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Kurs:Lineare Algebra/Teil II/13/Klausur mit Lösungen

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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.

  1. Eine Norm in einem 𝕂-Vektorraum V.
  2. Eine Kathete in einem rechtwinkligen Dreieck.
  3. Die positive Definitheit einer symmetrischen Bilinearform auf einem reellen Vektorraum V.
  4. Ein Normalteiler N in einer Gruppe G.
  5. Ein asymptotisch stabiler Endomorphismus
    φ:VV

    auf einem endlichdimensionalen 𝕂-Vektorraum V.

  6. Eine Körpererweiterung.


Lösung

  1. Eine Abbildung
    :V,vv,

    heißt Norm, wenn die folgenden Eigenschaften für alle v,wV gelten.

    1. v0,
    2. v=0 genau dann, wenn v=0 ist.
    3. Für λ𝕂 und vV gilt
      λv=|λ|v.
    4. Für v,wV gilt
      v+wv+w.
  2. Unter einer Kathete versteht man eine Seite eines rechtwinkligen Dreiecks, die an den rechten Winkel anliegt.
  3. Die Bilinearform heißt positiv definit, wenn v,v>0 für alle vV, v0 ist.
  4. Eine Untergruppe
    HG

    ist ein Normalteiler, wenn

    xH=Hx

    für alle  xG  ist.

  5. Der Endomorphismus φ heißt asymptotisch stabil, wenn die Folge φn in End(V) gegen die Nullabbildung konvergiert.
  6. Es sei L ein Körper und  KL  ein Unterkörper von L. Dann heißt die Inklusion  KL  eine Körpererweiterung.


Aufgabe (3 Punkte)

Formuliere die folgenden Sätze.

  1. Der Satz über die Charakterisierung einer Isometrie zwischen euklidischen Vektorräumen mittels Orthonormalbasen.
  2. Der Satz über die (Norm)-Charakterisierung für normale Endomorphismen.
  3. Der Homomorphiesatz für Gruppen (Satz vom induzierten Homomorphismus).


Lösung

  1. Es seien V und W euklidische Vektorräume und sei
    φ:VW

    eine lineare Abbildung. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent.

    1. φ ist eine Isometrie.
    2. Für jede Orthonormalbasis ui,i=1,,n, von V ist φ(ui),i=1,,n, Teil einer Orthonormalbasis von W.
    3. Es gibt eine Orthonormalbasis ui,i=1,,n, von V derart, dass φ(ui),i=1,,n, Teil einer Orthonormalbasis von W ist.
  2. Es sei V ein endlichdimensionaler 𝕂-Vektorraum mit Skalarprodukt , und sei
    φ:VV

    ein Endomorphismus. Dann sind folgende Eigenschaften äquivalent.

    1. φ ist normal.
    2. Für alle v,wV gilt
      φ̂(v),φ̂(w)=φ(v),φ(w).
    3. Für alle vV gilt
      φ̂(v)=φ(v).
  3. Es seien G,Q und H Gruppen, es sei φ:GH ein Gruppenhomomorphismus und ψ:GQ ein surjektiver Gruppenhomomorphismus. Es sei vorausgesetzt, dass
    kernψkernφ

    ist. Dann gibt es einen eindeutig bestimmten Gruppenhomomorphismus

    φ~:QH

    derart, dass  φ=φ~ψ 

    ist.


Aufgabe (4 Punkte)

Es sei V ein komplexer Vektorraum mit einem Skalarprodukt ,. Zeige, dass der Realteil dieses Skalarproduktes ein Skalarprodukt auf dem zugrunde liegenden reellen Vektorraum ist.


Lösung

Wir setzen

Φ(v,w):=Re(v,w)

und gehen die Axiome für ein Skalarprodukt durch. Es ist für  a,b  und  u,v,wV 

Φ(au+bv,w)=Re(au+bv,w)=Re(au,w+bv,w)=Re(au,w)+Re(bv,w)=aRe(u,w)+bRe(v,w)=aΦ(u,w)+bΦ(v,w),

da der Realteil einer komplexen Zahl linear bezüglich Multiplikation mit einer reellen Zahl ist. Wegen

Φ(v,w)=Re(v,w)=Re(w,v)=Re(w,v)=Φ(w,v)

ist Φ symmetrisch. Daraus ergibt sich auch die Linearität in der zweiten Komponente aus der Linearität in der ersten Komponente. Ferner ist

Φ(v,v)=Re(v,v)=v,v,

da ja v,v stets reell ist. Somit ergibt sich die positive Definitheit unmittelbar.


Aufgabe (3 Punkte)

Es sei V ein endlichdimensionaler 𝕂-Vektorraum mit einem Skalarprodukt,

φ:VV

eine Isometrie und  UV  ein φ-invarianter Untervektorraum. Zeige, dass das orthogonale Komplement U ebenfalls φ-invariant ist.


Lösung

Es ist

U={vVv,u=0 für alle uU}.

Für ein solches  vU  und ein beliebiges  uU  ist

φ(v),u=φ1(φ(v)),φ1(u)=v,u=0,

da  u=φ1(u)U  wegen der Invarianz von U liegt. Also ist wieder  φ(v)U


Aufgabe (5 Punkte)

Es sei

D(α)=(cosαsinαsinαcosα)

die Beschreibung einer Drehung φ bezüglich der Standardbasis e1,e2 des 2. Es sei u1,u2 eine Orthonormalbasis des 2 derart, dass die Übergangsmatrix zwischen den beiden Basen die Determinante 1 besitzt. Zeige, dass φ bezüglich der zweiten Basis ebenfalls durch D(α) beschrieben wird. Zeige, dass dies ohne die Determinantenbedingung nicht gilt.


Lösung

Wir schreiben  u1=(ab)  und  u2=(cd).  Die Übergangsmatrix von 𝔲 nach 𝔢 ist

M𝔢𝔲=(acbd).

Da 𝔲 eine Orthonormalbasis ist, und die Determinante der Übergangsmatrix nach Voraussetzung 1 ist, muss dies eine Drehmatrix sein, d.h. es gibt einen Winkel γ mit

M𝔢𝔲=(cosγsinγsinγcosγ).

Die Umkehrabbildung dazu ist

(M𝔢𝔲)1=M𝔲𝔢=(cosγsinγsinγcosγ).

Nach Korollar 11.12 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) ist somit

M𝔲𝔲(φ)=(M𝔢𝔲)1M𝔢𝔢(φ)M𝔢𝔲=(cosγsinγsinγcosγ)(cosαsinαsinαcosα)(cosγsinγsinγcosγ)=(cos(γ+αγ)sin(γ+αγ)sin(γ+αγ)cos(γ+αγ))=(cosαsinαsinαcosα).

Wenn man die Orthonormalbasis e2,e1 nimmt (also die Reihenfolge vertauscht), so wird φ bezüglich dieser Basis durch (sinαcosαcosαsinα) beschrieben.


Aufgabe (4 (1+1+2) Punkte)


a) Man gebe ein Beispiel für rationale Zahlen  a,b,c]0,1[  mit

a2+b2=c2.


b) Man gebe ein Beispiel für rationale Zahlen  a,b,c]0,1[  mit

a2+b2c2.


c) Man gebe ein Beispiel für irrationale Zahlen  a,b]0,1[  und eine rationale Zahl  c]0,1[  mit

a2+b2=c2.


Lösung


a) Es ist

32+42=52,

daher ist

(36)2+(46)2=(56)2,

und diese Zahlen sind rational und aus dem offenen Einheitsintervall.


b) Wir nehmen  a=36  und  b=46  und  c=16.  Die Summe ist

a2+b2=(56)2(16)2.


c) Wir setzen

a=b=122;

diese Zahl ist irrational, da 2 irrational ist. Es gilt

(122)2+(122)2=142+142=14=(12)2.

Mit  c=12  ist also ein Beispiel der gewünschten Art gefunden.


Aufgabe (1 Punkt)

Skizziere ein Dreieck, bei dem der Umkreismittelpunkt außerhalb des Dreiecks liegt.


Lösung erstellen


Aufgabe (2 Punkte)

Bestimme die Gramsche Matrix zur Determinante auf dem K2 bezüglich der Standardbasis.


Lösung

Wegen

det(1100)=0,
det(1001)=1,
det(0110)=1,
det(0011)=0

ist die Gramsche Matrix zur Determinante auf dem K2 gleich

(0110).


Aufgabe (6 Punkte)

Es sei V ein endlichdimensionaler 𝕂-Vektorraum mit einem fixierten Skalarprodukt ,. Wir nennen eine Sesquilinearform Ψ auf V orthogonalisierbar, wenn es eine Orthonormalbasis u1,,un (bezüglich des Skalarproduktes) von V mit

Ψ(ui,uj)=0

für alle  ij  gibt. Zeige, dass bei der Korrespondenz

End(V)Sesq(V),φΨφ,

die normalen Endomorphismen den orthogonalisierbaren Sesquilinearformen entsprechen.


Lösung

Wenn φ ein normaler Endomorphismus ist, so gibt es nach Satz 42.9 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) eine Orthonormalbasis u1,,un zu , aus Eigenvektoren zu φ. Für diese ist dann

Ψ(ui,uj)=φ(ui),uj=λiui,uj=λiui,uj=0

für  ij.  Also erfüllt diese Basis auch die Orthogonalitätsrelation für Ψ und somit ist Ψ orthogonalisierbar.

Es sei umgekehrt u1,,un eine Orthonormalbasis, die zugleich die Orthogonalitätsrelation für Ψ erfüllt. Es sei  Ψ=Ψφ.  Wir machen den Ansatz

φ(ui)=k=1nakuk.

Für alle  ji  ist

0=Ψ(ui,uj)=φ(ui),uj=k=1nakuk,uj=k=1nakuk,uj=k=1nakuk,uj=aj.

Somit ist

φ(ui)=aiui

und die ui sind Eigenvektoren zu φ. Somit besitzt φ 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.


Lösung

Wir betrachten

φ:,xx,

was ein Automorphismus ist. Da kommutativ ist, ist die Identität der einzige innere Automorphismus. Also kann φ kein innerer Automorphismus sein.


Aufgabe (4 Punkte)

Beweise den Satz über Normalteiler und Restklassengruppe.


Lösung

Da die kanonische Projektion zu einem Gruppenhomomorphismus werden soll, muss die Verknüpfung durch

[x][y]=[xy]

gegeben sein. Wir müssen also zeigen, dass durch diese Vorschrift eine wohldefinierte Verknüpfung auf G/H definiert ist, die unabhängig von der Wahl der Repräsentanten ist. D.h. wir haben für [x]=[x] und [y]=[y] zu zeigen, dass  [xy]=[xy]  ist. Nach Voraussetzung können wir x=xh und hy=h~y=yh mit  h,h~,hH  schreiben. Damit ist

xy=(xh)y=x(hy)=x(yh)=xyh.

Somit ist  [xy]=[xy].  Aus der Wohldefiniertheit der Verknüpfung auf G/H folgen die Gruppeneigenschaften, die Homomorphieeigenschaft der Projektion und die Eindeutigkeit.


Aufgabe (3 Punkte)

Es sei K ein Körper und  UKn  ein Untervektorraum. Wir betrachten die Relation auf dem Kn, die durch

v1v2 genau dann, wenn v1v2U

definiert ist. Zeige, dass diese Relation eine Äquivalenzrelation ist.


Lösung

Wegen

vv=0U

ist  vv,  die Relation ist also reflexiv. Es sei nun  vu.  Dies bedeutet

vuU.

Somit ist auch

uv=(vu)U

und damit ist auch  uv,  was die Symmetrie bedeutet. Es sei schließlich  uv  und  vw.  Dies bedeutet

uvU

und

vwU.

Wegen der Abgeschlossenheit eines Untervektorraumes unter Addition gilt somit

(uv)+(vw)=uwU,

was  u=w  bedeutet. Dies ergibt die Transitivität.


Aufgabe (4 Punkte)

Es sei  GSO3()  eine endliche Untergruppe der Gruppe der eigentlichen, linearen Isometrien des 3 mit drei Halbachsenklassen und es sei K eine davon. Zeige, dass der Gruppenhomomorphismus

GPerm(K),gσg:Hg(H),

injektiv ist. Zeige, dass dies nicht stimmt, wenn es nur zwei Halbachsenklassen gibt.


Lösung erstellen


Aufgabe (0 Punkte)


Lösung erstellen


Aufgabe (2 Punkte)

Berechne für die Matrix

(1243)

die Maximumsnorm, wenn der 2 als Definitionsraum mit der Summennorm und als Zielraum mit der Maximumsnorm versehen ist.


Lösung

Es ist

(1243)(xy)=(x+2y4x+3y).

Die Maximumsnorm ist das Maximum der Beträge der beiden Einträge, also von |x+2y| und |4x+3y| für die Menge

{(xy)(xy)sum1}={(xy)|x|+|y|1}.

Das Maximum wird auf dem Ausschnitt des Randes mit  x,y0  und  x+y=1  angenommen, und der zweite Eintrag ist entscheidend. Die Maximumsnorm ist also 4.


Aufgabe (10 Punkte)

Beweise den Konvergenzsatz für stochastische Matrizen.


Lösung

Es sei  wn  die nach Lemma 54.8 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025))  (3) eindeutig bestimmte stationäre Verteilung und

U={(u1un)i=1nui=0}n.

Dies ist ein Untervektorraum von n der Dimension n1. Nach Lemma 54.8 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025))  (2) hat w ausschließlich nichtnegative Einträge und gehört damit nicht zu U. Wegen

i=1n(Mu)i=i=1n(j=1naijuj)=j=1nuj(i=1naij)=j=1nuj

ist U invariant unter der Matrix M. Somit ist

V=wU

eine direkte Summenzerlegung in invariante Untervektorräume. Für jedes  uU  mit  usum=1  ist

Musum<1

nach Lemma 54.8 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025))  (2). Da die Sphäre zum Radius 1 bezüglich jeder Norm kompakt ist, ist die induzierte Maximumsnorm von M|U kleiner als 1. Nach Lemma 53.8 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) und Satz 53.6 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) konvergiert daher die Folge Mnu für jedes  uU  gegen den Nullvektor.

Es sei nun  vV  ein Verteilungsvektor, den wir wegen

i=1nvi=1=i=1nwi

als

v=w+u

mit  uU  schreiben können. Wegen

Mmv=Mm(w+u)=Mmw+Mmu=w+Mmu

und der Vorüberlegung konvergiert diese Folge gegen w.


Aufgabe (4 Punkte)

Es seien V und W endlichdimensionale K-Vektorräume und sei

φ:VW

eine lineare Abbildung vom Rang r. Zeige, dass

kφ:kVkW

den Rang (rk) besitzt.


Lösung

Rang r bedeutet, dass der Bildraum  U:=φ(V)  die Dimension r besitzt.Die Abbildung φ faktorisiert über

VUW

mit vorne surjektiv und hinten injektiv und entsprechend faktorisiert kφ

kVkUkW.

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 kU. Diese ist nach Korollar 58.3 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) gleich

(rk).