Kurs:Lineare Algebra/Teil II/13/Klausur mit Lösungen
| Aufgabe | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Punkte | 3 | 3 | 4 | 3 | 5 | 4 | 1 | 2 | 6 | 2 | 4 | 3 | 4 | 0 | 2 | 10 | 4 | 60 |
Aufgabe (3 Punkte)
Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.
- Eine Norm in einem -Vektorraum .
- Eine Kathete in einem rechtwinkligen Dreieck.
- Die positive Definitheit einer symmetrischen Bilinearform auf einem reellen Vektorraum .
- Ein Normalteiler in einer Gruppe .
- Ein
asymptotisch stabiler
Endomorphismus
auf einem endlichdimensionalen -Vektorraum .
- Eine Körpererweiterung.
- Eine
Abbildung
heißt Norm, wenn die folgenden Eigenschaften für alle gelten.
- ,
- genau dann, wenn ist.
- Für und gilt
- Für gilt
- Unter einer Kathete versteht man eine Seite eines rechtwinkligen Dreiecks, die an den rechten Winkel anliegt.
- Die Bilinearform heißt positiv definit, wenn für alle , ist.
- Eine Untergruppe
ist ein Normalteiler, wenn
für alle ist.
- Der Endomorphismus heißt asymptotisch stabil, wenn die Folge in gegen die Nullabbildung konvergiert.
- Es sei ein Körper und ein Unterkörper von . Dann heißt die Inklusion eine Körpererweiterung.
Aufgabe (3 Punkte)
Formuliere die folgenden Sätze.
- Der Satz über die Charakterisierung einer Isometrie zwischen euklidischen Vektorräumen mittels Orthonormalbasen.
- Der Satz über die (Norm)-Charakterisierung für normale Endomorphismen.
- Der Homomorphiesatz für Gruppen (Satz vom induzierten Homomorphismus).
- Es seien und
euklidische Vektorräume
und sei
eine lineare Abbildung. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent.
- ist eine Isometrie.
- Für jede Orthonormalbasis , von ist , Teil einer Orthonormalbasis von .
- Es gibt eine Orthonormalbasis , von derart, dass , Teil einer Orthonormalbasis von ist.
- Es sei ein
endlichdimensionaler
-Vektorraum
mit
Skalarprodukt
und sei
ein Endomorphismus. Dann sind folgende Eigenschaften äquivalent.
- ist normal.
- Für alle gilt
- Für alle gilt
- Es seien
und
Gruppen,
es sei
ein
Gruppenhomomorphismus
und
ein
surjektiver
Gruppenhomomorphismus. Es sei vorausgesetzt, dass
ist. Dann gibt es einen eindeutig bestimmten Gruppenhomomorphismus
derart, dass
ist.
Aufgabe (4 Punkte)
Es sei ein komplexer Vektorraum mit einem Skalarprodukt . Zeige, dass der Realteil dieses Skalarproduktes ein Skalarprodukt auf dem zugrunde liegenden reellen Vektorraum ist.
Wir setzen
und gehen die Axiome für ein Skalarprodukt durch. Es ist für und
da der Realteil einer komplexen Zahl linear bezüglich Multiplikation mit einer reellen Zahl ist. Wegen
ist symmetrisch. Daraus ergibt sich auch die Linearität in der zweiten Komponente aus der Linearität in der ersten Komponente. Ferner ist
da ja stets reell ist. Somit ergibt sich die positive Definitheit unmittelbar.
Aufgabe (3 Punkte)
Es sei ein endlichdimensionaler -Vektorraum mit einem Skalarprodukt,
eine Isometrie und ein -invarianter Untervektorraum. Zeige, dass das orthogonale Komplement ebenfalls -invariant ist.
Es ist
Für ein solches und ein beliebiges ist
da wegen der Invarianz von liegt. Also ist wieder .
Aufgabe (5 Punkte)
Es sei
die Beschreibung einer Drehung bezüglich der Standardbasis des . Es sei eine Orthonormalbasis des derart, dass die Übergangsmatrix zwischen den beiden Basen die Determinante besitzt. Zeige, dass bezüglich der zweiten Basis ebenfalls durch beschrieben wird. Zeige, dass dies ohne die Determinantenbedingung nicht gilt.
Wir schreiben und . Die Übergangsmatrix von nach ist
Da eine Orthonormalbasis ist, und die Determinante der Übergangsmatrix nach Voraussetzung ist, muss dies eine Drehmatrix sein, d.h. es gibt einen Winkel mit
Die Umkehrabbildung dazu ist
Nach Korollar 11.12 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) ist somit
Wenn man die Orthonormalbasis nimmt (also die Reihenfolge vertauscht), so wird bezüglich dieser Basis durch beschrieben.
Aufgabe (4 (1+1+2) Punkte)
a) Man gebe ein Beispiel für rationale Zahlen mit
b) Man gebe ein Beispiel für rationale Zahlen
mit
c) Man gebe ein Beispiel für irrationale Zahlen
und eine rationale Zahl
mit
a) Es ist
daher ist
und diese Zahlen sind rational und aus dem offenen Einheitsintervall.
b) Wir nehmen
und
und
.
Die Summe ist
c) Wir setzen
diese Zahl ist irrational, da irrational ist. Es gilt
Mit ist also ein Beispiel der gewünschten Art gefunden.
Aufgabe (1 Punkt)
Skizziere ein Dreieck, bei dem der Umkreismittelpunkt außerhalb des Dreiecks liegt.
Aufgabe (2 Punkte)
Bestimme die Gramsche Matrix zur Determinante auf dem bezüglich der Standardbasis.
Wegen
ist die Gramsche Matrix zur Determinante auf dem gleich
Aufgabe (6 Punkte)
Es sei ein endlichdimensionaler -Vektorraum mit einem fixierten Skalarprodukt . Wir nennen eine Sesquilinearform auf orthogonalisierbar, wenn es eine Orthonormalbasis (bezüglich des Skalarproduktes) von mit
für alle gibt. Zeige, dass bei der Korrespondenz
die normalen Endomorphismen den orthogonalisierbaren Sesquilinearformen entsprechen.
Wenn ein normaler Endomorphismus ist, so gibt es nach Satz 42.9 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) eine Orthonormalbasis zu aus Eigenvektoren zu . Für diese ist dann
für . Also erfüllt diese Basis auch die Orthogonalitätsrelation für und somit ist orthogonalisierbar.
Es sei umgekehrt eine Orthonormalbasis, die zugleich die Orthogonalitätsrelation für erfüllt. Es sei . Wir machen den Ansatz
Für alle ist
Somit ist
und die sind Eigenvektoren zu . Somit besitzt eine Orthonormalbasis aus Eigenvektoren und ist daher nach Satz 42.9 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) normal.
Aufgabe (2 Punkte)
Man gebe einen Gruppenautomorphismus auf an, der kein innerer Automorphismus ist.
Wir betrachten
was ein Automorphismus ist. Da kommutativ ist, ist die Identität der einzige innere Automorphismus. Also kann kein innerer Automorphismus sein.
Aufgabe (4 Punkte)
Beweise den Satz über Normalteiler und Restklassengruppe.
Da die kanonische Projektion zu einem Gruppenhomomorphismus werden soll, muss die Verknüpfung durch
gegeben sein. Wir müssen also zeigen, dass durch diese Vorschrift eine wohldefinierte Verknüpfung auf definiert ist, die unabhängig von der Wahl der Repräsentanten ist. D.h. wir haben für und zu zeigen, dass ist. Nach Voraussetzung können wir und mit schreiben. Damit ist
Somit ist . Aus der Wohldefiniertheit der Verknüpfung auf folgen die Gruppeneigenschaften, die Homomorphieeigenschaft der Projektion und die Eindeutigkeit.
Aufgabe (3 Punkte)
Es sei ein Körper und ein Untervektorraum. Wir betrachten die Relation auf dem , die durch
definiert ist. Zeige, dass diese Relation eine Äquivalenzrelation ist.
Wegen
ist , die Relation ist also reflexiv. Es sei nun . Dies bedeutet
Somit ist auch
und damit ist auch , was die Symmetrie bedeutet. Es sei schließlich und . Dies bedeutet
und
Wegen der Abgeschlossenheit eines Untervektorraumes unter Addition gilt somit
was bedeutet. Dies ergibt die Transitivität.
Aufgabe (4 Punkte)
Es sei eine endliche Untergruppe der Gruppe der eigentlichen, linearen Isometrien des mit drei Halbachsenklassen und es sei eine davon. Zeige, dass der Gruppenhomomorphismus
injektiv ist. Zeige, dass dies nicht stimmt, wenn es nur zwei Halbachsenklassen gibt.
Aufgabe (0 Punkte)
Aufgabe (2 Punkte)
Berechne für die Matrix
die Maximumsnorm, wenn der als Definitionsraum mit der Summennorm und als Zielraum mit der Maximumsnorm versehen ist.
Es ist
Die Maximumsnorm ist das Maximum der Beträge der beiden Einträge, also von und für die Menge
Das Maximum wird auf dem Ausschnitt des Randes mit und angenommen, und der zweite Eintrag ist entscheidend. Die Maximumsnorm ist also .
Aufgabe (10 Punkte)
Beweise den Konvergenzsatz für stochastische Matrizen.
Es sei die nach Lemma 54.8 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) (3) eindeutig bestimmte stationäre Verteilung und
Dies ist ein Untervektorraum von der Dimension . Nach Lemma 54.8 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) (2) hat ausschließlich nichtnegative Einträge und gehört damit nicht zu . Wegen
ist invariant unter der Matrix . Somit ist
eine direkte Summenzerlegung in invariante Untervektorräume. Für jedes mit ist
nach Lemma 54.8 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) (2). Da die Sphäre zum Radius bezüglich jeder Norm kompakt ist, ist die induzierte Maximumsnorm von kleiner als . Nach Lemma 53.8 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) und Satz 53.6 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) konvergiert daher die Folge für jedes gegen den Nullvektor.
Es sei nun ein Verteilungsvektor, den wir wegen
als
mit schreiben können. Wegen
und der Vorüberlegung konvergiert diese Folge gegen .
Aufgabe (4 Punkte)
Es seien und endlichdimensionale -Vektorräume und sei
eine lineare Abbildung vom Rang . Zeige, dass
den Rang besitzt.
Rang bedeutet, dass der Bildraum die Dimension besitzt.Die Abbildung faktorisiert über
mit vorne surjektiv und hinten injektiv und entsprechend faktorisiert
Nach Proposition 58.6 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) ist die vordere Abbildung surjektiv und die hintere injektiv. Der Rang der Gesamtabbildung ist also der Rang der vorderen Abbildung und dieser ist gleich der Dimension von . Diese ist nach Korollar 58.3 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) gleich