis {trigonalisierbar}{}{,} aber weder \definitionsverweis {diagonalisierbar}{}{} noch \definitionsverweis {invertierbar}{}{} ist. Zeige, dass $M$ \definitionsverweis {nilpotent}{}{} ist.


b) Man gebe ein Beispiel einer $3 \times 3$-\definitionsverweis {Matrix}{}{} $M$, die trigonalisierbar, aber weder diagonalisierbar noch invertierbar, noch nilpotent ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{5 (3+2)}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{.}

a) Charakterisiere die \definitionsverweis {nilpotenten}{}{} $2\times 2$-\definitionsverweis {Matrizen}{}{}
\mathdisp {\begin{pmatrix} x & y \\ z & w \end{pmatrix}} { }
über $K$ mit Hilfe von zwei Gleichungen in den Variablen
\mathl{x,y,z,w}{.}


b) Sind die Gleichungen linear?

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{4}
{

Beweise den Satz über die Beziehung zwischen geometrischer und algebra\-ischer Vielfachheit.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{6 (2+2+2)}
{

Wir betrachten die Matrix
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { \begin{pmatrix} 4 & 0 & 1 \\ 0 & 4 & -1 \\0 & 0 & 4 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} über $\Q$.

a) Bestimme die \definitionsverweis {jordansche Normalform}{}{} von $M$.

b) Bestimme die kanonische Zerlegung von $M$ in einen \definitionsverweis {diagonalisierbaren}{}{} Anteil und einen \definitionsverweis {nilpotenten}{}{} Anteil.

c) Welche Eigenschaften der kanonischen Zerlegung erfüllt die Zerlegung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} 4 & 0 & 1 \\ 0 & 4 & -1 \\0 & 0 & 4 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 4 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\0 & 0 & 4 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & -1 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} welche nicht?

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{3}
{

Eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {\Q^3} {\Q^3 } {} werde bezüglich der Standardbasis durch die \definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mathdisp {\begin{pmatrix} -3 & -6 & -1 \\ 0 & -3 & -2 \\0 & 0 & -3 \end{pmatrix}} { }
beschrieben. Finde eine \definitionsverweis {Basis}{}{,} bezüglich der $\varphi$ durch die Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} -3 & 1 & 0 \\ 0 & -3 & 1 \\0 & 0 & -3 \end{pmatrix}} { }
beschrieben wird.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{1}
{

Es sei $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{,} den wir auch als \definitionsverweis {affinen Raum}{}{} über sich selbst auffassen. Es seien
\mathl{v_1 , \ldots , v_n \in V}{.} Zeige, dass die Familie dieser Vektoren genau dann eine \definitionsverweis {Basis}{}{} von $V$ bildet, wenn die Familie
\mathl{0, v_1 , \ldots , v_n \in V}{} eine \definitionsverweis {affine Basis}{}{} bildet.

}
{} {}