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Kurs:Lineare Algebra/Teil I/9/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}{ 1 }

\renewcommand{\avier}{ 5 }

\renewcommand{\afuenf}{ 4 }

\renewcommand{\asechs}{ 3 }

\renewcommand{\asieben}{ 4 }

\renewcommand{\aacht}{ 4 }

\renewcommand{\aneun}{ 8 }

\renewcommand{\azehn}{ 8 }

\renewcommand{\aelf}{ 2 }

\renewcommand{\azwoelf}{ 2 }

\renewcommand{\adreizehn}{ 2 }

\renewcommand{\avierzehn}{ 9 }

\renewcommand{\afuenfzehn}{ 3 }

\renewcommand{\asechzehn}{ 3 }

\renewcommand{\asiebzehn}{ 64 }

\renewcommand{\aachtzehn}{ }

\renewcommand{\aneunzehn}{ }

\renewcommand{\azwanzig}{ }

\renewcommand{\aeinundzwanzig}{ }

\renewcommand{\azweiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\adreiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\avierundzwanzig}{ }

\renewcommand{\afuenfundzwanzig}{ }

\renewcommand{\asechsundzwanzig}{ }

\punktetabellesechzehn

\klausurnote

\newpage


\setcounter{section}{K}




\inputaufgabegibtloesung
{3}
{

Definiere die folgenden \zusatzklammer {kursiv gedruckten} {} {} Begriffe. \aufzaehlungsechs{Das \stichwort {Urbild} {} zu einer Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ \subseteq }{ M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} unter einer Abbildung \maabb {F} {L} {M} {.}

}{Ein \stichwort {inverses Element} {} zu einem Element
\mathl{x \in M}{} bezüglich einer \definitionsverweis {Verknüpfung}{}{} \maabbeledisp {\circ} {M \times M} {M } {(x,y)} {x \circ y } {,} mit einem \definitionsverweis {neutralen Element}{}{}
\mathl{e \in M}{.}

}{Die \stichwort {Übergangsmatrix} {} zum Basiswechsel von einer Basis
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \mathfrak{ v } }
{ = }{ v_1 , \ldots , v_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zu einer weiteren Basis
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \mathfrak{ u } }
{ = }{ u_1 , \ldots , u_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} in einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$.

}{Ein \stichwort {Zykel der Ordnung} {} $r$ auf
\mathl{{ \{ 1 , \ldots , n \} }}{.}

}{Der \stichwort {Eigenraum} {} zu $\lambda \in K$ und einem \definitionsverweis {Endomorphismus}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} auf einem $K$-\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} {}
{} {} {} {.} }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{3}
{

Formuliere die folgenden Sätze. \aufzaehlungdrei{Der Satz über die Elimination auf Dreiecksgestalt für ein inhomogenes lineares Gleichungssystem über einem Körper $K$.}{Die \stichwort {Dimensionsformel} {} für eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {.}}{Der Satz über die jordansche Normalform.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{1}
{

Ist die Abbildung \maabbeledisp {\varphi} {\N_+ \times \N_+} { \N_+ \times \N_+\times \N_+ } {(a,b)} {(a+b,ab,a^b) } {,} \definitionsverweis {injektiv}{}{} oder nicht?

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{5 (2+3)}
{

Es seien \maabbdisp {f,g,h} {\R} {\R } {} Funktionen.

a) Zeige die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( h \cdot g \right) } \circ f }
{ =} { { \left( h \circ f \right) } \cdot { \left( g \circ f \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


b) Zeige durch ein Beispiel, dass die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( h \circ g \right) } \cdot f }
{ =} { { \left( h \cdot f \right) } \circ { \left( g \cdot f \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} nicht gelten muss.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{4}
{

Löse das folgende lineare Gleichungssystem über dem Körper
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ = }{ \Q[\sqrt{3}] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{:}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \begin{pmatrix} 2 + \sqrt{3} & - \sqrt{3} \\ { \frac{ 1 }{ 2 } } & - 2 -3 \sqrt{3} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\y \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 1- \sqrt{3} \\ 4 -2 \sqrt{3} \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{3}
{

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

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{4}
{

Bestimme die \definitionsverweis {inverse Matrix}{}{} zu
\mathdisp {\begin{pmatrix} 2 & 4 & 0 \\ -1 & 0 & 3 \\0 & 1 & 1 \end{pmatrix}} { . }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{4}
{

Bestimme den \definitionsverweis {Kern}{}{} der \definitionsverweis {linearen Abbildung}{}{} \maabbeledisp {} {\R^4} {\R^3} { \begin{pmatrix} x \\y\\ z\\w \end{pmatrix} } { \begin{pmatrix} 2 & 1 & 5 & 2 \\ 3 & -2 & 7 & -1 \\ 2 & -1 & -4 & 3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\y\\ z\\w \end{pmatrix} } {.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{8}
{

Beweise die Dimensionsformel für eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{8}
{

Beweise den Satz über die natürliche Abbildung eines Vektorraumes in sein Bidual.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{2}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \in }{ {\mathbb C}[X] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein nichtkonstantes Polynom. Zeige, dass die Abbildung \maabbeledisp {} { {\mathbb C} } { {\mathbb C} } { z } { P(z) } {,} surjektiv ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{2}
{

Zu einer $2 \times 2$-\definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{M }
{ = }{ \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{P_M }
{ \defeq} { X^2 - \operatorname{Spur} { \left( M \right) } X + \det M }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P_M(M) }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{2}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M }
{ =} {\begin{pmatrix} \lambda & 1 \\ 0 & \lambda \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige durch Induktion, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M^n }
{ =} {\begin{pmatrix} \lambda^n & n \lambda^{n-1} \\ 0 & \lambda^n \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{9 (1+4+4)}
{

Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {Endomorphismus}{}{} auf einem \definitionsverweis {endlichdimensionalen}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$ und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein \definitionsverweis {Eigenvektor}{}{} zu $\varphi$ zum \definitionsverweis {Eigenwert}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei \maabbdisp {{ \varphi }^{ * }} { { V }^{ * } } { { V }^{ * } } {} die \definitionsverweis {duale Abbildung}{}{} zu $\varphi$. Wir betrachten Basen von $V$ der Form
\mathl{v, u_1 , \ldots , u_r}{} mit der Dualbasis
\mathl{v^*, u_1^* , \ldots , u_r^*}{.} Man gebe Beispiele für das folgende Verhalten.

a) $v^*$ ist Eigenvektor von ${ \varphi }^{ * }$ zum Eigenwert $\lambda$ unabhängig von
\mathl{u_1 , \ldots , u_r}{.}


b) $v^*$ ist Eigenvektor von ${ \varphi }^{ * }$ zum Eigenwert $\lambda$ bezüglich einer Basis
\mathl{v, u_1 , \ldots , u_r}{,} aber nicht bezüglich einer Basis
\mathl{v, w_1 , \ldots , w_r}{.}


c) $v^*$ ist bezüglich keiner Basis
\mathl{v, u_1 , \ldots , u_r}{} ein Eigenvektor von ${ \varphi }^{ * }$.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{3}
{

Es sei $M$ eine Matrix in \definitionsverweis {jordanscher Normalform}{}{,} wobei nur ein \definitionsverweis {Eigenwert}{}{} auftrete. Zeige, dass die Anzahl der Jordanblöcke in $M$ gleich der Dimension des \definitionsverweis {Eigenraumes}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{3}
{

Es sei $K$ der \definitionsverweis {Körper}{}{} mit zwei Elementen und sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V }
{ =} {K^2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} der zweidimensionale Standardraum über $K$. Zeige, dass jede zweielementige Teilmenge
\mathl{G \subset K^2}{} eine affine Gerade ist.

}
{} {}