Kurs:Mathematik für Anwender/Teil I/52/Klausur mit Lösungen/kontrolle

Aufgabe	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	${}\sum$
Punkte	3	3	2	2	4	2	5	2	3	2	5	4	5	7	1	5	1	3	5	64

Aufgabe (3 Punkte)

Lösung

Die Funktion
$f\colon \mathbb {R} \longrightarrow \mathbb {R}$

heißt streng wachsend, wenn

$f(x')>f(x){\text{ für alle }}x,x'\in I{\text{ mit }}x'>x{\text{ gilt}}.$
Unter der Reihe ${}\sum _{k=0}^{\infty }a_{k}$ versteht man die Folge ${}{\left(s_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ der Partialsummen
${}s_{n}=\sum _{k=0}^{n}a_{k}\,.$
Der natürliche Logarithmus
$\ln \colon \mathbb {R} _{+}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,x\longmapsto \ln x,$

ist als die Umkehrfunktion der reellen Exponentialfunktion definiert.
Man sagt, dass ${}f$ stetig differenzierbar ist, wenn ${}f$ differenzierbar ist und die Ableitung ${}f'$ stetig ist.
Das Oberintegral ist definiert als das Infimum von sämtlichen Treppenintegralen zu oberen Treppenfunktionen von ${}f$ .
Die Abbildung ${}\varphi$ werde bezüglich einer Basis durch die Matrix ${}M$ beschrieben. Dann nennt man
${}\det \varphi :=\det M\,$

die Determinante der linearen Abbildung ${}\varphi$ .

Aufgabe (3 Punkte)

Lösung

Die komplexen Zahlen bilden einen Körper.
Seien
${}D,E\subseteq \mathbb {R} \,$

Teilmengen und seien

$f\colon D\longrightarrow \mathbb {R}$

und

$g\colon E\longrightarrow \mathbb {R}$

Funktionen mit ${}f(D)\subseteq E$ . Es sei ${}f$ in ${}a$ differenzierbar und ${}g$ sei in ${}b:=f(a)$ differenzierbar. Dann ist auch die Hintereinanderschaltung

$g\circ f\colon D\longrightarrow \mathbb {R}$

in ${}a$ differenzierbar mit der Ableitung

${}(g\circ f)'(a)=g'(f(a))\cdot f'(a)\,.$
Die Menge aller Lösungen eines homogenen linearen Gleichungssystems
${\begin{matrix}a_{11}x_{1}+a_{12}x_{2}+\cdots +a_{1n}x_{n}&=&0\\a_{21}x_{1}+a_{22}x_{2}+\cdots +a_{2n}x_{n}&=&0\\\vdots &\vdots &\vdots \\a_{m1}x_{1}+a_{m2}x_{2}+\cdots +a_{mn}x_{n}&=&0\end{matrix}}$

über einem Körper ${}K$ ist ein Untervektorraum des ${}K^{n}$
(mit komponentenweiser Addition und Skalarmultiplikation).

Aufgabe (2 Punkte)

Ein Flugzeug soll von Osnabrück aus zu einem Zielort auf der Südhalbkugel fliegen. Kann es kürzer sein, in Richtung Norden zu fliegen?

Lösung erstellen

Aufgabe (2 (1+1) Punkte)

Wir betrachten auf der Menge

{}M=\{a,b,c,d\}\,

die durch die Tabelle

${}\star$	${}a$	${}b$	${}c$	${}d$
${}a$	${}b$	${}a$	${}c$	${}a$
${}b$	${}d$	${}a$	${}b$	${}b$
${}c$	${}a$	${}b$	${}c$	${}c$
${}d$	${}b$	${}d$	${}d$	${}d$

gegebene Verknüpfung ${}\star$ .

Berechne
$b\star (a\star (d\star a)).$
Besitzt die Verknüpfung ${}\star$ ein neutrales Element?

Lösung

Es ist
${}b\star (a\star (d\star a))=b\star (a\star b)=b\star a=d\,.$
Es gibt kein neutrales Element, da dann eine Zeile eine Wiederholung der Leitzeile sein müsste, was nicht der Fall ist.

Aufgabe (4 Punkte)

Es sei ${}M$ eine ${}n$ -elementige Menge. Zeige durch Induktion über ${}k$ , dass die Anzahl der ${}k$ -elementigen Teilmengen von ${}M$ gleich dem Binomialkoeffizienten

{\binom {n}{k}}

ist.

Lösung

Es sei ${}n$ fixiert. Bei ${}k=0$ gibt es nur die leere Menge, was mit dem Binomialkoeffizienten

{}{\binom {n}{0}}=1\,

übereinstimmt. Es sei die Aussage also für ein ${}k$ zwischen ${}0$ und ${}n-1$ schon bewiesen. Jeder ${}k$ -elementigen Teilmenge ${}S$ von ${}M$ und jedem der ${}n-k$ Elemente ${}x$ aus ${}M\setminus S$ kann man die ${}k+1$ -elementige Menge

{}T=S\cup \{x\}\,

zuordnen. Dabei wird jede ${}k+1$ -elementige Menge ${}T$ erreicht, und zwar ${}k+1$ -fach, da man ja aus ${}T$ jedes der ${}k+1$ Elemente herausnehmen kann. Zwischen der Anzahl ${}A_{k}$ der ${}k$ -elementigen Teilmengen von ${}M$ und der Anzahl ${}A_{k+1}$ der ${}k+1$ -elementigen Teilmengen von ${}M$ besteht also der Zusammenhang

{}A_{k+1}\cdot (k+1)=A_{k}\cdot (n-k)\,.

Unter Verwendung der Induktionsvoraussetzung ist daher

{}{\begin{aligned}A_{k+1}&={\frac {n-k}{k+1}}A_{k}\\&={\frac {n-k}{k+1}}{\binom {n}{k}}\\&={\frac {n-k}{k+1}}\cdot {\frac {n(n-1)\cdots (n-k+1)}{k!}}\\&={\frac {n(n-1)\cdots (n-k+1)(n-k)}{(k+1)!}}\\&={\binom {n}{k+1}}\end{aligned}}

Aufgabe (2 Punkte)

Schreibe die Menge

]-3,-2[\,\cup \,\{7\}\,\cup \,{\left([-{\frac {5}{2}},-{\frac {1}{3}}]\,\setminus \,]-{\frac {4}{3}},-1]\right)}\,\cup \,[1,{\frac {7}{3}}]\,\cup \,[-{\frac {1}{2}},{\frac {6}{5}}[\,\cup \,{\left(\,]-7,-6]\cap \mathbb {R} _{+}\right)}

als eine Vereinigung von möglichst wenigen disjunkten Intervallen.

Lösung

Der rechte Klammerausdruck ist leer und der linke Klammerausdruck ist

{}[-{\frac {5}{2}},-{\frac {1}{3}}]\,\setminus \,]-{\frac {4}{3}},-1]=[-{\frac {5}{2}},-{\frac {4}{3}}]\,\cup \,]-1,-{\frac {1}{3}}]\,.

Somit ist die Gesamtmenge gleich

]-3,-{\frac {4}{3}}]\,\cup \,]-1,{\frac {7}{3}}]\,\cup \,[7,7].

Aufgabe (5 Punkte)

Vergleiche

{\sqrt {3}}+{\sqrt {10}}\,\,{\text{  und }}\,\,{\sqrt {5}}+{\sqrt {7}}.

Lösung

Wir fragen uns, ob

{}{\sqrt {3}}+{\sqrt {10}}>{\sqrt {5}}+{\sqrt {7}}\,

ist. Dies ist, da das Quadrieren von positiven Zahlen eine Äquivalenzumformung für die Größenbeziehung ist, äquivalent zu

{}3+10+2{\sqrt {30}}={\left({\sqrt {3}}+{\sqrt {10}}\right)}^{2}>{\left({\sqrt {5}}+{\sqrt {7}}\right)}^{2}=5+7+2{\sqrt {35}}\,.

Dies ist durch Subtraktion mit ${}12$ äquivalent zu

{}1+2{\sqrt {30}}>2{\sqrt {35}}\,.

Durch Quadrieren ist dies äquivalent zu

{}1+4\cdot 30+4\cdot {\sqrt {30}}={\left(1+2{\sqrt {30}}\right)}^{2}>4\cdot 35=140\,.

Dies ist äquivalent zu

{}4{\sqrt {30}}>19\,.

Quadrieren liefert

{}480=16\cdot 30>19^{2}=361\,,

was stimmt. Also ist

{}{\sqrt {3}}+{\sqrt {10}}>{\sqrt {5}}+{\sqrt {7}}\,.

Aufgabe (2 Punkte)

Es sei ${}z=a+b{\mathrm {i} }$ eine komplexe Zahl mit ${}b<0$ . Zeige, dass

{}v={\frac {1}{\sqrt {2}}}{\left(-{\sqrt {\vert {z}\vert +a}}+{\mathrm {i} }{\sqrt {\vert {z}\vert -a}}\right)}\,

eine Quadratwurzel von ${}z$ ist.

Lösung

Es ist

{}{\begin{aligned}v^{2}&={\left({\frac {1}{\sqrt {2}}}{\left(-{\sqrt {\vert {z}\vert +a}}+{\mathrm {i} }{\sqrt {\vert {z}\vert -a}}\right)}\right)}^{2}\\&={\frac {1}{2}}{\left(\vert {z}\vert +a-{\left(\vert {z}\vert -a\right)}-2{\mathrm {i} }{\sqrt {{\left(\vert {z}\vert +a\right)}{\left(\vert {z}\vert -a\right)}}}\right)}\\&={\frac {1}{2}}{\left(2a-2{\mathrm {i} }{\sqrt {\vert {z}\vert ^{2}-a^{2}}}\right)}\\&={\frac {1}{2}}{\left(2a-2{\mathrm {i} }{\sqrt {b^{2}}}\right)}\\&={\frac {1}{2}}{\left(2a-2{\mathrm {i} }(-b)\right)}\\&=a+b{\mathrm {i} }.\end{aligned}}

Aufgabe (3 (1+2) Punkte)

a) Berechne das Produkt

{\left(2-3X+X^{2}\right)}\cdot {\left(-5+4X-3X^{2}\right)}

im Polynomring ${}\mathbb {Q} [X]$ .

b) Berechne das Produkt

{\left(2-3{\sqrt {2}}+{\sqrt {2}}^{2}\right)}\cdot {\left(-5+4{\sqrt {2}}-3{\sqrt {2}}^{2}\right)}

in ${}\mathbb {R}$ auf zwei verschiedene Arten.

Lösung

a) Es ist

{}{\begin{aligned}(2-3X+X^{2})\cdot (-5+4X-3X^{2})&=-10+8X+15X-6X^{2}-5X^{2}-12X^{2}+4X^{3}+9X^{3}-3X^{4}\\&=-10+23X-23X^{2}+13X^{3}-3X^{4}.\,\end{aligned}}

b) Es ist einerseits direkt

{}{\begin{aligned}(2-3{\sqrt {2}}+{\sqrt {2}}^{2})\cdot (-5+4{\sqrt {2}}-3{\sqrt {2}}^{2})&={\left(4-3{\sqrt {2}}\right)}{\left(-11+4{\sqrt {2}}\right)}\\&=-44-12\cdot 2+(16+33){\sqrt {2}}\\&=-68+49{\sqrt {2}}.\end{aligned}}

Andererseits kann man im Ergebnis von Teil 1 die Variable ${}X$ durch ${}{\sqrt {2}}$ ersetzen und erhält

{}{\begin{aligned}-10+23{\sqrt {2}}-23{\sqrt {2}}^{2}+13{\sqrt {2}}^{3}-3{\sqrt {2}}^{4}&=-10+23{\sqrt {2}}-23\cdot 2+13\cdot 2{\sqrt {2}}-3\cdot 4\\&=-68+49{\sqrt {2}}.\end{aligned}}

Aufgabe (2 Punkte)

Bestimme eine Symmetrieachse für den Graphen der Funktion

f\colon \mathbb {R} \longrightarrow \mathbb {R} ,\,x\longmapsto x^{2}-5x-9.

Lösung

Wir schreiben

{}{\begin{aligned}f(x)&=x^{2}-5x-9\\&={\left(x-{\frac {5}{2}}\right)}^{2}-{\frac {25}{4}}-9\\&={\left(x-{\frac {5}{2}}\right)}^{2}-{\frac {61}{4}}.\end{aligned}}

Daher ist die durch ${}x={\frac {5}{2}}$ gegebene Gerade eine Spiegelungsachse für den Graphen.

Aufgabe (5 Punkte)

Es seien ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} },\,{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ und ${}{\left(z_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ drei reelle Folgen. Es gelte ${}x_{n}\leq y_{n}\leq z_{n}{\text{ für alle }}n\in \mathbb {N}$ und ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ und ${}{\left(z_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ konvergieren beide gegen den gleichen Grenzwert ${}a$ . Zeige, dass dann auch ${}{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ gegen ${}a$ konvergiert.

Lösung

Es ist

{}x_{n}-a\leq y_{n}-a\leq z_{n}-a\,.

Bei ${}y_{n}-a\geq 0$ ist somit

{}\vert {y_{n}-a}\vert \leq \vert {z_{n}-a}\vert \,

und bei ${}y_{n}-a\leq 0$ ist

{}\vert {y_{n}-a}\vert \leq \vert {x_{n}-a}\vert \,.

Daher ist stets

{}\vert {y_{n}-a}\vert \leq {\max {\left(\vert {x_{n}-a}\vert ,\vert {z_{n}-a}\vert \right)}}\,.

Für ein vorgegebenes ${}\epsilon >0$ gibt es aufgrund der Konvergenz der beiden äußeren Folgen gegen ${}a$ natürliche Zahlen ${}n_{1}$ und ${}n_{2}$ derart, dass

{}\vert {x_{n}-a}\vert \leq \epsilon \,

für ${}n\geq n_{1}$ und

{}\vert {z_{n}-a}\vert \leq \epsilon \,

für ${}n\geq n_{2}$ gilt. Für ${}n\geq n_{0}={\max {\left(n_{1},n_{2}\right)}}$ gilt daher

{}\vert {y_{n}-a}\vert \leq \epsilon \,.

Dies bedeutet die Konvergenz von ${}y_{n}$ gegen ${}a$ .

Aufgabe (4 Punkte)

Man gebe ein quadratisches Polynom an, dessen Graph die Diagonale und die Gegendiagonale bei ${}y=1$ jeweils tangential schneidet.

Lösung

Das gesuchte Polynom sei

{}f(x)=ax^{2}+bx+c\,.

Dann ist

{}f'(x)=2ax+b\,.

Die Bedingung, dass der Graph zu ${}f$ die Diagonale und die Gegendiagonale bei ${}y=1$ schneidet, bedeutet

a+b+c=1\,\,{\text{  und }}\,\,a-b+c=1.

Die Steigung der Diagonale ist ${}1$ . Da der Schnitt tangential sein soll, bedeutet dies

{}2a+b=1\,.

Die Steigung der Gegendiagonale ist ${}-1$ . Dies bedeutet somit

{}-2a+b=-1\,.

Die Summe der beiden letzten Gleichungen ergibt direkt

{}b=0\,

und somit

{}a={\frac {1}{2}}\,.

Daraus ergibt sich mit der ersten (oder der zweiten) Gleichung

{}c={\frac {1}{2}}\,.

Das gesuchte Polynom ist also

{}f(x)={\frac {1}{2}}x^{2}+{\frac {1}{2}}\,.

Aufgabe (5 Punkte)

Beweise den Satz über die Ableitung in einem Extremum.

Lösung

Wir können annehmen, dass ${}f$ ein lokales Maximum in ${}c$ besitzt. Es gibt also ein ${}\epsilon >0$ mit ${}f(x)\leq f(c)$ für alle ${}x\in [c-\epsilon ,c+\epsilon ]$ . Es sei ${}{\left(s_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine Folge mit ${}c-\epsilon \leq s_{n}<c$ , die gegen ${}c$ („von unten“) konvergiere. Dann ist ${}s_{n}-c<0$ und ${}f(s_{n})-f(c)\leq 0$ und somit ist der Differenzenquotient

{}{\frac {f(s_{n})-f(c)}{s_{n}-c}}\geq 0\,,

was sich dann nach Lemma 7.11 (Mathematik für Anwender (Osnabrück 2020-2021)) auf den Limes, also den Differentialquotienten, überträgt. Also ist ${}f'(c)\geq 0$ . Für eine Folge ${}{\left(t_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ mit ${}c+\epsilon \geq t_{n}>c$ gilt andererseits

{}{\frac {f(t_{n})-f(c)}{t_{n}-c}}\leq 0\,.

Daher ist auch ${}f'(c)\leq 0$ und somit ist insgesamt ${}f'(c)=0$ .

Aufgabe (7 (2+2+3) Punkte)

Die sogenannten Bernoulli-Polynome ${}B_{n}$ für ${}n\in \mathbb {N}$ sind Polynome vom Grad ${}n$ , die rekursiv definiert werden: ${}B_{0}$ ist das konstante Polynom mit dem Wert ${}1$ . Das Polynom ${}B_{n+1}$ berechnet sich aus dem Polynom ${}B_{n}$ über die beiden Bedingungen: ${}B_{n+1}$ ist eine Stammfunktion von ${}(n+1)B_{n}$ und es ist

{}\int _{0}^{1}B_{n+1}(x)dx=0\,.

Berechne ${}B_{1}$ .
Berechne ${}B_{2}$ .
Berechne ${}B_{3}$ .

Lösung

Die Stammfunktionen von ${}1B_{0}=1$ sind ${}x+c$ mit einer Konstanten ${}c$ . Die Bedingung
${}0=\int _{0}^{1}(x+c)dx=\left({\frac {1}{2}}x^{2}+cx\right)|_{0}^{1}={\frac {1}{2}}+c\,$

führt auf

${}c=-{\frac {1}{2}}\,$

und daher

${}B_{1}=x-{\frac {1}{2}}\,.$
Die Stammfunktionen von ${}2B_{1}=2x-1$ sind ${}x^{2}-x+a$ mit einer Konstanten ${}a$ . Die Bedingung
${}{\begin{aligned}0&=\int _{0}^{1}(x^{2}-x+a)dx\\&=\left({\frac {1}{3}}x^{3}-{\frac {1}{2}}x^{2}+ax\right)|_{0}^{1}\\&={\frac {1}{3}}-{\frac {1}{2}}+a\\&=-{\frac {1}{6}}+a\end{aligned}}$
führt auf
${}a={\frac {1}{6}}\,$

und daher

${}B_{2}=x^{2}-x+{\frac {1}{6}}\,.$
Die Stammfunktionen von ${}3B_{2}=3x^{2}-3x+{\frac {1}{2}}$ sind ${}x^{3}-{\frac {3}{2}}x^{2}+{\frac {1}{2}}x+b$ mit einer Konstanten ${}b$ . Die Bedingung
${}{\begin{aligned}0&=\int _{0}^{1}(x^{3}-{\frac {3}{2}}x^{2}+{\frac {1}{2}}x+b)dx\\&=\left({\frac {1}{4}}x^{4}-{\frac {1}{2}}x^{3}+{\frac {1}{4}}x^{2}+bx\right)|_{0}^{1}\\&={\frac {1}{4}}-{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{4}}+b\\&=b\end{aligned}}$
führt auf
${}b=0\,$

und daher

${}B_{3}=x^{3}-{\frac {3}{2}}x^{2}+{\frac {1}{2}}x\,.$

Aufgabe (1 Punkt)

Bestimme (ohne Begründung), welche der folgenden skizzierten geometrischen Objekte im ${}\mathbb {R} ^{2}$ als Lösungsmenge eines linearen (inhomogenen) Gleichungssystems auftreten können (man denke sich die Objekte ins Unendliche fortgesetzt).

Lösung

2 (Gerade) und 5 (Punkt) können als Lösungsmenge eines Gleichungssystems auftreten, die anderen nicht.

Aufgabe (5 (1+1+1+1+1) Punkte)

Es sei ${}{\mathfrak {v}}=v_{1},v_{2},v_{3}$ eine Basis eines dreidimensionalen ${}K$ - Vektorraumes ${}V$ .

a) Zeige, dass ${}{\mathfrak {w}}=v_{1},v_{1}+v_{2},v_{2}+v_{3}$ ebenfalls eine Basis von ${}V$ ist.

b) Bestimme die Übergangsmatrix ${}M_{\mathfrak {v}}^{\mathfrak {w}}$ .

c) Bestimme die Übergangsmatrix ${}M_{\mathfrak {w}}^{\mathfrak {v}}$ .

d) Berechne die Koordinaten bezüglich der Basis ${}{\mathfrak {v}}$ für denjenigen Vektor, der bezüglich der Basis ${}{\mathfrak {w}}$ die Koordinaten ${}{\begin{pmatrix}4\\8\\-9\end{pmatrix}}$ besitzt.

e) Berechne die Koordinaten bezüglich der Basis ${}{\mathfrak {w}}$ für denjenigen Vektor, der bezüglich der Basis ${}{\mathfrak {v}}$ die Koordinaten ${}{\begin{pmatrix}3\\-7\\5\end{pmatrix}}$ besitzt.

Lösung

a) Es ist

{}v_{2}=w_{2}-w_{1}\,

und

{}v_{3}=w_{3}-w_{2}+w_{1}\,.

Daher ist ${}w_{1},w_{2},w_{3}$ ebenfalls ein Erzeugendensystem von ${}V$ und somit eine Basis, da die Dimension ${}3$ ist.

b) In den Spalten von ${}M_{\mathfrak {v}}^{\mathfrak {w}}$ müssen die Koordinaten der Vektoren ${}w_{j}$ bezüglich der Basis ${}v_{i}$ stehen, also ist

{}M_{\mathfrak {v}}^{\mathfrak {w}}={\begin{pmatrix}1&1&0\\0&1&1\\0&0&1\end{pmatrix}}\,.

c) Nach a) ist

{}M_{\mathfrak {w}}^{\mathfrak {v}}={\begin{pmatrix}1&-1&1\\0&1&-1\\0&0&1\end{pmatrix}}\,.

d) Die Koordinaten ergeben sich aus

{}M_{\mathfrak {v}}^{\mathfrak {w}}{\begin{pmatrix}4\\8\\-9\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&1&0\\0&1&1\\0&0&1\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}4\\8\\-9\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}12\\-1\\-9\end{pmatrix}}\,.

e) Die Koordinaten ergeben sich aus

{}M_{\mathfrak {w}}^{\mathfrak {v}}{\begin{pmatrix}3\\-7\\5\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}1&-1&1\\0&1&-1\\0&0&1\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}3\\-7\\5\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}15\\-12\\5\end{pmatrix}}\,.

Aufgabe (1 Punkt)

Bestimme den Rang der Matrix

{\begin{pmatrix}1&x&x^{2}\\x&x^{2}&x^{3}\\x^{2}&x^{3}&x^{4}\end{pmatrix}}

zu ${}x\in K$ .

Lösung

Die zweite Zeile ergibt sich aus der ersten Zeile durch Multiplikation mit ${}x$ , die dritte Zeile ergibt sich aus der ersten Zeile durch Multiplikation mit ${}x^{2}$ . Somit ist der Rang maximal ${}1$ . Wegen der ${}1$ links oben ist der Rang genau ${}1$ .

Aufgabe (3 Punkte)

Bestimme die inverse Matrix zu

{\begin{pmatrix}1&12&0\\3&0&1\\0&0&2\end{pmatrix}}.

Lösung


${}{\begin{pmatrix}1&12&0\\3&0&1\\0&0&2\end{pmatrix}}$	${}{\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}}$
${}{\begin{pmatrix}1&12&0\\0&-36&1\\0&0&1\end{pmatrix}}$	${}{\begin{pmatrix}1&0&0\\-3&1&0\\0&0&{\frac {1}{2}}\end{pmatrix}}$
${}{\begin{pmatrix}1&12&0\\0&-36&0\\0&0&1\end{pmatrix}}$	${}{\begin{pmatrix}1&0&0\\-3&1&-{\frac {1}{2}}\\0&0&{\frac {1}{2}}\end{pmatrix}}$
${}{\begin{pmatrix}1&12&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}}$	${}{\begin{pmatrix}1&0&0\\{\frac {1}{12}}&-{\frac {1}{36}}&{\frac {1}{72}}\\0&0&{\frac {1}{2}}\end{pmatrix}}$
${}{\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}}$	${}{\begin{pmatrix}0&{\frac {1}{3}}&-{\frac {1}{6}}\\{\frac {1}{12}}&-{\frac {1}{36}}&{\frac {1}{72}}\\0&0&{\frac {1}{2}}\end{pmatrix}}$

Aufgabe (5 (4+1) Punkte)

Es seien ${}M,N$ quadratische Matrizen über einem Körper ${}K$ , die zueinander in der Beziehung

{}N=BMB^{-1}\,

mit einer invertierbaren Matrix ${}B$ stehen. Zeige, dass die Eigenwerte von ${}M$ mit den Eigenwerten zu ${}N$ übereinstimmen, und zwar

direkt,
mit Hilfe des charakteristischen Polynoms.

Lösung

Es sei ${}\lambda$ ein Eigenwert zu ${}M$ . Dann gibt es ein von ${}0$ verschiedenes Koordinatentupel ${}{\begin{pmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{pmatrix}}$ mit
${}M{\begin{pmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{pmatrix}}=\lambda {\begin{pmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{pmatrix}}\,.$

Es sei

${}{\begin{pmatrix}x'_{1}\\\vdots \\x'_{n}\end{pmatrix}}=B{\begin{pmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{pmatrix}}\,,$

was ebenfalls nicht ${}0$ ist. Dann ist

${}{\begin{aligned}N{\begin{pmatrix}x'_{1}\\\vdots \\x'_{n}\end{pmatrix}}&=(BMB^{-1}){\begin{pmatrix}x'_{1}\\\vdots \\x'_{n}\end{pmatrix}}\\&=(BMB^{-1})B{\begin{pmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{pmatrix}}\\&=BM{\begin{pmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{pmatrix}}\\&=B\lambda {\begin{pmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{pmatrix}}\\&=\lambda B{\begin{pmatrix}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{pmatrix}}\\&=\lambda {\begin{pmatrix}x'_{1}\\\vdots \\x'_{n}\end{pmatrix}},\end{aligned}}$

d.h. ${}\lambda$ ist auch ein Eigenwert von ${}N$ . Wegen

${}M=B^{-1}NB\,$

ist die Situation symmetrisch, daher sind Eigenwerte von ${}N$ auch Eigenwerte von ${}M$ .
Aufgrund des Determinantenmultiplikationssatzes besitzen ${}M$ und ${}N$ das gleiche charakteristische Polynom. Da die Eigenwerte genau die Nullstellen des charakteristischen Polynoms sind, stimmen die Eigenwerte überein.