# Woche 12 # ## Quiz 11 ## Sei m = 4 und _A_ die folgende m x m Matrix über 𝔽₅: A = 1 2 -2 -1 2 0 -1 1 4 3 3 1 1 -2 2 3 Zur Bestimmung der Invertierbarkeit führen wir das Gaußverfahren auf (A | I) aus: 1 2 -2 -1 | 1 0 0 0 2 0 -1 1 | 0 1 0 0 4 3 3 1 | 0 0 1 0 1 -2 2 3 | 0 0 0 1 Zeile 2 <- Zeile 2 - 2·Zeile 1 Zeile 3 <- Zeile 3 - 4·Zeile 1 Zeile 4 <- Zeile 4 - Zeile 1 1 2 -2 -1 | 1 0 0 0 0 -4 3 3 | -2 1 0 0 0 -5 11 5 | -4 0 1 0 0 -4 4 4 | -1 0 0 1 —> modulo 5 1 2 3 4 | 1 0 0 0 0 1 3 3 | 3 1 0 0 0 0 1 0 | 1 0 1 0 0 1 4 4 | 4 0 0 1 Zeile 4 <- Zeile 4 - Zeile 2 1 2 3 4 | 1 0 0 0 0 1 3 3 | 3 1 0 0 0 0 1 0 | 1 0 1 0 0 0 1 1 | 1 4 0 1 (hier habe ich sofort mod 5 berechnet) Zeile 4 <- Zeile 4 - Zeile 3 1 2 3 4 | 1 0 0 0 0 1 3 3 | 3 1 0 0 0 0 1 0 | 1 0 1 0 0 0 0 1 | 0 4 4 1 ⟹ Rang(A) = 4 = m ⟹ _A_ ist invertierbar Zeile 1 <- Zeile 1 - 2·Zeile 2 1 0 2 3 | 0 3 0 0 0 1 3 3 | 3 1 0 0 0 0 1 0 | 1 0 1 0 0 0 0 1 | 0 4 4 1 Zeile 1 <- Zeile 1 - 2·Zeile 3 Zeile 2 <- Zeile 2 - 3·Zeile 3 1 0 0 3 | 3 3 3 0 0 1 0 3 | 0 1 2 0 0 0 1 0 | 1 0 1 0 0 0 0 1 | 0 4 4 1 Zeile 1 <- Zeile 1 - 3·Zeile 4 Zeile 2 <- Zeile 2 - 3·Zeile 4 1 0 0 0 | 3 1 1 2 0 1 0 0 | 0 4 0 2 0 0 1 0 | 1 0 1 0 0 0 0 1 | 0 4 4 1 ⟹ Das Produkt der Elementarmatrizen, die A auf I (linke Hälfte) reduziert hat, steht nun in der rechten Hälfte: A¯¹ = 3 1 1 2 0 4 0 2 1 0 1 0 0 4 4 1 ## Lineare Ausdehnung ## **Aufgabe 1.** Seien w1 = (1, 1, 0)ᵀ w2 = (1, -1, 2)ᵀ w3 = (0, 3, -1)ᵀ v1 = ( 2, 1)ᵀ v2 = (-1, 1)ᵀ v3 = ( 1, 0)ᵀ Gibt es eine lineare Abbildung, φ : ℝ³ —> ℝ², so dass φ(w1) = v1 φ(w2) = v2 φ(w3) = v3 gilt? Ist dies injektiv/surjektiv/bijektiv? **Antwort.** {w1, w2, w3} eine Basis ~~~> Gaußverfahren auf (w1 w2 w3) und Rang berechnen (soll gleich 3 sein)! ==> ja! (Satz 6.1.13 aus VL) - Nicht injektiv, weil Rang(φ) <= 2, aber 2 ≥ 3 gilt nicht. - Surjektiv: Zz: Rang(φ) ≥ 2. φ = φ_A A = Darstellungsmatrix .... - Bijektiv: nein, weil nicht injektiv. **Aufgabe 2.** Seien w1 = (1, 1, 0)ᵀ w2 = (1, -1, 2)ᵀ v1 = ( 2, 1)ᵀ v2 = (-1, 1)ᵀ Gibt es eine lineare Abbildung, φ : ℝ³ —> ℝ², so dass φ(w1) = v1 φ(w2) = v2 gilt, und so dass φ injektiv ist? surjektiv? bijektiv? **Antwort.** - {w1, w2} sind linear unabhängig (wiederum mit Gaußverfahren und Rang zeigen). - {w1, w2} können zu einer Basis von ℝ³ ergänzt werden: {w1, w2, w3} - Setze v3 ∈ ℝ² beliebig - Satz der linearen Ausdehnung (6.1.13) wieder anwenden: - _es gibt eine_ lineare Abb, φ, die φ(w1) = v1 φ(w2) = v2 φ(w3) = v3 erfüllt. - Bild(φ) = lin{v1,v2,v3} ⊇ lin{v1, v2} = ℝ², weil {v1, v2} eine Basis von ℝ². Also Bild(φ) = ℝ². - Darum ist φ surjektiv. - Es gibt keine injektive (und damit keine bijektive) lin. Abb. φ von ℝ³ nach ℝ², weil Rang(φ) <= 2, und 2 ≥ 3 gilt nicht. **Aufgabe 3a.** Seien w1 = (1, 1, 0)ᵀ w2 = (1, -1, 1)ᵀ w3 = (2, 0, 1)ᵀ v1 = ( 2, 1, 0)ᵀ v2 = (-2, 1, 0)ᵀ v3 = (1, 2, 0)ᵀ Gibt es eine lineare Abbildung, φ : ℝ³ —> ℝ³, so dass φ(w1) = v1 φ(w2) = v2 φ(w3) = v3 gilt, und so dass φ injektiv ist? surjektiv? bijektiv? nicht injektiv? **Antwort.** Beachte, {w1, w2, w3} ist nicht linear unabh. Es gilt - {w1, w2} linear unabh - w3 ∈ lin{w1, w2}, und zwar w3 = w1 + w2 - Aber v3 = v1 + v2. Darum ist die Frage äquivalent zu derselben Frage, nur mit nur den ersten 2 Bedingungen, weil die 3. immer mit erfüllt sein wird, weil falls φ : ℝ³ —> ℝ³ linear und Bed. 1+2 erfüllt, so gilt Bedingung 3, weil φ(w3) = φ(w1 + w2) = φ(w1) + φ(w2) = v1 + v2 = v3. Ansatz: - füge w3' hinzu, damit {w1,w2,w3'} eine Basis von ℝ³ ist. - v3' jetzt so wählen, dass φ injektiv/nicht injektiv ist. - Beachte Korollar 6.1.11 im besonderen Falle dass φ : ℝⁿ —> ℝⁿ mit gleicher Dim für Inputraum und Outputraum!! Lin Abb. injektiv ⟺ surjektiv ⟺ bijektiv (≡ „Isomorphismus“). **Aufgabe 3b.** Seien w1 = (1, 1, 0)ᵀ w2 = (1, -1, 1)ᵀ w3 = (2, 0, 1)ᵀ v1 = ( 2, 1, 0)ᵀ v2 = (-1, 1, 0)ᵀ v3 = (1, 4, 0)ᵀ Gibt es eine lineare Abbildung, φ : ℝ³ —> ℝ³, so dass φ(w1) = v1 φ(w2) = v2 φ(w3) = v3 gilt, und so dass φ injektiv ist? surjektiv? bijektiv? **Antwort.** Beachte, {w1, w2, w3} ist nicht linear unabh. Es gilt - {w1, w2} linear unabh - w3 ∈ lin{w1, w2}, und zwar w3 = w1 + w2 - Aber v3 ≠ v1 + v2. Darum kann es niemals eine lineare Abb geben, die alle 3 Bedingungen erfüllt, weil falls φ : ℝ³ —> ℝ³ linear ist und Bed. 1+2+3 erfüllt, so gilt φ(w3) = φ(w1 + w2) = φ(w1) + φ(w2) = v1 + v2 ≠ v3. D. h. Bedingung 3 wäre verletzt. **TODO** Die o. s. Varianten (die letzteren) ausrechnen und hochladen.