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Kurs:Lineare Algebra/Teil II/15/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 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.

  1. Das Standardskalarprodukt auf dem .
  2. Die Hypotenuse in einem rechtwinkligen Dreieck.
  3. Eine zyklische Gruppe .
  4. Die Äquivalenzklasse zu einem Element in einer Menge mit einer Äquivalenzrelation .
  5. Eine offene Menge in einem metrischen Raum .
  6. Den durch Körperwechsel aus einem - Vektorraum gewonnenen -Vektorraum.


Lösung

  1. Das Standardskalarprodukt auf dem ist durch

    gegeben.

  2. Unter der Hypotenuse versteht man die Seite eines rechtwinkligen Dreiecks, die dem rechten Winkel gegenüber liegt.
  3. Eine Gruppe heißt zyklisch, wenn sie von einem Element erzeugt wird.
  4. Die Äquivalenzklasse zu ist die Menge
  5. Eine Teilmenge heißt offen, wenn für jedes ein mit

    existiert.

  6. Zu einem - Vektorraum über einem Körper und einer Körpererweiterung nennt man den durch Körperwechsel gewonnenen -Vektorraum.


Aufgabe (3 Punkte)

Formuliere die folgenden Sätze.

  1. Der Charakterisierungssatz für eine eigentliche Isometrie in der reellen Ebene.
  2. Der Satz des Thales.
  3. Der Satz über Tensorprodukte von Dualräumen.


Lösung

  1. Jede eigentliche, lineare Isometrie
    ist eine Drehung.
  2. 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 .
  3. 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  


Lösung

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.


Lösung

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.


Lösung

Es ist

und


Aufgabe (3 Punkte)

Beweise den Satz, dass jede eigentliche Isometrie des einen Eigenvektor zum Eigenwert besitzt.


Lösung

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?


Lösung erstellen


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.


Lösung


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.


Lösung

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


Lösung

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


Lösung

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)

Bestimme die Ordnung der Matrix

über dem Körper mit Elementen.


Lösung erstellen


Aufgabe (3 Punkte)

Bestimme die eigentliche Symmetriegruppe des Achsenkreuzes im .


Lösung erstellen


Aufgabe (5 Punkte)

Berechne für die Matrix

die Maximumsnorm, wenn der beidseitig mit der euklidischen Norm versehen ist.


Lösung

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


Lösung

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 .


Lösung

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


Lösung

Es ist


Aufgabe (0 Punkte)


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