MAT Onsdag 7. april Lineær uavhengighet (forts. 1.8 Underrom av R n, nullrom, basis MAT Våren UiO. 7.

Like dokumenter
4.1 Vektorrom og underrom

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

Lineær uavhengighet og basis

4.4 Koordinatsystemer

4.1 Vektorrom og underrom

4.1 Vektorrom og underrom

Mer om lineære likningssystemer, vektorer og matriser

MAT1120 Repetisjon Kap. 1

4.1 Vektorrom og underrom

Mer lineær algebra. Inger Christin Borge. Matematisk institutt, UiO. Kompendium i MAT1012 Matematikk 2. Våren 2014

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

(3/2)R 2+R 3 R 1 +R 2,( 2)R 1 +R 3 ( 2)R 1 +R 4 6/5R 3 +R 4 1/5R 3

Emne 7. Vektorrom (Del 1)

Lineære likningssystemer og matriser

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

10 Radrommet, kolonnerommet og nullrommet

Rang og Vektorrom. Magnus B. Botnan NTNU. 4. august, 2015

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

Lineærtransformasjoner

MAT1120 Repetisjon Kap. 1, 2 og 3

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

Til enhver m n matrise A kan vi knytte et tall, rangen til A, som gir viktig informasjon.

Vektorrom. Kapittel 7. Hva kan vi gjøre med vektorer?

GENERELLE VEKTORROM. Hittil har vi bare snakket om vektorrom av type

MAT 1110: Bruk av redusert trappeform

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

MA1201/MA6201 Høsten 2016

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

MA1201, , Kandidatnummer:... Side 1 av 5. x =.

4.4 Koordinatsystemer

TMA4110 Eksamen høsten 2018 EKSEMPEL 1 Løsning Side 1 av 8. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer: x 1 7x 4 = 0

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

(a) R n defineres som mengden av kolonnevektorer. a 1 a 2. a n. (b) R n defineres som mengden av radvektorer

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

MAT1120 Oppgaver til plenumsregningen torsdag 18/9

x 1 x 2 x = x n b 1 b 2 b = b m Det kan være vanskelig (beregningsmessig) og bearbeide utrykk som inneholder

Kapittel 3. Mer om egenverdier og egenvektorer. 3.1 Komplekse n-tupler og vektorer

Løsningsforslag øving 7

Notat2 - MAT Om matriserepresentasjoner av lineære avbildninger

Mer om kvadratiske matriser

UNIVERSITETET I OSLO

TMA4110 Matematikk 3 Eksamen høsten 2018 Løsning Side 1 av 9. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer:

UNIVERSITET I BERGEN

Eksamensoppgave i MA1201 Lineær algebra og geometri

6.8 Anvendelser av indreprodukter

Mer om kvadratiske matriser

Egenverdier og egenvektorer

Lineær algebra-oppsummering

Vær OBS på at svarene på mange av oppgavene kan skrives på flere ulike måter!

Basis, koordinatsystem og dimensjon

OBLIG 2 - MAT 1120 Høsten 2005

Løsningsforslag øving 6

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

Lineære likningssystemer

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser høsten 2009.

Repetisjon: Om avsn og kap. 3 i Lay

Til enhver m n matrise A kan vi knytte et tall, rangen til A, som gir viktig informasjon.

Gauss-Jordan eliminasjon; redusert echelonform. Forelesning, TMA4110 Fredag 18/9. Reduserte echelonmatriser. Reduserte echelonmatriser (forts.

UNIVERSITETET I OSLO

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

12 Projeksjon TMA4110 høsten 2018

= 3 11 = = 6 4 = 1.

Generelle teoremer og denisjoner MA1201 Lineær Algebra og Geometri - NTNU Lærebok: Anton, H. & Rorres, C.: Elementary Linear Algebra, 11.

4 Matriser TMA4110 høsten 2018

MAT3000/ Våren 2013 Obligatorisk oppgavesett nr. 2 Løsningsskisse

6.4 Gram-Schmidt prosessen

100 ENKLERE OPPGAVER MED HINT OG LØSNINGSFORSLAG I LINEÆR ALGEBRA (OG NOEN I DISKRET MATEMATIKK)

Diagonalisering. Kapittel 10

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MA1202/MA6202 VÅR 2010

12 Lineære transformasjoner

5.5 Komplekse egenverdier

EKSAMEN I MA1202 LINEÆR ALGEBRA MED ANVENDELSER

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag Side 1 av 7 L SNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I SIF5009 MATEMATIKK 3 Bokmål Man

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

Vektorligninger. Kapittel 3. Vektorregning

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

Rom og lineæritet. Erik Bédos. Matematisk Institutt, UiO 2012.

EKSAME SOPPGAVE MAT-1004 (BOKMÅL)

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

7 Egenverdier og egenvektorer TMA4110 høsten 2018

Lineær algebra. H. Fausk i=1 a ix i. Her har vi oppgitt hva ledd nummer i skal være og hvilke indekser i vi summerer over.

Tiden går og alt forandres, selv om vi stopper klokka. Stoffet i dette kapittelet vil være en utømmelig kilde med tanke på eksamensoppgaver.

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

Kap. 5 Egenverdier og egenvektorer

15 Hovedprinsippet for vektorrom med et indre produkt

Repetisjon: om avsn og kap. 3 i Lay

Lineære ligningssystemer. Forelesning, TMA4110 Torsdag 17/9. Lineære ligningssystemer (forts.) Eksempler

Eksamensoppgave i TMA4115 Matematikk 3

6 Determinanter TMA4110 høsten 2018

Universitetet i Agder Fakultetet for teknologi og realfag Institutt for matematiske fag. Eksamen MA desember Lykke til!

6.5 Minste kvadraters problemer

MA1202/MA S løsningsskisse

6.4 (og 6.7) Gram-Schmidt prosessen

Lineær algebra. H. Fausk i=1 a ix i. Her har vi oppgitt hva ledd nummer i skal være og hvilke indekser i vi summerer over.

LP. Leksjon 8: Kapittel 13: Nettverk strøm problemer, forts.1

Lineær Algebra og Vektorrom. Eivind Eriksen. Høgskolen i Oslo, Avdeling for Ingeniørutdanning

Transkript:

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom MAT 2 Våren 2 UiO 7. april 2 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Minner om:.7 Lineær (fortsettelse) Definisjon. To vektorer u og v i R n kalles lineært avhengige dersom den ene vektoren er et multiplum av den andre, altså dersom u Span{v} eller v Span{u}. Tre (eller flere) vektorer i R n kalles lineært avhengige dersom (minst) en av vektorene kan uttrykkes som en lineær kombinasjon av de andre vektorene. 2 / 23

MAT 2 Dette kan generelt uttrykkes slik: april 2.7 Lineær.8 Underrom Definisjon. En mengde {v, v 2,..., v p } av p forskjellige vektorer i R n kalles lineært avhengig hvis det fins skalarer k, k 2..., k p, som ikke alle er lik, slik at k v + k 2 v 2 + + k p v p =. () Vektorlikningen () kalles en lineær avhengighetsrelasjon mellom vektorene v, v 2,..., v p. Dersom mengden ikke er lineært avhengig kalles den lineært uavhengig. Dette inntreffer når vektorlikningen x v + x 2 v 2 + + x p v p = (2) kun har den trivielle løsningen x = x 2 = = x p =. Hvis mengden {v, v 2,..., v p } er lineært uavhengig sier vi at vektorene er lineært uavhengige. 3 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Eksempel. Vi har tidligere sett at vektorene lineært avhengige: [ 2 ] [, ] og [ ] er En lineær avhengighetsrelasjon mellom disse vektorene er [ ] [ ] [ ] 2 2 =. Dette betyr at vektorlikningen [ ] [ 2 x + x 2 ] + x 3 [ ] = (3) har andre løsninger enn den trivielle løsningen, nemlig (x, x 2, x 3 ) = (, 2, ).. 4 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Avhengig eller uavhengig? Betrakt S = {v, v 2,..., v p } i R n. For å undersøke om S er lineært avhengig eller ikke danner vi n p matrisen A = [v v 2 v p ]. Siden x v + x 2 v 2 + + x p v p = kan skrives som A x =, ser vi at S er lineært avhengig dersom A x = har en ikke triviell løsning. S er lineært uavhengig dersom A x = kun har den trivielle løsningen x =. 5 / 23

MAT 2 Tilsvarende ser vi at: april 2.7 Lineær.8 Underrom Teorem.28. Kolonnevektorene i en matrise A er lineært uavhengige hvis og bare hvis likningen Ax = kun har den trivielle løsningen. Eksempel. Er v = (2,, ), v 2 = (2,, ) og v 3 = (4,, 2) lineært uavhengige? VI setter A = [v v 2 v 3 ] = Radredusering av [A ] gir 2 2 4 2., og vi ser at A x = kun har den trivielle løsningen. Dermed er vektorene v, v 2 og v 3 lineært uavhengige. 6 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Bemerkning. Hvis vi har flere vektorer i R n enn n, vil disse vektorene alltid være lineært avhengige. Dette har vi sett eksempler på når n = 2 eller n = 3. Generelt kan vi argumentere slik: Betrakt v, v 2,..., v p i R n der p > n. Sett A = [v v 2 v p ]. Systemet A x = har da nødvendigvis ikke trivielle løsninger. For ellers måtte radreduksjon av matrisen [A ] gi en matrise med ledende -ere i alle de p første kolonnene. Men det kan høyst være en ledende -er i hver rad til A, altså høyst n tilsammen. Dette er ikke mulig når p > n. Dette betyr at v, v 2,..., v p må være lineært avhengige. 7 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Det største antall lineært uavhengige vektorer i R n er altså n. Det at n vektorer v, v 2,..., v n i R n er lineært uavhengige svarer til at matrisen A = [v v 2 v n ] kan radreduseres til identitetsmatrisen I n =.......... Spesielt gir dette at kolonnevektorene til I n er lineært uavhengige. Vi skriver I n = [e e 2 e n ] der, e 2 =,..., e n = e =.... (4) 8 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Eksempel. Vektorene e, e 2, e 3, e 4 R 4 er altså lineært uavhengige. Videre har vi også at Span{e, e 2, e 3, e 4 } = R 4 : Vi har jo at a b c = a d + b + c + d. Vi vil derfor si at {e, e 2, e 3, e 4 } er en basis for R 4. Selve begrepet basis skal vi nå studere nærmere. 9 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom.8 Underrom nullrom, og begrepet basis Et underrom av R n er et rom som ligger i det større rommet R n og som oppfører seg pent med hensyn på regnereglene, dvs. det har også en lineær struktur. Mer presist: Definisjon. Et underrom av R n er en delmengde U av R n som oppfyller følgende tre egenskaper: i) Vi har U (nullvektoren er med i U). ii) Hvis u og v er i U, så er u + v i U (vi sier at U er lukket under addisjon ). iii) Hvis u er i U og k er en skalar, er ku i U (vi sier at U er lukket under skalar multiplikasjon ). / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Geometriskt er det lett å sjekke at linjer og plan som går gjennom origo er underrom. Generelt har vi: Teorem.34. La v, v 2,..., v p være vektorer i R n. Da er Span{v, v 2,..., v p } et underrom av R n. Bevis: Vi sjekker at U = Span{v, v 2,..., v p } oppfyller f.eks. punkt ii) i definisjonen: La u, v U. Vi kan da skrive u = s v + s 2 v 2 + + s p v p og og får at v = t v + t 2 v 2 + + t p v p, u + v = (s + t )v + (s 2 + t 2 )v 2 + + (s p + t p )v p, så u + v U. / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Eksempel. En linje L i R 2 gitt ved likningen y = ax er et underrom av R 2 : Vi har nemlig at L = {(t, at) t R} = {t (, a) t R} = Span{(, a)}, så dette følger av Teorem.34. En linje med likning y = ax + b der b er ikke et underrom av R 2 : nullvektoren er jo ikke med på linja. Obs : R n har to "opplagte"underrom : Rommet R n er et underrom av seg selv. Mengden {} = Span{} er også et underrom av R n. Dette kalles det trivielle underrommet. 2 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom En annen måte å lage underrom av R n er å se på løsningsrommet til homogene lineære likningssystemer. Definisjon. Nullrommet til en m n matrise A er løsningsmengden til det homogene likningssystemet A x =. Vi skriver Nul A for denne mengden, dvs. Nul A = {x R n : A x = }. Eksempel. Vi vil finne nullrommet til matrisen A gitt ved [ ] A =. 3 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Likningssystemet A x = har utvidet matrise [ ]. Den reduserte trappeformen blir: [ Løsningsmengden til systemet A x = er derfor gitt ved vektorene på formen s der s R. Det betyr at Nul A = {s : s R} = Span{(,, )}, som viser at Nul A er et underrom av R 3 (ved Teorem.34). ]. 4 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Generelt har vi: Teorem.4. La A være en m n matrise. Da er Nul A et underrom av R n. Bevis: i) Siden A =, har vi at Nul A. ii)-iii) La u, v Nul A. Da er A u = og A v =, så dvs u + v Nul A. A (u + v) = A u + A v = + =, Videre er A (k u) = k(a u) = k =, så k u Nul A for enhver skalar k. 5 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Den beste"måten å angi et underrom på er ved hjelp av en basis: Definisjon. La U være et underrom av R n. En mengde B = {v, v 2,..., v p } av vektorer i U kalles en basis for U dersom følgende to egenskaper holder: i) Mengden B er lineært uavhengig; ii) B utspenner U, dvs Span{v, v 2,..., v p } = U. Eksempel. Vi har tidligere sett at kolonnene til I n, nemlig e, e 2,..., e n, er lineært uavhengige. Disse utspenner også R n. Dermed danner disse en basis for R n. Mengden E = {e, e 2,..., e n } kalles standardbasisen til R n. Elementene i standardbasisen til R 2 kalles ofte for i og j; i R 3 kalles de ofte for i, j og k. 6 / 23

MAT 2 Når U = R n har vi: april 2.7 Lineær.8 Underrom Teorem.43. La B = {v, v 2,..., v n } være en lineært uavhengig mengde av n vektorer i R n. Da er B en basis for R n. Dette betyr at vi da slipper å sjekke at B utspenner R n. La oss se hvorfor B = {v, v 2,..., v n } da utspenner R n : La b R n og sett A = [v v 2 v n ]. Siden kolonnene til A er lineært uavhengige vet vi at A kan radreduseres til I n. Dermed vil systemet A x = b alltid ha nøyaktig en løsning. Dette betyr at det finnes entydige bestemte skalarer x, x 2,..., x n slik at x v + x 2 v 2 + + x n v n = b. Dette viser at b Span{v, v 2,, v n }. 7 / 23

MAT 2 Dette viser samtidig at: april 2.7 Lineær.8 Underrom Når {v, v 2,..., v n } er en basis for R n, kan enhver vektor i R n skrives som en lineær kombinasjon av v, v 2,..., v n på en entydig måte. [ ] [ ] Eksempel. Vektorene og er opplagt lineært 2 3 uavhengige, så de danner en basis for R 2. [ ] b Enhver R 2 kan derfor skrives på en entydig måte som b 2 en lineær kombinasjon av disse vektorene; vi finner at : [ ] [ ] [ ] b = 3b +b 2 5 + 2b +b 2 2 5. 3 b 2 8 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Eksempel. Linja L i R 2 gitt ved likningen y = 5x er et underrom av R 2. [ ] Den er utspent av (, 5), så en basis for L er { }. 5 Eksempel. Likningen x + y z = gir et plan U som er et underrom av R 3. La (x, y, z) U. Ved å innføre parametere y = s og z = t får vi at x = s + t. Det gir Altså er = { s U = {(x, y, z) = ( s + t, s, t) : s, t R}. U = { +t s + t s t } : s, t R } : s, t R = Span{, }. 9 / 23

MAT 2 Merk at det følger at april 2.7 Lineær.8 Underrom u = og v = danner en basis for planet U: i) Vi har nettopp sett at Span{u, v} = U. ii) u og v er lineært uavhengige, siden disse vektorene opplagt ikke er parallelle. Samme fremgangsmåte kan alltid brukes til å finne en basis for et plan i R 3 angitt ved en likning av typen ax + by + cz =. 2 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Eksempel. Skal finne en basis for Nul A der A = 2 6. 2 2 8 Den utvidede matrisen til Ax = radreduseres til 4 5. Det gir = { Nul A = { s s 4t s 5t s t + t 4 5 } : s, t, R : s, t R }. 2 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Vi ser at Nul A utspennes av u = og v = 4 5, og disse er lineært uavhengige (siden de ikke er multiple av hverandre). Dermed er {u, v} en basis for Nul A. Denne fremgangsmåten kan alltid brukes til å finne en basis for nullrommet til en matrise. Vektorene man kommer da frem til vil automatisk være lineært uavhengige. 22 / 23

MAT 2 april 2.7 Lineær.8 Underrom Vi tar også med følgende begrep: Definisjon. La U være et underrom U {}. Antall elementer i en basis for U kalles dimensjonen til U, og skrives dim(u). Dersom U = {} setter vi dim(u) =. Eksempel. dim R n = n. Dersom L = Span{v} der v, så L er en linje, er dim L = (siden {v} er en basis for L). Dersom U = Span{u, v} der u, v er lineært uavhengige, så U er et plan, er dim U = 2 (siden {u, v} er en basis for U). Dersom U = Nul A, der A er en matrise, så er dim U lik antall frie variable i løsningsmengden til systemet A x =. 23 / 23