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Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)/Teil II/Arbeitsblatt 42/latex

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\setcounter{section}{42}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Eine komplexe Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} definiert einen \definitionsverweis {Endomorphismus}{}{} \maabb {\mu_z} {x} { zx } {.} Skizziere in der Ebene ${\mathbb C}$ diejenigen komplexen Zahlen mit der Eigenschaft, dass $\mu_z$ eine \definitionsverweis {Isometrie}{}{,} \definitionsverweis {selbstadjungiert}{}{,} eine selbstadjungierte Isometrie bzw. \definitionsverweis {normal}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Eine komplexe Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z }
{ \in }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} definiert eine \definitionsverweis {Streckung}{}{} \maabb {\mu_z} {v} { z v } {} auf dem ${\mathbb C}^n$. Für welche Zahlen $z$ handelt es sich dabei um eine \definitionsverweis {Isometrie}{}{,} einen \definitionsverweis {selbstadjungierten Endomorphismus}{}{,} einen \definitionsverweis {normalen Endomorphismus}{}{?}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wann ist eine \definitionsverweis {Scherung}{}{}
\mathl{\begin{pmatrix} 1 & a \\ 0 & 1 \end{pmatrix}}{} auf dem $\R^2$ ein \definitionsverweis {normaler Endomorphismus}{}{?}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ ein ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit \definitionsverweis {Skalarprodukt}{}{.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {normaler Endomorphismus}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U }
{ \subseteq }{V }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein $\varphi$-\definitionsverweis {invarianter}{}{} \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{.} Zeige, dass auch die \definitionsverweis {Einschränkung}{}{} \maabbdisp {\varphi{{|}}_U} {U} {U } {} normal ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit \definitionsverweis {Skalarprodukt}{}{}
\mathl{\left\langle - , - \right\rangle}{} und sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {Endomorphismus}{}{.} Zeige, dass $\varphi$ genau dann \definitionsverweis {normal }{}{} ist, wenn der \definitionsverweis {adjungierte Endomorphismus}{}{} $\hat{ \varphi }$ normal ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit \definitionsverweis {Skalarprodukt}{}{}
\mathl{\left\langle - , - \right\rangle}{} und sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {normaler Endomorphismus}{}{.} Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \operatorname{kern} \varphi }
{ =} { \operatorname{kern} \hat{ \varphi } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit \definitionsverweis {Skalarprodukt}{}{} und es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{V }
{ =} {V_1 \oplus V_2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die \definitionsverweis {direkte Summe}{}{} der Untervektorräume \mathkor {} {V_1} {und} {V_2} {,} die zueinander orthogonal seien. Es seien \maabbdisp {\varphi_1} {V_1} {V_1 } {} und \maabbdisp {\varphi_2} {V_2} {V_2 } {} \definitionsverweis {normale Endomorphismen}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi }
{ =} { \varphi_1 \oplus \varphi_2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Summe davon. Zeige, dass auch $\varphi$ normal ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ ein ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit \definitionsverweis {Skalarprodukt}{}{}
\mathl{\left\langle - , - \right\rangle}{.} Zeige, dass die Menge der \definitionsverweis {normalen Endomorphismen}{}{} von $V$ keinen \definitionsverweis {Untervektorraum}{}{} in
\mathl{\operatorname{End}_{ } { \left( V \right) }}{} bilden.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Die lineare Abbildung \maabb {\varphi} {\R^2} {\R^2 } {} werde bezüglich der Basis
\mathl{\begin{pmatrix} 6 \\-5 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} -5 \\2 \end{pmatrix}}{} durch die Matrix
\mathl{\begin{pmatrix} 7 & 0 \\ 0 & 7 \end{pmatrix}}{} beschrieben. Handelt es sich um einen \definitionsverweis {normalen Endomorphismus}{}{?}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Die lineare Abbildung \maabb {\varphi} {\R^2} {\R^2 } {} werde bezüglich der Basis
\mathl{\begin{pmatrix} 7 \\-2 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} 4 \\14 \end{pmatrix}}{} durch die Matrix
\mathl{\begin{pmatrix} 5 & 0 \\ 0 & 6 \end{pmatrix}}{} beschrieben. Handelt es sich um einen \definitionsverweis {normalen Endomorphismus}{}{?}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Entscheide, ob es für die durch die Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 2-3{ \mathrm i} & 4+5{ \mathrm i} \\ 11-3{ \mathrm i} & 6+9{ \mathrm i} \end{pmatrix}} { }
gegebene \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabb {} {{\mathbb C}^2} {{\mathbb C}^2 } {} eine \definitionsverweis {Orthonormalbasis}{}{} des ${\mathbb C}^2$ aus \definitionsverweis {Eigenvektoren}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Entscheide, ob es für die durch die Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 2-5{ \mathrm i} & 3-4{ \mathrm i} & 1+5{ \mathrm i} \\ 0 & 1-{ \mathrm i} & 2+9{ \mathrm i} \\6+3{ \mathrm i} & { \mathrm i}-7 & -4{ \mathrm i} \end{pmatrix}} { }
gegebene lineare Abbildung \maabb {} {{\mathbb C}^3} {{\mathbb C}^3 } {} eine \definitionsverweis {Orthonormalbasis}{}{} des ${\mathbb C}^3$ aus \definitionsverweis {Eigenvektoren}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit \definitionsverweis {Skalarprodukt}{}{}
\mathl{\left\langle - , - \right\rangle}{} und es sei
\mathl{v_1 , \ldots , v_n}{} eine \definitionsverweis {Basis}{}{} von $V$. Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {Endomorphismus}{}{} und
\mathl{\Psi_\varphi}{} die zugehörige \definitionsverweis {Sesquilinearform}{}{} im Sinne von Lemma 41.12. Wie verhält sich die beschreibende Matrix von $\varphi$ zur \definitionsverweis {Gramschen Matrix}{}{} zu
\mathl{\Psi_\varphi}{?} Welche Beziehung besteht zur Gramschen Matrix der Form
\mathl{\Theta_\varphi}{,} die durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \Theta_\varphi (v,w) }
{ =} { \left\langle v , \varphi(w) \right\rangle }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} definiert wird.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mathl{X^2+(3-2 { \mathrm i})X- 6{ \mathrm i}}{} das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{} eines \definitionsverweis {normalen Endomorphismus}{}{} \maabb {\varphi} {{\mathbb C}^2} {{\mathbb C}^2 } {.} Bestimme das charakteristische Polynom des \definitionsverweis {adjungierten Endomorphismus}{}{} $\hat{ \varphi }$.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $V$ ein endlichdimensionaler ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit einem fixierten \definitionsverweis {Skalarprodukt}{}{}
\mathl{\left\langle - , - \right\rangle}{.} Wir nennen eine \definitionsverweis {Sesquilinearform}{}{} $\Psi$ auf $V$ \stichwort {orthogonalisierbar} {,} wenn es eine \definitionsverweis {Orthonormalbasis}{}{}
\mathl{u_1 , \ldots , u_n}{} \zusatzklammer {bezüglich des Skalarproduktes} {} {} von $V$ mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\Psi (u_i,u_j) }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{i }
{ \neq }{j }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt. Zeige, dass bei der Korrespondenz \maabbeledisp {} { \operatorname{End}_{ } { \left( V \right) } } { \operatorname{Sesq}_{ } { \left( V \right) } } { \varphi} { \Psi_\varphi } {,} die \definitionsverweis {normalen Endomorphismen}{}{} den orthogonalisierbaren Sesquilinearformen entsprechen.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} und
\mathl{\left\langle - , - \right\rangle}{} eine \definitionsverweis {hermitesche}{}{} \definitionsverweis {Sesquilinearform}{}{} auf $V$. Zeige, dass $V$ eine \definitionsverweis {Orthogonalbasis}{}{} besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Beweise den Trägheitssatz von Sylvester für eine \definitionsverweis {komplex-hermitesche Form}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Der $\R^4$ sei \zusatzklammer {neben dem \definitionsverweis {Standardskalarprodukt}{}{}} {} {} mit der \definitionsverweis {Standard-Minkowski-Form}{}{} versehen. Man gebe eine \definitionsverweis {Basis}{}{} des $\R^4$ an, die bezüglich des Skalarproduktes eine \definitionsverweis {Orthonormalbasis}{}{} und bezüglich der Min\-kowski-Form eine \definitionsverweis {Orthogonalbasis}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Der $\R^2$ sei \zusatzklammer {neben dem \definitionsverweis {Standardskalarprodukt}{}{}} {} {} mit der \definitionsverweis {Standard-Minkowski-Form}{}{} versehen. Bestimme sämtliche \definitionsverweis {Basen}{}{} des $\R^2$, die bezüglich des Skalarproduktes eine \definitionsverweis {Orthonormalbasis}{}{} und bezüglich der Min\-kowski-Form eine \definitionsverweis {Orthogonalbasis}{}{} sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme den \definitionsverweis {Typ}{}{} der Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} -6 & 3- 2{ \mathrm i} & -1+3{ \mathrm i} \\ 3+2{ \mathrm i} & 1 & 5 \\-1-3{ \mathrm i} & 5 & -1 \end{pmatrix}} { . }

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{2}
{

Die lineare Abbildung \maabb {\varphi} {\R^2} {\R^2 } {} werde bezüglich der Basis
\mathl{\begin{pmatrix} 7 \\-2 \end{pmatrix}, \begin{pmatrix} -4 \\3 \end{pmatrix}}{} durch die Matrix
\mathl{\begin{pmatrix} 3 & 0 \\ 0 & 5 \end{pmatrix}}{} beschrieben. Handelt es sich um einen \definitionsverweis {normalen Endomorphismus}{}{?}

}
{} {}




\inputaufgabe
{2}
{

Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} ${\mathbb K}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} mit \definitionsverweis {Skalarprodukt}{}{} und es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {normaler Endomorphismus}{}{.} Zeige, dass auch
\mathl{\varphi- \lambda \cdot \operatorname{Id}_{ V }}{} normal ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Entscheide, ob es für die durch die Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} 4+{ \mathrm i} & 6-7{ \mathrm i} & 6+3{ \mathrm i} \\ 4-{ \mathrm i} & 2-{ \mathrm i} & 2-{ \mathrm i} \\5+3{ \mathrm i} & 2{ \mathrm i}-11 & 4+3{ \mathrm i} \end{pmatrix}} { }
gegebene \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabb {} {{\mathbb C}^3} {{\mathbb C}^3 } {} eine \definitionsverweis {Orthonormalbasis}{}{} des ${\mathbb C}^3$ aus \definitionsverweis {Eigenvektoren}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} ein \definitionsverweis {normaler Endomorphismus}{}{} auf dem \definitionsverweis {endlichdimensionalen}{}{} ${\mathbb C}$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$. Zeige, dass $\varphi$ genau dann \definitionsverweis {selbstadjungiert}{}{} ist, wenn alle \definitionsverweis {Eigenwerte}{}{} von $\varphi$ reell sind.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Bestimme den \definitionsverweis {Typ}{}{} der Matrix
\mathdisp {\begin{pmatrix} -5 & 3- { \mathrm i} & -4+{ \mathrm i} \\ 3+{ \mathrm i} & 2 & 7{ \mathrm i} \\-4-{ \mathrm i} & -7{ \mathrm i} & 4 \end{pmatrix}} { . }

}
{} {}