Lineare Algebra

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Hauptverfasser: Staszewski, Reiner (VerfasserIn), Strambach, Karl 1939- (VerfasserIn), Völklein, Helmut 1957- (VerfasserIn)
Format: Buch
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Veröffentlicht: München Oldenbourg 2009
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adam_text Inhaltsverzeichnis Vorwort V I Lineare Gleichungssysteme und Matrizen 1 1 Der Begriff des Körpers 3 1.1 Mengen .................................................................... 3 1.2 Körperaxiome .............................................................. 3 1.3 Grandlegende Eigenschaften von Körpern ................................... 5 1.4 Teilkörper.................................................................. 7 1.5 Aufgaben................................................................... 8 1.5.1 Grundlegende Aufgaben..................................................... 8 1.5.2 Weitergehende Aufgaben.................................................... 8 1.5.3 Maple ...................................................................... 8 2 Lineare Gleichungssysteme und Matrizen 9 2.1 Lineare Gleichungssysteme.................................................. 9 2.2 Matrizen, Transponierte, Zeilen- und Spaltenvektoren........................ 10 2.3 Lösungen und Äquivalenz von Gleichungssystemen.......................... 11 2.4 Aufgaben................................................................... 12 3 Der Gauß-Algorithmus zur Lösung linearer Gleichungssysteme 13 3.1 Matrizen in Treppenform.................................................... 13 3.2 Lösungen eines Gleichungssystems in reduzierter Treppenform............... 15 3.3 Elementare Zeilenumformungen............................................. 16 3.4 Transformation auf reduzierte Treppenform.................................. 17 3.5 Die Struktur des Lösungsraums.............................................. 18 3.5.1 Reduktion auf homogene Gleichungssysteme................................. 19 3.5.2 Homogene Gleichungssysteme .............................................. 19 3.6 Eindeutig lösbare Gleichungssysteme und invertierbare Matrizen ............. 21 3.7 Aufgaben................................................................... 23 3.7.1 Grundlegende Aufgaben..................................................... 23 3.7.2 Weitergehende Aufgaben.................................................... 24 3.7.3 Maple ...................................................................... 24 4 Multiplikation von Matrizen 25 4.1 Multiplikation einer Matrix mit einem Spaltenvektor......................... 25 4.2 Iterierte Multiplikationen und lineare Substitutionen.......................... 26 4.3 Allgemeine Definition der Matrizenmultiplikation............................ 27 4.4 Die Inverse einer Matrix .................................................... 28 4.5 Geometrische Interpretation................................................. 30 4.6 Aufgaben................................................................... 33 4.6.1 Grundlegende Aufgaben..................................................... 33 4.6.2 Weitergehende Aufgaben.................................................... 33 4.6.3 Maple ...................................................................... 34 II Vektorräume und lineare Abbildungen 35 5 Gruppen, Ringe und Vektorräume 37 5.1 Gruppen.................................................................... 37 5.2 Ringe....................................................................... 38 5.3 Vektorräume................................................................ 40 5.4 Aufgaben................................................................... 43 5.4.1 Grundlegende Aufgaben..................................................... 43 5.4.2 Weitergehende Aufgaben.................................................... 44 6 Lineare Unabhängigkeit, Basis und Dimension 45 6.1 Lineare Unabhängigkeit und Basen für allgemeine Vektorräume .............. 45 6.2 Endlich-dimensionale Vektorräume.......................................... 47 6.3 Aufgaben................................................................... 50 6.3.1 Grundlegende Aufgaben..................................................... 50 6.3.2 Weitergehende Aufgaben.................................................... 51 7 Unterräume von endlich-dimensionalen Vektorräumen 53 7.1 Summe und Durchschnitt von Unterräumen.................................. 53 7.2 Geometrische Interpretation................................................. 57 7.2.1 Geometrische Interpretation der Unterräume für К = R...................... 57 7.2.2 Veranschaulichung der Dimensionsformel.................................... 57 7.2.3 Höherdimensionale Räume.................................................. 57 7.3 Anwendungen in der Kodierungstheorie (im Fall | К < oo) .................. 58 7.3.1 Codes, Fehlererkennung und Hamming-Abstand ............................. 58 7.3.2 Lineare Codes.............................................................. 59 7.4 Aufgaben................................................................... 61 7.4.1 Grandlegende Aufgaben..................................................... 61 7.4.2 Weitergehende Aufgaben.................................................... 61 7.4.3 Maple ...................................................................... 62 8 Lineare Abbildungen 63 8.1 Abbildungen................................................................ 63 8.2 Strukturerhaltende Abbildungen............................................. 65 8.3 Grandlegende Eigenschaften linearer Abbildungen........................... 68 8.4 Beschreibung von linearen Abbildungen durch Matrizen...................... 70 8.5 Der Rang einer Matrix...................................................... 74 8.6 Aufgaben................................................................... 76 8.6.1 Grandlegende Aufgaben..................................................... 76 8.6.2 Weitergehende Aufgaben.................................................... 78 8.6.3 Maple ...................................................................... 79 III Determinanten und Eigenwerte 81 9 Determinanten 83 9.1 Vorbemerkungen über Invertierbarkeit von Matrizen ......................... 83 9.2 Determinantenformen....................................................... 84 9.3 Das Signum einer Permutation............................................... 86 9.4 Allgemeine Definition der Determinante..................................... 88 9.4.1 Existenz und Eindeutigkeit der Determinantenform........................... 88 9.4.2 Grundlegende Eigenschaften der Determinante............................... 90 9.4.3 Die Determinante eines Endomorphismus.................................... 92 9.5 Entwicklung nach einer Zeile oder Spalte.................................... 92 9.5.1 Die Adjungierte einer quadratischen Matrix.................................. 93 9.5.2 Laplace-Entwicklung und Cramer sche Regel................................ 94 9.6 Eine Anwendung: Die Vandermonde sche Determinante und Polynominterpolation.............. 96 9.6.1 Beweis der Formel für die Vandermonde sche Determinante.................. 96 9.6.2 Anwendung auf Polynominterpolation....................................... 97 9.7 Eine Anwendung auf nicht-lineare algebraische Gleichungssysteme........... 98 9.8 Aufgaben...................................................................¡00 9.8.1 Grundlegende Aufgaben.....................................................1°O 9.8.2 Weitergehende Aufgaben....................................................102 9.8.3 Maple ......................................................................102 10 Eigenwerte und Eigenvektoren 103 10.1 Vorbemerkungen und einführende Beispiele..................................103 10.1.1 Potenzrechnung und Polynomauswertung im Matrixring Mn(K)..............103 10.1.2 Die Gleichung x2 = 1 im Matrixring Mn{K) ................................104 10.1.3 Ausblick auf die Anwendung auf lineare Differentialgleichungen..............106 10.2 Eigenräume, Eigenvektoren, Eigenwerte und charakteristisches Polynom......107 10.2.1 Eigenräume und Diagonalisierbarkeit........................................108 10.2.2 Das charakteristische Polynom ..............................................109 10.2.3 Berechnung von Eigenwerten und Eigenräumen, explizite Diagonalisierang . ..112 10.3 Aufgaben...................................................................113 10.3.1 Grandlegende Aufgaben.....................................................113 10.3.2 Weitergehende Aufgaben....................................................114 10.3.3 Maple ......................................................................114 11 Die Jordan sche Normalform einer quadratischen Matrix 117 11.1 Multiplikation von Blockmatrizen...........................................117 11.2 Nilpotente Matrizen — die Gleichung xk — 0 im Matrixring Mn (K)...........118 11.3 Verallgemeinerte Eigenräume und Triangulierbarkeit.........................121 11.4 Die Jordan sche Normalform................................................125 11.4.1 Ein Beispiel zur Berechnung der Jordan sehen Normalform...................126 11.5 Anwendung auf lineare Differentialgleichungen..............................129 11.5.1 Systeme linearer Differentialgleichungen erster Ordnung......................129 11.5.2 Die lineare Differentialgleichung и -ter Ordnung..............................130 11.6 Aufgaben...................................................................131 11.6.1 Grandlegende Aufgaben.....................................................131 11.6.2 Weitergehende Aufgaben....................................................132 11.6.3 Maple ......................................................................132 IV Skalarprodukte und Bilinearformen 133 12 Skalarprodukte und orthogonale Matrizen 135 12.1 Vorbemerkungen über Längen- und Winkelmessung im Anschauungsraum.......................................................135 12.1.1 Die Länge eines Vektors ....................................................135 12.1.2 Von der Länge zur Orthogonalprojektion.....................................135 12.1.3 Eigenschaften des Skalarprodukts in V3(K) ..................................137 12.2 Skalarprodukt, ON-Systeme und das Orthonormalisierungsverfahren von Gram-Schmidt ..............................................................137 12.3 Orthogonale Matrizen.......................................................140 12.3.1 Definition und wichtigste Eigenschaften orthogonaler Matrizen...............140 12.3.2 Orthogonale Matrizen in Dimension 2 .......................................142 12.3.3 Orthogonale Matrizen in Dimension 3 .......................................142 12.3.4 Eine Matrix-Faktorisierung..................................................143 12.4 Beste Näherungslösung eines Gleichungssystems — die Methode der kleinsten Quadrate ...................................................................143 12.4.1 Die Orthogonalprojektion auf einen Unterraum...............................144 12.4.2 Die Methode der kleinsten Quadrate.........................................144 12.4.3 Effektive Berechnung von xo durch das Gram-Schmidt-Verfahren.............145 12.4.4 Die Anwendung auf Polynominterpolation...................................145 12.5 Aufgaben...................................................................145 12.5.1 Grundlegende Aufgaben.....................................................145 12.5.2 Weitergehende Aufgaben....................................................147 12.5.3 Maple ......................................................................147 13 Bilinearformen 149 13.1 Beschreibung einer Bilinearform durch eine Matrix...........................149 13.2 Symmetrische Bilinearformen und symmetrische Matrizen....................151 13.2.1 Orthogonales Komplement und Orthogonalbasis .............................151 13.2.2 Symmetrische Bilinearformen und symmetrische Matrizen über den reellen Zahlen......................................................................154 13.3 Aufgaben...................................................................157 13.3.1 Grundlegende Aufgaben.....................................................157 13.3.2 Weitergehende Aufgaben....................................................158 V Affine und projektive Geometrie 159 14 Affine Räume 161 14.1 Die Beziehung zwischen affinen Räumen und Vektorräumen .................161 14.2 Unterräume eines affinen Raums.............................................164 14.2.1 Der Lösungsraum eines Gleichungssystems ist ein affiner Unterraum..........165 14.2.2 Der von einer Teilmenge aufgespannte Unterraum............................165 14.3 Die Automorphismengruppe eines affinen Raums.............................166 14.4 Affine Quadriken und Kegelschnitte .........................................168 14.5 Affine Räume mit Skalarprodukt und die euklidische Bewegungsgruppe.......171 14.6 Aufgaben...................................................................172 15 Projektive Räume 173 15.1 Die projektive Ebene über К................................................ 173 15.2 Der projektive Raum P(m, K) und seine Projektivitäten......................175 15.3 Quadriken in P(m, K)......................................................176 15.3.1 Quadratische Formen .......................................................176 15.3.2 Quadriken..................................................................178 15.3.3 Normalform von Quadriken über R ..........................................180 15.4 Aufgaben...................................................................182 15.4.1 Grundlegende Aufgaben.....................................................182 15.4.2 Weitergehende Aufgaben....................................................183 A Die endlichen Primkörper 185 A. 1 Lösbarkeit von Gleichungen und das Schubfachprinzip.......................185 A.2 Die endlichen Primkörper...................................................185 A.3 Der Körper ¥p der Restklassen modulo p ....................................187 В Endliche projektive Ebenen und ihre Inzidenzmatrizen 191 B. 1 Abstrakte projektive Ebenen.................................................191 B.2 Ordnung und Inzidenzmatrix einer endlichen projektíven Ebene...............192 B.3 Eine projektive Ebene der Ordnung 9, welche nicht von der Form P (2, К) ist. 194 B.3.1 Verifizierung der Axiome (PEÍ) und (PE2)..................................195 B.3.2 Vollständige Vierecke in Π ..................................................198 С Beispielrechnungen zu den behandelten Algorithmen 201 C.l Lösungen eines Gleichungssystems in reduzierter Treppenform...............201 C.2 Transformation einer Matrix auf reduzierte Treppenform .....................202 C.3 Berechnung der inversen Matrix.............................................204 C.4 Berechnung der Determinante einer Matrix...................................205 C.5 Polynominterpolation.......................................................207 C.6 Cramer sche Regel..........................................................209 C.7 Berechnung der Eigenwerte einer Matrix.....................................210 C.8 Berechnung der Eigenräume einer Matrix....................................212 C.9 Diagonalisierung einer Matrix...............................................215 CIO Berechnung der Jordan schen Normalform einer Matrix ......................216 C.l 1 Systeme linearer Differentialgleichungen.....................................217 С 12 Das Orthonormalisierungsverfahren von Gram-Schmidt ......................218 Inhaltsverzeichnis__________________________________________________________ XV С. 13 Berechnung einer Matrix-Faktorisierung.....................................220 С 14 Beste Näherungslösung eines Gleichungssystems.............................224 C. 15 Quadratische Gleichungen in mehreren Variablen ............................226 С 16 Diagonalisierang symmetrischer Matrizen mittels orthogonaler Matrizen......227 Index 229
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