Kurs:Lineare Algebra/Teil II/15/Klausur mit Lösungen
| Aufgabe | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Punkte | 3 | 3 | 3 | 5 | 2 | 3 | 5 | 3 | 6 | 3 | 4 | 2 | 3 | 5 | 5 | 4 | 2 | 0 | 61 |
Aufgabe (3 Punkte)
Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.
- Das Standardskalarprodukt auf dem .
- Die Hypotenuse in einem rechtwinkligen Dreieck.
- Eine zyklische Gruppe .
- Die Äquivalenzklasse zu einem Element in einer Menge mit einer Äquivalenzrelation .
- Eine offene Menge in einem metrischen Raum .
- Den durch Körperwechsel aus einem - Vektorraum gewonnenen -Vektorraum.
- Das
Standardskalarprodukt
auf dem ist durch
gegeben.
- Unter der Hypotenuse versteht man die Seite eines rechtwinkligen Dreiecks, die dem rechten Winkel gegenüber liegt.
- Eine Gruppe heißt zyklisch, wenn sie von einem Element erzeugt wird.
- Die Äquivalenzklasse zu ist die Menge
- Eine Teilmenge heißt offen, wenn für jedes ein mit
existiert.
- Zu einem - Vektorraum über einem Körper und einer Körpererweiterung nennt man den durch Körperwechsel gewonnenen -Vektorraum.
Aufgabe (3 Punkte)
Formuliere die folgenden Sätze.
- Der Charakterisierungssatz für eine eigentliche Isometrie in der reellen Ebene.
- Der Satz des Thales.
- Der Satz über Tensorprodukte von Dualräumen.
- Jede eigentliche, lineare Isometrie
- Es sei ein Punkt in der euklidischen Ebene , der Kreis mit Radius und Mittelpunkt und es sei eine Gerade durch , die den Kreis in den Punkten und trifft. Dann ist für jeden Punkt das Dreieck rechtwinklig an .
- Es sei ein Körper und seien endlichdimensionale Vektorräume über . Dann gibt es eine natürliche Isomorphie
Aufgabe (3 Punkte)
Bestimme das orthogonale Komplement zu der von und erzeugten Ebene .
Die beiden Vektoren sind offensichtlich linear unabhängig, sodass sie in der Tat eine Ebene erzeugen und das orthogonale Komplement eine Gerade ist. Die Bedingungen für einen Vektor , zu dem orthogonalen Komplement zu gehören, sind
und
Die lineare Kombination führt auf
Dafür ist und eine Lösung, und bei dieser Vorgabe ist
Also ist das orthogonale Komplement gleich
Aufgabe (5 Punkte)
Der sei mit der euklidischen Metrik versehen.
a) Man gebe eine Beispiel für einen endlichen metrischen Raum, den man als Teilraum (mit der induzierten Metrik) des , aber nicht als Teilraum von realisieren kann.
b) Man gebe eine Beispiel für einen endlichen metrischen Raum, den man nicht als Teilraum des realisieren kann.
a) Wir betrachten den Teilraum mit der induzierten Metrik. Dieser metrische Raum ist nicht innerhalb der reellen Zahlen realisierbar. Der Nullpunkt hat zu den beiden anderen Punkten den Abstand , und diese haben zueinander den Abstand . In gibt es zu jedem Punkt genau zwei Punkte mit dem Abstand nämlich bzw , und diese haben aber zueinander den Abstand .
b) Wir betrachten im die folgende endliche Teilmenge: Es seien zwei Punkte im , die zueinander den Abstand besitzen. Wir betrachten die Sphären um diese beiden Kugeln mit dem Radius , also und . Der Durchschnitt ist eine Kreislinie . Es seien drei Punkte auf und wir betrachten die Teilmenge
mit der induzierten Metrik. Diese Menge ist nicht im realisierbar, da es dort zu zwei Punkten mit dem Abstand nur zwei Punkte gibt, die zu beiden Punkten den Abstand haben.
Aufgabe (2 Punkte)
Es sei
eine ebene Achsenspiegelung, . Zeige, dass ein Eigenvektor zum Eigenwert und ein Eigenvektor zum Eigenwert von ist.
Es ist
und
Aufgabe (3 Punkte)
Beweise den Satz, dass jede eigentliche Isometrie des einen Eigenvektor zum Eigenwert besitzt.
Wir betrachten das charakteristische Polynom von , also
Dies ist ein normiertes reelles Polynom vom Grad drei. Für ergibt sich
Da für das Polynom geht, muss es für ein positives eine Nullstelle geben. Aufgrund von Satz 33.12 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) kommt dafür nur in Frage.
Aufgabe (5 Punkte)
Betrachte den Vektorraum aller (geordneten, auch ausgearteten) Dreiecke im , es geht also um die Menge aller Tupel . Ist die Abbildung, die einem Dreieck seinen Umfang zuordnet, eine Norm?
Aufgabe (3 (1+1+1) Punkte)
Es sei ein
Körper,
ein
-
Vektorraum
und eine
symmetrische Bilinearform
auf .
a) Zeige, dass zu einem Untervektorraum der Orthogonalraum von ein Untervektorraum von ist.
b) Zeige, dass der Orthogonalraum zum Gesamtraum gleich dem
Ausartungsraum
ist.
c) Zeige, dass der Orthogonalraum zum Ausartungsraum gleich ist.
a) Es ist
Der Nullvektor gehört dazu. Für und und ein beliebiges ist unmittelbar
b) Der Ausartungsraum ist nach Definition
Deshalb ist direkt .
c) Es ist
Dies ist der Gesamtraum, da ja jeder Vektor orthogonal zu jedem Vektor des Ausartungsraumes ist.
Aufgabe (6 Punkte)
Beweise den Trägheitssatz von Sylvester.
Bezüglich einer Orthogonalbasis von (die es nach Satz 38.15 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) gibt) hat die Gramsche Matrix natürlich Diagonalgestalt. Es sei die Anzahl der positiven Diagonaleinträge und die Anzahl der negativen Diagonaleinträge. Die Basis sei so geordnet, dass die ersten Diagonaleinträge positiv, die folgenden Diagonaleinträge negativ und die übrigen seien. Auf dem -dimensionalen Unterraum ist die eingeschränkte Bilinearform positiv definit, sodass gilt. Es sei , auf diesem Unterraum ist die Bilinearform negativ semidefinit. Dabei ist , und diese beiden Räume sind orthogonal zueinander.
Angenommen, es gebe einen Unterraum , auf dem die Bilinearform positiv definit ist, und dessen Dimension größer als ist. Die Dimension von ist und daher ist nach Korollar 9.8 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)).
Für einen Vektor , , ergibt sich aber direkt der Widerspruch und .
Aufgabe (3 Punkte)
Es sei ein endlichdimensionaler - Vektorraum mit Skalarprodukt und sei
ein normaler Endomorphismus. Zeige
Es sei mit . Nach Lemma 42.5 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)) (3) ist
also ist auch und . Wegen
gilt davon auch die Umkehrung.
Aufgabe (4 Punkte)
Bestimme die normierte Standardgestalt der reellen Quadrik
Die beschreibende Matrix ist
Das charakteristische Polynom davon ist
Wir berechnen einige Werte.
Somit besitzt das Polynom eine Nullstelle zwischen und , eine Nullstelle zwischen und und eine Nullstelle zwischen und . Daher gibt es eine negative Nullstelle und zwei positive Nullstellen und somit ist die normierte Standardgestalt der quadratischen Form gleich .
Aufgabe (2 Punkte)
Aufgabe (3 Punkte)
Bestimme die eigentliche Symmetriegruppe des Achsenkreuzes im .
Aufgabe (5 Punkte)
Berechne für die Matrix
die Maximumsnorm, wenn der beidseitig mit der euklidischen Norm versehen ist.
Es ist
Die Maximumsnorm ist das Maximum der euklidischen Norm der Bildvektoren, also von
für die Menge
Hierzu betrachten wir die quadratische Form
auf dem . Die zugehörige symmetrische Matrix ist
Das zugehörige charakteristische Polynom ist
mit den Nullstellen und . In den Koordinaten zur Orthonormalbasis aus Eigenvektoren zu diesen Eigenwerten besitzt die quadratische Form die Darstellung . Daher ist die Maximumsnorm gleich .
Aufgabe (5 Punkte)
Bestimme eine Formel für die Potenzen
Es ist
Aufgabe (4 Punkte)
Es sei ein endlichdimensionaler - Vektorraum und
ein Endomorphismus. Es sei derart, dass die Folge konvergiert. Zeige, dass der Grenzvektor
der Nullvektor oder ein Eigenvektor von zum Eigenwert .
Es sei der Grenzvektor. Es ist
für alle . Aufgrund der Stetigkeit (nach Satz 52.17 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025))) von sind die Limiten (nach Satz 52.13 (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025))) vertauschbar, also
Daher ist ein Fixpunkt von , also der Nullvektor oder ein Eigenvektor zum Eigenwert .
Aufgabe (2 Punkte)
Berechne in das Tensorprodukt
Es ist
Aufgabe (0 Punkte)