Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018)/Teil II/Vorlesung 57

Lineare Abbildungen bei Körperwechsel

Definition

Zu einer linearen Abbildung

$\varphi \colon V\longrightarrow W$

zwischen ${}K$- Vektorräumen ${}V$ und ${}W$ und einer Körpererweiterung  ${}K\subseteq L$  heißt die ${}L$-lineare Abbildung

$\varphi _{L}\colon V_{L}=L\otimes _{K}V\longrightarrow W_{L}=L\otimes _{K}W,\,b\otimes v\longmapsto b\otimes \varphi (v),$

die durch Körperwechsel gewonnene lineare Abbildung.

Diese Abbildung ist nicht nur ${}K$-linear, sondern, wie in Proposition 56.13  (3) gezeigt wurde, auch ${}L$-linear.

Lemma

Es sei ${}K$ ein Körper und sei ${}V$ ein ${}n$- dimensionaler ${}K$- Vektorraum mit einer Basis  ${}{\mathfrak {v}}=v_{1},\ldots ,v_{n}$  und sei ${}W$ ein ${}m$-dimensionaler ${}K$-Vektorraum mit einer Basis  ${}{\mathfrak {w}}=w_{1},\ldots ,w_{m}$.  Es sei

$\varphi \colon V\longrightarrow W$

eine lineare Abbildung mit der beschreibenden Matrix  ${}M=M_{\mathfrak {w}}^{\mathfrak {v}}(\varphi )={\left(a_{ij}\right)}$.  Es sei  ${}K\subseteq L$  eine Körpererweiterung.

Dann wird die durch den Körperwechsel gewonnene lineare Abbildung

$\varphi _{L}\colon V_{L}\longrightarrow W_{L}$

bezüglich der Basen ${}1\otimes v_{1},\ldots ,1\otimes v_{n}$ von ${}V_{L}$ und ${}1\otimes w_{1},\ldots ,1\otimes w_{m}$ von ${}W_{L}$ ebenfalls durch die Matrix ${}M$, aufgefasst über ${}L$, beschrieben.

Beweis

Wegen Lemma 56.14 liegen in der Tat Basen vor. Das Basiselement ${}v_{j}$ von ${}V$ wird unter ${}\varphi$ auf

${}\varphi (v_{j})=\sum _{i=1}^{m}a_{ij}w_{i}\,$

abgebildet. Somit wird das Basiselement ${}1\otimes v_{j}$ von ${}V_{L}$ unter ${}\varphi _{L}$ auf

${}\varphi (1\otimes v_{j})=1\otimes \varphi (v_{j})=1\otimes {\left(\sum _{i=1}^{m}a_{ij}w_{i}\right)}=\sum _{i=1}^{m}a_{ij}{\left(1\otimes w_{i}\right)}\,.$

Die Koeffizienten ${}a_{ij}$ konstituieren also die beschreibende Matrix von ${}\varphi _{L}$.

$\Box$

Das Dachprodukt

Unter den multilinearen Abbildungen spielen die alternierenden Abbildungen eine besondere Rolle, das wichtigste Beispiel ist die Determinante. Wir führen hier eine Konstruktion für das sogenannte Dachprodukt durch, dass für die alternierenden Abbildungen eine ähnliche Rolle spielt wie das Tensorprodukt für die multilinearen Abbildungen.

Wir erinnern an alternierende Abbildungen.

Es sei ${}K$ ein Körper, ${}V$ und ${}W$ seien ${}K$- Vektorräume und sei  ${}n\in \mathbb {N}$.  Eine multilineare Abbildung

$\Phi \colon V^{n}=\underbrace {V\times \cdots \times V} _{n{\text{-mal}}}\longrightarrow W$

heißt alternierend, wenn folgendes gilt: Falls in  ${}v=(v_{1},\ldots ,v_{n})$  zwei Einträge übereinstimmen, also  ${}v_{i}=v_{j}$  für ein Paar  ${}i\neq j$,  so ist

${}\Phi (v)=0\,.$

Konstruktion  

Es sei ${}K$ ein Körper, ${}V$ ein ${}K$- Vektorraum und  ${}n\in \mathbb {N}$.  Wir konstruieren das sogenannte ${}n$-te Dachprodukt von ${}V$ mit sich selbst, geschrieben ${}\bigwedge ^{n}V$. Dazu betrachten wir die Menge ${}S$ aller Symbole der Form

${(v_{1},\ldots ,v_{n})}{\text{ mit }}v_{i}\in V$

und die zugehörige Menge der ${}e_{(v_{1},\ldots ,v_{n})}$. Wir betrachten den Vektorraum

${}H=K^{(S)}\,,$

das ist die Menge aller (endlichen) Summen

$a_{1}e_{s_{1}}+\cdots +a_{k}e_{s_{k}}{\text{ mit }}a_{i}\in K{\text{ und }}s_{i}\in S,$

die ${}e_{s}$ bilden eine Basis. Dies ist mit der natürlichen Addition und der natürlichen Skalarmultiplikation ein Vektorraum, und zwar ein Untervektorraum des Abbildungsraumes ${}\operatorname {Abb} \,{\left(S,K\right)}$ (es handelt sich bei ${}H$ um die Menge derjenigen Vektoren, die für fast alle Elemente  ${}s\in S$  den Wert ${}0$ haben). In ${}H$ betrachten wir den Untervektorraum ${}U$, der von den folgenden Elementen erzeugt wird (die man die Standardrelationen des Dachprodukts nennt).

$e_{(v_{1},\ldots ,v_{i-1},v+w,v_{i+1},\ldots ,v_{n})}-e_{(v_{1},\ldots ,v_{i-1},v,v_{i+1},\ldots ,v_{n})}-e_{(v_{1},\ldots ,v_{i-1},w,v_{i+1},\ldots ,v_{n})}$

für beliebige  ${}v_{1},\ldots ,v_{i-1},v_{i+1},\ldots ,v_{n},v,w\in V$. 

$e_{(v_{1},\ldots ,v_{i-1},av,v_{i+1},\ldots ,v_{n})}-ae_{(v_{1},\ldots ,v_{i-1},v,v_{i+1},\ldots ,v_{n})}$

für beliebige  ${}v_{1},\ldots ,v_{i-1},v_{i+1},\ldots ,v_{n},v\in V$  und  ${}a\in K$. 

$e_{(v_{1},\ldots ,v_{i-1},v,v_{i+1},\ldots ,v_{j-1},v,v_{j+1},\ldots ,v_{n})}$

für  ${}i<j$  und beliebige  ${}v_{1},\ldots ,v_{i-1},v_{i+1},\ldots ,,v_{j-1},v_{j+1},\ldots ,v_{n},v\in V$. 

Dabei ist der Leitgedanke, die Regeln, die für eine alternierende multilineare Abbildung gelten müssen, dadurch zu erzwingen, dass man die obigen Terme zu ${}0$ macht. Der erste Typ repräsentiert die Additivität in jedem Argument, die zweite die Verträglichkeit mit der skalaren Multiplikation, die dritte die alternierende Eigenschaft.

Man setzt nun

${}\bigwedge ^{n}V:=H/U\,,$

d.h. man bildet den Restklassenraum von ${}H$ modulo dem Unterraum ${}U$.

Die Elemente ${}e_{(v_{1},\ldots ,v_{n})}$ bilden dabei ein Erzeugendensystem von ${}H$. Die Restklasse von ${}e_{(v_{1},\ldots ,v_{n})}$ modulo ${}U$ bezeichnen wir mit

$v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n}.$

Die Erzeuger von ${}U$ werden dann zu den Rechenregeln

${}{\begin{aligned}v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{i-1}\wedge (v+w)\wedge v_{i+1}\wedge \ldots \wedge v_{n}&=v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{i-1}\wedge v\wedge v_{i+1}\wedge \ldots \wedge v_{n}\,+\,v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{i-1}\wedge w\wedge v_{i+1}\wedge \ldots \wedge v_{n},\,\end{aligned}}$

$v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{i-1}\wedge av\wedge v_{i+1}\wedge \ldots \wedge v_{n}=a\cdot v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{i-1}\wedge v\wedge v_{i+1}\wedge \ldots \wedge v_{n}\,$

und

${}v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{i-1}\wedge v\wedge v_{i+1}\wedge \ldots \wedge v_{j-1}\wedge v\wedge v_{j+1}\wedge \ldots \wedge v_{n}=0\,.$

Definition

Es sei ${}K$ ein Körper und ${}V$ ein ${}K$- Vektorraum. Man nennt den (in Konstruktion 57.3 konstruierten) ${}K$-Vektorraum ${}\bigwedge ^{n}V$ die ${}n$-te äußere Potenz (oder das ${}n$-te Dachprodukt) von ${}V$. Die Abbildung

$V^{n}\longrightarrow \bigwedge ^{n}V,\,(v_{1},\ldots ,v_{n})\longmapsto v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n},$

nennt man die universelle alternierende Abbildung.

Rechenregeln für das Dachprodukt

Lemma

Es sei ${}K$ ein Körper und ${}V$ ein ${}K$- Vektorraum. Dann gelten für die äußeren Potenzen folgende Aussagen.

1. Die Elemente der Form ${}v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n}$ mit  ${}v_{i}\in V$  bilden ein Erzeugendensystem von ${}\bigwedge ^{n}V$.
2. Die Abbildung

   $V^{n}\longrightarrow \bigwedge ^{n}V,\,(v_{1},\ldots ,v_{n})\longmapsto v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n},$

   ist multilinear und alternierend.

3. Es ist

   $v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{i-1}\wedge v\wedge w\wedge v_{i+2}\wedge \ldots \wedge v_{n}=-v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{i-1}\wedge w\wedge v\wedge v_{i+2}\wedge \ldots \wedge v_{n}\,.$

4. Es seien  ${}u_{1},\ldots ,u_{m}\in V$  gegeben und seien

   ${}v_{j}=\sum _{i=1}^{m}a_{ij}u_{i}\,$

   für  ${}j=1,\ldots ,n$.  Dann ist

   ${}{\begin{aligned}v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n}&=\sum _{(i_{1},\ldots ,i_{n})\in \{1,\ldots ,m\}^{n}}{\left(\prod _{j=1}^{n}a_{i_{j}j}\right)}u_{i_{1}}\wedge \ldots \wedge u_{i_{n}}\\&=\sum _{1\leq i_{1}<\ldots <i_{n}\leq m}{\left(\sum _{\pi \in S_{n}}\operatorname {sgn} (\pi )\prod _{j=1}^{n}a_{i_{\pi (j)}j}\right)}u_{i_{1}}\wedge \ldots \wedge u_{i_{n}}.\end{aligned}}$

Beweis

(1) folgt direkt aus der Konstruktion.
(2). Es liegt die zusammengesetzte Abbildung

$V^{n}\longrightarrow H\cong K^{(V^{n})}\longrightarrow H/U$

vor, wobei ${}(v_{1},\ldots ,v_{n})$ auf ${}e_{(v_{1},\ldots ,v_{n})}$ und dies auf die Restklasse ${}v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n}$abgebildet wird. Dabei sichert die Definition des Unterraums ${}U$, dass jeweils die Eigenschaften einer multilinearen alternierenden Abbildung erfüllt sind.

(3) gilt nach Lemma 16.8 für jede alternierende Abbildung.
(4). Die erste Gleichung gilt nach Lemma 16.6 für jede multilineare Abbildung. Wenn sich in dem Indextupel ${}(i_{1},\ldots ,i_{n})$ ein Eintrag wiederholt, so ist  ${}u_{i_{1}}\wedge \ldots \wedge u_{i_{n}}=0$  wegen alternierend. Wir müssen also nur noch Tupel betrachten, wo alle Einträge verschieden sind. Diese können nach Umordnen auf die Form  ${}1\leq i_{1}<\ldots <i_{n}\leq m$  gebracht werden. Bei einem fixierten aufsteigenden Indextupel ist die Summe über alle dazu permutierten Indextupel gleich

$\sum _{\pi \in S_{n}}\prod _{j=1}^{n}a_{i_{\pi (j)}j}u_{i_{\pi (1)}}\wedge \ldots \wedge u_{i_{\pi (n)}}=\sum _{\pi \in S_{n}}\operatorname {sgn} (\pi )\prod _{j=1}^{n}a_{i_{\pi (j)}j}u_{i_{1}}\wedge \ldots \wedge u_{i_{n}}\,.$

$\Box$

Korollar

Es sei ${}K$ ein Körper und ${}V$ ein ${}K$- Vektorraum und seien ${}v_{1},\ldots ,v_{n}$ und ${}w_{1},\ldots ,w_{n}$ Vektoren in ${}V$, die miteinander in der Beziehung

${}{\begin{pmatrix}v_{1}\\\vdots \\v_{n}\end{pmatrix}}=M{\begin{pmatrix}w_{1}\\\vdots \\w_{n}\end{pmatrix}}\,$

stehen, wobei ${}M$ eine ${}n\times n$- Matrix bezeichnet.

Dann gilt in ${}\bigwedge ^{n}V$ die Beziehung

${}v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n}=(\det M)w_{1}\wedge \ldots \wedge w_{n}\,.$

Beweis

Mit  ${}M={\left(b_{jk}\right)}$  ist  ${}v_{j}=\sum _{k=1}^{n}b_{jk}w_{k}$  und mit der transponierten Matrix  ${}{M^{\text{tr}}}=(a_{ij})$  ist  ${}v_{j}=\sum _{i=1}^{n}a_{ij}w_{i}$.  Damit sind wir in der Notation von Lemma 57.5  (4) und es gilt

${}{\begin{aligned}v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n}&=\sum _{1\leq i_{1}<\ldots <i_{n}\leq n}{\left(\sum _{\pi \in S_{n}}\operatorname {sgn} (\pi )\prod _{j=1}^{n}a_{i_{\pi (j)}j}\right)}w_{i_{1}}\wedge \ldots \wedge w_{i_{n}}\\&=\sum _{\pi \in S_{n}}\operatorname {sgn} (\pi )\prod _{j=1}^{n}a_{{\pi (j)}j}w_{1}\wedge \ldots \wedge w_{n},\end{aligned}}$

da dann  ${}i_{j}=j$  sein muss. Daher folgt die Aussage aus der Leibniz-Formel für die Determinante.

$\Box$

Die universelle Eigenschaft des Dachproduktes

Die folgende Aussage beschreibt die universelle Eigenschaft des Dachproduktes.

Satz

Es sei ${}K$ ein Körper, ${}V$ ein ${}K$- Vektorraum und  ${}n\in \mathbb {N}$.  Es sei

$\psi \colon V^{n}\longrightarrow W$

eine alternierende multilineare Abbildung in einen weiteren ${}K$-Vektorraum ${}W$.

Dann gibt es eine eindeutig bestimmte lineare Abbildung

${\tilde {\psi }}\colon \bigwedge ^{n}V\longrightarrow W$

derart, dass das Diagramm

${\begin{matrix}V^{n}&{\stackrel {}{\longrightarrow }}&\bigwedge ^{n}V&\\&\searrow &\downarrow &\\&&W&\!\!\!\!\!\!\!\!\\\end{matrix}}$

kommutiert.

Beweis

Wir verwenden die Notation aus Konstruktion 57.3. Durch die Zuordnung

$e_{(v_{1},\ldots ,v_{n})}\longmapsto \psi (v_{1},\ldots ,v_{n})$

wird nach Satz 10.10 eine ${}K$- lineare Abbildung

${\bar {\psi }}\colon H\longrightarrow W$

definiert. Da ${}\psi$ multilinear und alternierend ist, wird unter ${}{\bar {\psi }}$ der Untervektorraum  ${}U\subseteq H$  auf ${}0$ abgebildet. Nach Satz 48.7 gibt es daher eine ${}K$-lineare Abbildung

${\tilde {\psi }}\colon H/U\longrightarrow W,$

die mit ${}{\bar {\psi }}$ verträglich ist.
Die Eindeutigkeit ergibt sich daraus, dass die ${}v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n}$ ein Erzeugendensystem von ${}\bigwedge ^{n}V$ bilden und diese auf ${}\psi (v_{1},\ldots ,v_{n})$ abgebildet werden müssen.

$\Box$

Es bezeichne ${}\operatorname {Alt} ^{n}(V,W)$ die Menge aller alternierenden Abbildungen von ${}V^{n}$ nach ${}W$. Diese Menge kann man mit einer natürlichen ${}K$- Vektorraumstruktur versehen, siehe Aufgabe 16.28.

Korollar

Es sei ${}K$ ein Körper, ${}V$ und ${}W$ seien ${}K$- Vektorräume und  ${}n\in \mathbb {N}$. 

Dann gibt es eine natürliche Isomorphie

$\operatorname {Hom} _{K}{\left(\bigwedge ^{n}V,W\right)}\longrightarrow \operatorname {Alt} ^{n}(V,W),\,\psi \longmapsto ((v_{1},\ldots ,v_{n})\mapsto \psi (v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n})).$

Beweis

Die Abbildung ist einfach die Verknüpfung ${}\psi \mapsto \psi \circ \delta$, wobei ${}\delta \colon V\times \cdots \times V\rightarrow \bigwedge ^{n}V$ die kanonische Abbildung bezeichnet. Die Linearität der Zuordnung ergibt sich aus den linearen Strukturen des Homomorphismenraumes und des Raumes der alternierenden Abbildungen. Die Bijektivität der Abbildung folgt aus Satz 57.7.

$\Box$

Korollar

Es sei ${}K$ ein Körper, ${}V$ ein ${}K$- Vektorraum und  ${}n\in \mathbb {N}$. 

Dann gibt es eine natürliche Isomorphie

${\left(\bigwedge ^{n}V\right)}^{*}\longrightarrow \operatorname {Alt} ^{n}(V,K),\,\psi \longmapsto ((v_{1},\ldots ,v_{n})\mapsto \psi (v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{n})).$

Beweis

Dies ist ein Spezialfall von Fakt *****.

$\Box$

Satz

Es sei ${}K$ ein Körper und ${}V$ ein ${}K$- Vektorraum und  ${}k\in \mathbb {N} _{+}$. 

Dann gibt es eine kanonische surjektive lineare Abbildung

$V\otimes _{}\cdots \otimes _{}V\longrightarrow V\wedge \ldots \wedge V,\,v_{1}\otimes _{}\cdots \otimes _{}v_{k}\longmapsto v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{k}.$

Beweis

Dies ergibt sich aus der alternierenden Abbildung

$V^{k}\longrightarrow \bigwedge ^{k}V,\,(v_{1},\ldots ,v_{k})\longmapsto v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{k},$

gemäß Lemma 55.4  (2). Die Surjektivität beruht darauf, dass das Erzeugendensystem ${}v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{k}$ im Bild liegt.

$\Box$

Wenn ${}V$ endlichdimensional ist, so ergibt sich aus der vorstehenden Aussage und Korollar 55.13, dass das Dachprodukt endliche Dimension besitzt. Diese werden wir in der letzten Vorlesung bestimmen.

Fußnoten

<< | Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2017-2018)/Teil II | >> PDF-Version dieser Vorlesung Arbeitsblatt zur Vorlesung (PDF)