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Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018)/Teil I/Vorlesung 27/latex

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\setcounter{section}{27}


\epigraph { Who on earth d'you think you are, A super star, Well, right you are. } { John Lennon }

In der letzten Vorlesung haben wir die Haupträume zu einem Eigenwert $\lambda$ zu einem Endomorphismus $\varphi$ als Kern von
\mathl{{ \left( \varphi- \lambda \operatorname{Id} \right) }^k}{} für einen hinreichend großen Exponenten $k$ eingeführt. Dies bedeutet insbesondere, dass wenn man
\mathl{\varphi- \lambda \operatorname{Id}}{} auf den zugehörigen Hauptraum einschränkt, dann eine gewisse Potenz davon die Nullabbildung ist. Hier untersuchen wir generell Endomorphismen mit der Eigenschaft, dass eine gewisse Potenz davon die Nullabbildung ist.






\zwischenueberschrift{Nilpotente Abbildungen}




\inputdefinition
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und $V$ ein $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} heißt \definitionswort {nilpotent}{,} wenn es eine natürliche Zahl $n$ derart gibt, dass die $n$-te \definitionsverweis {Hintereinanderschaltung}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^n }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist.

}




\inputdefinition
{}
{

Eine \definitionsverweis {quadratische Matrix}{}{} $M$ heißt \definitionswort {nilpotent}{,} wenn es eine natürliche Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} derart gibt, dass das $n$-te \definitionsverweis {Matrixprodukt}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ M^n }
{ =} { \underbrace {M \circ \cdots \circ M}_{n\text{-mal} } }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist.

}




\inputbeispiel{}
{

Es sei $M$ eine \definitionsverweis {obere Dreiecksmatrix}{}{,} bei der alle Diagonalelemente $0$ seien. $M$ hat also die Gestalt
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 & * & \cdots & \cdots & * \\ 0 & 0 & * & \cdots & * \\ \vdots & \ddots & \ddots & \ddots & \vdots \\ 0 & \cdots & 0 & 0 & * \\ 0 & \cdots & \cdots & 0 & 0 \end{pmatrix}} { . }
Dann ist $M$ \definitionsverweis {nilpotent}{}{,} und zwar bewegt sich mit jedem Potenzieren die $0$-Hauptdiagonale nach rechts oben. Wenn man nämlich beispielsweise das Produkt für die $i$-te Zeile und die $j$-te Spalte mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{i }
{ \geq} {j-1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ausrechnet, so kommt in den Teilprodukten stets eine $0$ vor und das Ergebnis ist $0$.


}




\inputbeispiel{}
{

Ein Spezialfall zu Beispiel 27.3 ist die Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 & \cdots & \cdots & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots& \ddots & \ddots & \vdots \\ 0 & \cdots & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & \cdots & \cdots & 0 & 0 & 1\\ 0 & \cdots & \cdots & \cdots & 0 & 0 \end{pmatrix}} { . }
Eine wichtige Beobachtung dabei ist, dass unter dieser Abbildung $e_n$ auf
\mathl{e_{n-1}}{} abgebildet wird, $e_{n-1}$ auf
\mathl{e_{n-2}}{} und schließlich $e_2$ auf $e_1$, welches auf $0$ abgebildet wird. Die $(n-1)$-te Potenz der Matrix bildet $e_n$ auf $e_1$ ab und ist nicht die Nullmatrix, die $n$-te Potenz der Matrix ist die Nullmatrix.


}




\inputbeispiel{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.} Zu einem \definitionsverweis {Eigenwert}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lambda }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} besitzt der \definitionsverweis {Hauptraum}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H }
{ = }{ \operatorname{Haupt}_{ \lambda } (\varphi) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Eigenschaft, dass die Einschränkung von
\mathl{\varphi- \lambda \operatorname{Id}_{ V }}{} auf $H$ \definitionsverweis {nilpotent}{}{} ist.


}





\inputfaktbeweis
{Nilpotenter Endomorphismus/Charakterisierung auf Basis/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektor\-raum}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.}}
\faktuebergang {Dann sind folgende Aussagen äquivalent.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungvier{$\varphi$ ist \definitionsverweis {nilpotent}{}{.} }{Für jeden Vektor
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^k (v) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} }{Es gibt eine \definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} von $V$ und ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^k (v_i) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ i }
{ = }{ 1 , \ldots , n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Es gibt ein \definitionsverweis {Erzeugendensystem}{}{}
\mathl{v_1 , \ldots , v_m}{} von $V$ und ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^k (v_i) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ i }
{ = }{ 1 , \ldots , n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Von (1) nach (2) ist klar. Von (2) nach (3). Es sei
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} eine Basis \zusatzklammer {oder ein endliches Erzeugendensystem} {} {} und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ k_j }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^{k_j} (v_j) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegeben. Dann erfüllt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{k }
{ \defeq} { {\max { \left( k_j , j = 1 , \ldots , m \right) } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Eigenschaft für jeden Erzeuger. Von (3) nach (4) ist klar. Von (4) nach (1). Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ v }
{ =} { \sum_{i = 1}^m a_i v_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Aufgrund der Linearität von $\varphi^k$ ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^k (v) }
{ =} { \varphi^k { \left( \sum_{i = 1}^m a_i v_i \right) } }
{ =} { \sum_{i = 1}^m a_i \varphi^k( v_i ) }
{ =} { 0 }
{ } { }
} {}{}{,} also ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi^k }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}





\inputfaktbeweis
{Nilpotenter Endomorphismus/Minimalpolynom/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.}}
\faktuebergang {Dann sind folgende Aussagen äquivalent.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungdrei{$\varphi$ ist \definitionsverweis {nilpotent}{}{} }{Das \definitionsverweis {Minimalpolynom}{}{} zu $\varphi$ ist eine Potenz von $X$. }{Das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{} zu $\varphi$ ist eine Potenz von $X$. }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Die Äquivalenz von (1) und (2) ergibt sich unmittelbar aus den Definitionen, die Äquivalenz von (2) und (3) ergibt sich aus Lemma 24.5.

}





\inputfaktbeweis
{Nilpotenter Endomorphismus/Trigonalisierbar/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {nilpotente}{}{} \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist $\varphi$ \definitionsverweis {trigonalisierbar}{}{,}}
\faktzusatz {und zwar gibt es eine Basis, bezüglich der $\varphi$ durch eine obere Dreiecksmatrix beschrieben wird, in der alle Diagonaleinträge $0$ sind.}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt direkt aus Lemma 27.7 und Satz 25.10.

}






\zwischenueberschrift{Die Jordanzerlegung zu einem nilpotenten Endomorphismen}

Für einen \definitionsverweis {nilpotenten Endomorphismus}{}{} $\varphi$ auf einem \definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$ ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ V }
{ =} { \operatorname{Haupt}_{ 0 } (\varphi) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} es gibt also nur einen \definitionsverweis {Hauptraum}{}{,} und dieser ist der Gesamtraum. Wir werden jetzt zeigen, dass man eine beschreibende Matrix weiter \zusatzklammer {über die Dreiecksgestalt hinaus} {} {} verbessern kann.


\inputbeispiel{}
{

Eine Matrix der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & a \\ 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} hat bezüglich der Basis \mathkor {} {a e_1} {und} {e_2} {} die Gestalt
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}} { . }


}





\inputfaktbeweis
{Nilpotenter Endomorphismus/Sukzessive Kerne/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {nilpotente}{}{} \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.} Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi^s }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und $s$ minimal mit dieser Eigenschaft.}
\faktfolgerung {Dann besteht zwischen den Untervektorräumen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_i }
{ \defeq} { \operatorname{kern} \varphi^{i} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^{-1 } (V_i) }
{ =} { V_{i+1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und die Inklusionen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ V_i }
{ \subset} { V_{i+1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} sind echt für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{i }
{ < }{s }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{v }
{ \in }{ V_{i+1} }
{ = }{ \operatorname{kern} \varphi^{i+1} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} äquivalent zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\varphi(v) }
{ \in }{ V_i }
{ = }{ \operatorname{kern} \varphi^{i} }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} was die erste Behauptung bedeutet. Für die zweite Behauptung sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_i }
{ =} {V_{i+1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{i }
{ < }{s }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} angenommen. Durch Anwendung von $\varphi^{-1}$ ergibt sich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ V_{i+1} }
{ =} { \varphi^{-1}(V_i) }
{ =} { \varphi^{-1}(V_{i+1}) }
{ =} { V_{i+2} }
{ } { }
} {}{}{.} In dieser Weise erhält man
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ V_i }
{ =} { V_{i+1} }
{ =} { V_{i+2} }
{ =} { \ldots }
{ =} { V_{ s } }
} {
\vergleichskettefortsetzung
{ =} { V }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
}{}{} im Widerspruch zur Minimalität von $s$.

}





\inputfaktbeweis
{Nilpotenter Endomorphismus/Jordansche Normalform/Abbildungslemma/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {nilpotente}{}{} \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es eine \definitionsverweis {Basis}{}{}
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} von $V$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi(v_j) }
{ =} { v_{j-1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} oder
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi(v_j) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi^s }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und $s$ minimal mit dieser Eigenschaft. Wir betrachten die Untervektorräume
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_i }
{ \defeq} { \operatorname{kern} \varphi^{i} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Es sei
\mathl{U_s}{} ein direktes Komplement zu
\mathl{V_{s-1}}{,} also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V }
{ =} { V_{s-1} \oplus U_s }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wegen Lemma 27.10 ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi^{-1} (V_{s-2}) }
{ =} { V_{s-1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und somit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi(U_s) \cap V_{s-2} }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Daher gibt es einen Untervektorraum
\mathl{U_{s-1}}{} von
\mathl{V_{s-1}}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ V_{s-1} }
{ =} { V_{s-2} \oplus U_{s-1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi(U_{s}) }
{ \subseteq} { U_{s-1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} In dieser Weise erhält man Untervektorräume
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U_i }
{ \subseteq }{ V_i }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ V_i }
{ =} { V_{i-1} \oplus U_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi(U_i) }
{ \subseteq} {U_{i-1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Ferner ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V }
{ =} {U_1 \oplus \cdots \oplus U_{s} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} da ja jeweils die vorhergehende direkte Summenzerlegung zunehmend verfeinert wird. Des weiteren ist $\varphi$ eingeschränkt\zusatzfussnote {Die Einschränkung als Abbildung nach $V$

die $U_i$ sind im Allgemeinen nicht $\varphi$-invariant} {.} {}

auf $U_i$ mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{i }
{ \geq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} injektiv. Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{v }
{ \in }{ U_i \cap \operatorname{kern} \varphi }
{ = }{ U_i \cap V_1 }
{ \subseteq }{ U_i \cap V_{i-1} }
{ }{ }
} {}{}{} ist ja wegen der Direktheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ v }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wir konstruieren nun eine Basis wie gewünscht. Dazu wählen wir zuerst eine Basis
\mathl{\mathfrak{ u }_s}{} von $U_s$. Das \zusatzklammer {linear unabhängige} {} {} Bild
\mathl{\varphi ( \mathfrak{ u }_s)}{} ergänzen wir zu einer Basis
\mathl{\mathfrak{ u }_{s-1}}{} von
\mathl{U_{s-1}}{} und so weiter. Die Vereinigung dieser Basen ist dann eine Basis von $V$. Die Basiselemente aus
\mathl{\mathfrak{ u }_i}{} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{i }
{ \geq }{2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} werden nach Konstruktion auf andere Basiselemente abgebildet und die Basiselemente aus
\mathl{\mathfrak{ u }_1}{} auf $0$. Um eine Reihenfolge festzulegen, wählen wir ein Basiselement aus
\mathl{\mathfrak{ u }_s}{,} gefolgt von all seinen sukzessiven Bildern, sodann ein weiteres Basiselement aus
\mathl{\mathfrak{ u }_s}{,} gefolgt von all seinen sukzessiven Bildern, bis
\mathl{\mathfrak{ u }_s}{} aufgebraucht ist. Dann arbeitet man
\mathl{\mathfrak{ u }_{s-1}}{} in der gleichen Weise ab. In einem letzten Schritt vertauscht man die Reihenfolge der soeben konstruierten Basiselemente.

}





\inputfaktbeweis
{Nilpotenter Endomorphismus/Jordansche Normalform/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} eine \definitionsverweis {nilpotente}{}{} \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann gibt es eine \definitionsverweis {Basis}{}{} von $V$, bezüglich der die beschreibende Matrix die Gestalt
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 & c_1 & 0 & \cdots & \cdots & 0 \\ 0 & 0 & c_2 & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \ddots& \ddots & \ddots & \vdots \\ 0 & \cdots & 0 & 0 & c_{n-2} & 0 \\ 0 & \cdots & \cdots & 0 & 0 & c_{n-1}\\ 0 & \cdots & \cdots & \cdots & 0 & 0 \end{pmatrix}} { }
besitzt, wobei die $c_i$ gleich $0$ oder gleich $1$ sind.}
\faktzusatz {D.h., dass $\varphi$ auf jordansche Normalform gebracht werden kann.}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt direkt aus Lemma 27.11.

}


Bei einer nilpotenten Abbildung auf einem zweidimensionalen Vektorraum $V$ handelt es sich um die Nullabbildung oder um eine nilpotente Abbildung mit einem eindimensionalen Kern. Im letzteren Fall erhält man für jedes Element
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ v }
{ \in }{ V \setminus \operatorname{kern} \varphi }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine Basis
\mathl{\varphi(v),v}{} \zusatzklammer {in dieser Reihenfolge} {} {,} bezüglich der die beschreibende Matrix die Gestalt
\mathl{\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}}{} besitzt. Bei zunehmender Dimension werden die Möglichkeiten zunehmend zahlreicher und komplexer, wir besprechen abschließend typische Beispiele in der Dimension drei.




\inputbeispiel{}
{

Wir wollen Lemma 27.11 auf
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 5 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} anwenden. Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M^2 }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 5 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 5 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 0 & 10 \\ 0 & 0 & 0 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M^3 }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Somit ist
\mathdisp {V_1= \operatorname{kern} M = \langle e_1 \rangle ,\, V_2 = \operatorname{kern} M^2 = \langle e_1, e_2 \rangle \text{ und }V_3=K^3} { . }
Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_3 }
{ =} {V_2 \oplus \langle e_3 \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} sodass wir
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U_3 }
{ =} { \langle e_3 \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} wählen können. Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Me_3 }
{ =} { \begin{pmatrix} 3 \\5\\ 0 \end{pmatrix} }
{ \in} {V_2 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Somit ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_2 }
{ =} { V_1 \oplus U_2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U_2 }
{ =} { \langle \begin{pmatrix} 3 \\5\\ 0 \end{pmatrix} \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Schließlich ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M^2 e_3 }
{ =} {M \begin{pmatrix} 3 \\5\\ 0 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 5 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 3 \\5\\ 0 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 10 \\0\\ 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
} {}{}{.} Daher ist
\mathdisp {\begin{pmatrix} 10 \\0\\ 0 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 3 \\5\\ 0 \end{pmatrix} \, , \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 1 \end{pmatrix}} { }
eine Basis wie gewünscht.

Die inverse Matrix zu
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{B }
{ =} { \begin{pmatrix} 10 & 3 & 0 \\ 0 & 5 & 0 \\0 & 0 & 1 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist
\mathdisp {\begin{pmatrix} { \frac{ 1 }{ 10 } } & - { \frac{ 3 }{ 50 } } & 0 \\ 0 & { \frac{ 1 }{ 5 } } & 0 \\0 & 0 & 1 \end{pmatrix}} { }
und es ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{B^{-1} MB }
{ =} { \begin{pmatrix} { \frac{ 1 }{ 10 } } & - { \frac{ 3 }{ 50 } } & 0 \\ 0 & { \frac{ 1 }{ 5 } } & 0 \\0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 5 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 10 & 3 & 0 \\ 0 & 5 & 0 \\0 & 0 & 1 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} { \frac{ 1 }{ 10 } } & - { \frac{ 3 }{ 50 } } & 0 \\ 0 & { \frac{ 1 }{ 5 } } & 0 \\0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 0 & 10 & 3 \\ 0 & 0 & 5 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
} {} {}{.}


}




\inputbeispiel{}
{

Wir wollen Lemma 27.11 auf
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 0 & 3 \\ 0 & 0 & 7 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} anwenden. Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M^2 }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Somit ist
\mathdisp {V_1= \operatorname{kern} M = \langle e_1, e_2 \rangle \text{ und }V_2=K^3} { . }
Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_2 }
{ =} {V_1 \oplus \langle e_3 \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} sodass wir
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U_2 }
{ =} { \langle e_3 \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} wählen können. Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Me_3 }
{ =} { \begin{pmatrix} 3 \\7\\ 0 \end{pmatrix} }
{ \in} {V_1 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Somit ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_1 }
{ =} { \langle \begin{pmatrix} 3 \\7\\ 0 \end{pmatrix} , e_1 \rangle }
{ =} {U_1 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Daher ist
\mathdisp {\begin{pmatrix} 1 \\0\\ 0 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 3 \\7\\ 0 \end{pmatrix} \, , \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 1 \end{pmatrix}} { }
eine Basis wie gewünscht. In dieser Basis wird die lineare Abbildung durch die Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix}} { }
beschrieben.


}




\inputbeispiel{}
{

Wir wollen Lemma 27.11 auf
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { \begin{pmatrix} 0 & 3 & 7 \\ 0 & 0 & 0 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} anwenden. Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M^2 }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Somit ist
\mathdisp {V_1= \operatorname{kern} M = \langle e_1, 7 e_2-3e_3 \rangle \text{ und }V_2=K^3} { . }
Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_2 }
{ =} {V_1 \oplus \langle e_3 \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} sodass wir
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{U_2 }
{ =} { \langle e_3 \rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} wählen können. Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{Me_3 }
{ =} { \begin{pmatrix} 7 \\0\\ 0 \end{pmatrix} }
{ \in} {V_1 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Somit ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V_1 }
{ =} { \langle \begin{pmatrix} 7 \\0\\ 0 \end{pmatrix} , 7 e_2 - 3e_3 \rangle }
{ =} {U_1 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Daher ist
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 \\7\\ -3 \end{pmatrix} ,\, \begin{pmatrix} 7 \\0\\ 0 \end{pmatrix} \, , \begin{pmatrix} 0 \\0\\ 1 \end{pmatrix}} { }
eine Basis wie gewünscht. In dieser Basis wird die lineare Abbildung durch die Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\0 & 0 & 0 \end{pmatrix}} { }
beschrieben.


}