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

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

12 Lineære transformasjoner

MAT-1004 Vårsemester 2017 Obligatorisk øving 2

MAT-1004 Vårsemester 2017 Obligatorisk øving 3

Lineær uavhengighet og basis

4.1 Vektorrom og underrom

4.1 Vektorrom og underrom

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

10 Radrommet, kolonnerommet og nullrommet

15 Hovedprinsippet for vektorrom med et indre produkt

4.1 Vektorrom og underrom

4.1 Vektorrom og underrom

MAT-1004 Vårsemester 2017 Obligatorisk øving 6

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

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

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

4.4 Koordinatsystemer

Løsningsforslag øving 6

Lineærtransformasjoner

MAT1120 Repetisjon Kap. 1

1 Gauss-Jordan metode

13 Oppsummering til Ch. 5.1, 5.2 og 8.5

Basis, koordinatsystem og dimensjon

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

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

EKSAME SOPPGAVE MAT-1004 (BOKMÅL)

Lineær algebra. 0.1 Vektorrom

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

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

MAT1120 Notat 1 Tillegg til avsnitt 4.4

12 Diagonalisering av matriser og operatorer (Ch. 5.1, 5.2 og 8.5)

Kap. 6 Ortogonalitet og minste kvadrater

4.2 Nullrom, kolonnerom og lineære transformasjoner

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

Løsningsforslag øving 7

A 2 = PDP 1 PDP 1 = PD 2 P 1. og ved induksjon får vi. A k = PD k P 1. Kommentarer:

Notat2 - MAT Om matriserepresentasjoner av lineære avbildninger

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

Lineære likningssystemer

16 Ortogonal diagonalisering

5.8 Iterative estimater på egenverdier

En rekke av definisjoner i algebra

4.4 Koordinatsystemer

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

Oppgave 14 til 9. desember: I polynomiringen K[x, y] i de to variable x og y over kroppen K definerer vi undermengdene:

MA1201/MA6201 Høsten 2016

MAT1120 Repetisjon Kap. 1, 2 og 3

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

Egenverdier og egenvektorer

(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

Grublegruppe 19. sept. 2011: Algebra I

MAT 1110: Bruk av redusert trappeform

OPPGAVER FOR FORUM

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

Vektorligninger. Kapittel 3. Vektorregning

Lineære likningssystemer og matriser

UNIVERSITET I BERGEN

Mer om lineære likningssystemer, vektorer og matriser

Eksamensoppgave i MA1201 Lineær algebra og geometri

Emne 7. Vektorrom (Del 1)

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

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

UNIVERSITETET I OSLO

4 Matriser TMA4110 høsten 2018

EKSAMENSOPPGAVE. to A4 ark egne notater og Rottmanns tabeller. Kontaktperson under eksamen: Professor Andrei Prasolov. Telefon:

Lineær algebra-oppsummering

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

Matriser. Kapittel 4. Definisjoner og notasjon

Løsningsforslag til noen oppgaver om Zorns lemma

Diagonalisering. Kapittel 10

7 Egenverdier og egenvektorer TMA4110 høsten 2018

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

Partielle ordninger, Zorns lemma og utvalgsaksiomet

Løsninger for eksamen i MAT Lineær algebra og M102 - Lineær algebra, fredag 28. mai 2004, Oppgave 1. M s = = 1 2 (cofm 2) T.

UNIVERSITETET I OSLO

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

Eksamensoppgave i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser

12 Projeksjon TMA4110 høsten 2018

Mer om mengder: Tillegg til Kapittel 1. 1 Regneregler for Booleske operasjoner

7.4 Singulærverdi dekomposisjonen

MAT1140: Partielle ordninger, Zorns lemma og utvalgsaksiomet

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

Eksamensoppgave MAT juni 2010 (med løsningsforslag)

6.4 Gram-Schmidt prosessen

MAT3000/ Våren 2013 Obligatorisk oppgavesett nr. 2 Løsningsskisse

Generelle teoremer og definisjoner MA1201 Lineær Algebra og Geometri - NTNU

Oppgave 1 (25 %) - Flervalgsoppgaver

Universitet i Bergen. Eksamen i emnet MAT121 - Lineær algebra

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4110/TMA4115 MATEMATIKK 3

MAUMAT644 ALGEBRA vår 2016 Fjerde samling Runar Ile

I dette kapittelet skal vi studerer noen matematiske objekter som kalles matriser. Disse kan blant annet brukes for å løse lineære likningssystemer.

LO510D Lin.Alg. m/graf. anv. Våren 2005

Eksamensoppgave i TMA4110/TMA4115 Calculus 3

Emne 9. Egenverdier og egenvektorer

Mer om kvadratiske matriser

NORGES INFORMASJONSTEKNOLOGISKE HØGSKOLE

Geometriske avbildninger og symmetri. A2A/A2B Høgskolen i Vestfold

Transkript:

5 Vektorrom Et vektorrom er en mengde V med tre algebraiske operasjoner (addisjon, negasjon og skalærmultiplikasjon) som tilfredsstiller de 10 betingelsene fra Def. 4.1.1. Jeg vil ikke gi en eksamensoppgave om å sjekke at noe er et vektorrom: det er jo kjedelig å sjekke de 10 betingelsene! Sannsynligheten for at én av eksamensoppgavene er om å sjekke at noe er et underrom (a subspace) i et kjent vektorrom, er ikke null, men ganske liten. Det er jo morsommere å sjekke tre betingelser (som i Th. 4.2.1 eller Definisjon 5.2 nedenfor) istedenfor ti (som i Def. 4.1.1), men kjedelig likevel. I eksamensoppgavene fra 2006, 2010-2012, og 2015-2016, som jeg laget, står det noe slik: W er et underrom (du behøver ikke å bevise dette), og deretter begynner noe mer interessant: å finne dimensjonen, en basis osv. For å definere n-rommet (the n-space) R n, vil vi ikke bruke n-tupler (ntuples, Def. 3.1.1) av reelle tall, men matriser (radvektorer eller kolonnevektorer) i stedet. Tupler skal vi bruke senere på et høyere nivå (tupler av vektorer). Noen eksempler fra boka kan bli forvirrende for dere. Se på Ex. 4.1.8 med en merkelig egenskap 1+1 = 1, eller oppgave 4.2. Mengden i oppgaven tilfredsstiller flere aksiomer til et vektorrom (ikke alle!), men nullvektoren er 0 = (1, 1), ikke (0, 0)! Jeg vil unngå slike eksempler på eksamen. Enda mer: vi skal begrense oss med følgende vektorrom (og deres underrom): R n, matriser Mat m n, funksjoner (sjeldent!) og polynomer P n. Vi gir 4 forskjellige definisjoner til R n. Det er ikke tillatt å gjøre slik i matematikk (definere samme objekt på 4 forskjellige måter), men vi håper at dette ikke er farlig. Dvs. vi har fire forskjellige R n. Vi kan si at de er like, men dette er ikke matematisk korrekt! Det er bedre å si at de er isomorfe (Def. 8.2.3). Begrepene isomorfi og isomorfe objekter brukes ofte i diverse matematiske fag. Isomorfe objekte har absolutt samme egenskaper. La oss betrakte to trekanter ABC og DEF. Begge er rettvinklede, med sidene 3cm, 4cm, og 5cm. Den ene er tegnet på tavla med hvit kritt i det Store Aud i Tromsø. Den andre er tegnet på en tavle et sted i Australia med rød kritt. Er de like? Nei, ABC DEF! Men de er jo kongruente (https://no.wikipedia.org/wiki/kongruens_(geometri)), dvs. isomorfe mht geometri. De har samme geometriske egenskaper: arealet, lengden til høyden fra C (F ) til AB (DE), radien i den innskrevne/omskrevne sirkelen osv. Merknad 5.1 Ordet isomorf oversettes fra gresk til norsk som formlik. Men formlikhet er et svakere begrep enn kongruens. Hvis den andre trekanten DEF har sidene 9cm, 12cm, og 15cm, er den formlik til ABC, men ikke kongruent, dvs. ABC og DEF blir da ikke geometrisk isomorfe. 1. Hovedeksemplet er n-rommet R n (Def. 3.1.1). Vi skal se senere (Seksjon Hovedprinsippet ) at alle (endelig dimensjonale) vektorrom kan beskrives som (er isomorfe til) R n. 43

(a) R n defineres som mengden av kolonnevektorer a 1 a 2, a i R. a n (b) R n defineres som mengden av radvektorer [a 1, a 2, a 3,, a n ], a i R. (c) La n < m. R n defineres som delmengden i R m som består av kolonnevektorer a 1 a 2 a n, a i R. 0 0 (d) La n < m. R n defineres som delmengden i R m som består av radvektorer [a 1, a 2,, a n, 0,, 0], a i R. R 0 består av en tom matrise [] som spiller rollen av nullvektoren: R 0 = {0} = {[]}. Denne tomme matrisen kan betraktes enten som en tom kolonnevektor, dvs. en 0 1 matrise, eller som en tom radvektor, dvs. en 1 0 matrise. Hvis n 3 (særlig når n = 1, 2), kan man bruke geometri (Ch. 3 i boka) for å tegne vektorer, vektorrom, underrom osv. i R n. 2. m n matriser Mat m n. Kan beskrives som R mn. 3. Funksjoner. Alle (evt. kontinuerlige, deriverbare) funksjoner danner et uendelig dimensjonalt vektorrom. Med det finnes mange endelig dimensjonale underrom som kan beskrives som R n. 4. Polynomer P n av grad (degree) n, dvs. funksjoner f(x) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + + a n 1 x n 1 + a n x n, a i R. Kan beskrives som R n+1. Vi skal foreløbig arbeide kun med R n. Vektorrom nr. 2-4 vil bli betraktet senere. Det blir forklart hva beskrives som R n betyr. 44

5.1 Underrom Vi bytter Th. 4.2.1 og Def. 4.2.1. Teoremet blir da en definisjon. Men vi forbedrer teoremet litt. I boka sies det implisitt at underrommet skal være ikke-tom (a set of one or more vectors), dvs. det skal inneholde minst én vektor. Men denne betingelsen er mye lettere å sjekke hvis vi vet hvilken vektor som er med! Vår endelig definisjon (korrigert Th. 4.2.1) er nedenfor. Husk at kvantoren (quantifier på engelsk) betyr for alle eller for enhver eller for ethvert, mens kvantoren betyr det eksisterer. Definisjon 5.2 La V være et vektorrom, og W V en delmengde ( subset). Vi sier at W er et underrom ( subspace) dersom: a) v w (v, w W = v + w W ), dvs. for alle par v, w vektorer fra W er deres sum også i W. b) α w (α R, w W = α w W ), dvs. for envher skalær α og enhver vektor w fra W er deres produkt α w også i W. c) 0 W. Merknad 5.3 For å sjekke at noe er et underrom (eller ikke et underrom), er det lurt å begynne med c). For eksempel, la V = R 2, og W være en rett linje som ikke går gjennom origo. Da er W ikke et underrom, siden 0 W. Merknad 5.4 Nullvektoren i c) er den samme nullvektoren som rommet V har, ikke noen merkelig vektor som (1, 1) i oppgave 4.2. Merknad 5.5 I løpet av dette kurset er skalærer reelle tall, dvs. vi studerer vektorrom over kroppen ( the field: begrepet defineres for eksempel i kurset Algebra 1) R. Alle slike vektorrom er isomorfe til R n. Kun i Ch. 5.3 i slutten av kurset vil vi arbeide med komplekse skalærer, dvs. betrakte vektorrom over kroppen C. Alle slike vektorrom er isomorfe til C n. De som tar Algebra 1, vil studere vektorrom over kroppen Q (er isomorfe til Q n ). I mer avanserte kurs som kryptografi eller kodeteori, studerer man vektorrom over kroppen Z p (restene modulo p), som er isomorfe til (Z p ) n. 5.2 De tre viktigste begrepene Begrepene er: en basis (a basis) (viktigst av alle), spennet eller utspenningsrommet til (the space spanned by) vektorer, og lineært avhengige/uavhengige (linearly dependent/independent) vektorer. Vi bytter av og til teoremer/definisjoner i boka, og endrer selve definisjonene. I definisjonene i boka snakker man om mengder {g 1, g 2,, g k } 45

av vektorer. Det er ikke lurt, se Remark etter Def. 4.4.2 i boka. Vi vil snakke om tupler (g 1, g 2,, g k ) i stedet, siden rekkefølgen av vektorer er vesentlig. Vi bruker runde parenteser for tupler, i motsetning til kvadratiske parenteser for matriser og vektorer. Merknad 5.6 Hva er forskjellen mellom tupler og mengder? La a, b, c være forskjellige vektorer. 1. I mengder, er ikke rekkefølgen av elementene vesentlig, dvs. {a, b, c} = {c, b, a} = {b, c, a}, mens tuplene er forskjellige. (a, b, c), (c, b, a), (b, c, a) 2. I mengder, kan elementene bli skrevet ned flere ganger uten å påvirke resultatet, dvs. mens tuplene {a, b, c} = {a, a, a, b, c, c} = {a, b, b, b, b, c, c, c, c, c} (a, b, c), (a, a, a, b, c, c), (a, b, b, b, b, c, c, c, c, c) er forskjellige. De har t.o.m. forskjellige størrelser, dvs. det første er et 3-tuppel, det andre er et 6-tuppel, og det siste er et 10-tuppel. Vi vil skrive (g 1, g 2,, g k ) V hviss (= hvis og bare hvis) g i V for alle i. 5.2.1 Intuitive definisjoner Vi har jo en intuitiv forståelse av dimensjonen dim V til et vektorrom V (the dimension of a vector space V ). Det er klart at: dim R 0 = 0, dim R 1 = 1, dim R 2 = 2, dim R 3 = 3, dim R n = n. 46

La V være et underrom i R n, n 3. Geometrisk er V enten {0} (dim V = 0), en rett linje som går gjennom origo (dim V = 1), et plan som går gjennom origo (dim V = 2) eller hele rommet R 3 (dim V = 3). La være et k-tuppel av vektorer i V. G = (g 1, g 2,, g k ) V, Definisjon 5.7 (intuitiv, se også Th. 4.5.5) 1. Vi sier at G er en basis ( a basis) for V hviss G kan brukes for å lage et koordinatsystem for V. Da er k = dim V, og enhver vektor w V har tilsvarende koordinatvektoren [w] G = (Def. 4.4.2) til w mht basisen G ( the coordinate vector of w relative to the base G). α 2 α k 2. Vi sier at G utspenner V (G spans V ) hviss: (a) enten k = dim V, og G er en basis for V ; (b) eller k > dim V, og vi kan slette noen vektorer fra G for å få en basis for V. 3. Vi sier at G er lineært uavhengig ( linearly independent) hviss: (a) enten k = dim V, og G er en basis for V ; (b) eller k < dim V, og vi kan utvide G med noen vektorer fra V for å få en basis for V. Merknad 5.8 For ethvert tuppel G V, finnes det alltid et unikt underrom W V, som G utspenner. Dette underrommet betegnes som W = span (G), og kalles spennet til G (the span of G). Eksempel 5.9 La V = {0}. Det er ikke korrekt å si at V har ingen basis. Alle vektorrom har en basis! Dette rommet har en tom basis Tuplene G = (). H = (0), J = (0, 0), K = (0, 0, 0), utspenner V, men danner ikke en basis. De er lineært avhengige. 47

Eksempel 5.10 (se Ex. 4.2.2 og Fig. 4.2.6) La V være en rett linje som går gjennom origo. Hvis g 0 og g V, så danner en basis for V. Tuplene G = (g) H = (0, g), J = (g, g), K = (2g, 12 ) g, 0,10g, utspenner V, men danner ikke en basis. De er lineært avhengige. Tuppelet L = (0) utspenner ikke V, span (L) = {0}. Eksempel 5.11 (se Ex. 4.2.3 og Fig. 4.2.6) La V være et plan som inneholder origo. Hvis g 1, g 2 V, og de to vektorene ikke ligger på en rett linje, så danner en basis for V. Tuplene G = (g 1, g 2 ) H = (g 1, g 2, g 1 + g 2 ), J = (g 1, g 2, g 1 ), K = (2g 1, 12 ) g 1 5g 2,10g 1, utspenner V, men danner ikke en basis. De er lineært avhengige. Tuppelet L = ( 2g 1 1 2 g 2, 4g 1 g 2 ) utspenner ikke V, og span (L) er den rette linjen som går gjennom vektoren 2g 1 1 2 g 2. Vi kan ikke utvide L for å få en basis for noe, derfor er L lineært avhengig. Eksempel 5.12 La V = R 3. ligger i et plan, så danner en basis for V. Tuplene Hvis g 1, g 2, g 3 V, og de tre vektorene ikke G = (g 1, g 2, g 3 ) H = (g 1, g 2, g 3, g 2 ), J = (g 1, g 2, g 3 6g 1, g 2 ), K = (2g 1, 12 ) g 1 5g 2,10g 3, g 2, utspenner V, men danner ikke en basis. De er lineært avhengige. Tuppelet L = (2g 1, 12 ) g 1 5g 2 48

utspenner ikke R 3, men kan utvides til en basis for R 3, for eksempel L L = (2g 1, 12 ) g 1 5g 2, g 3. Derfor er L lineært uavhengig, men L utspenner ikke V, 5.3 Formelle definisjoner 5.3.1 Spennet span (L) = R 2 R 3. Definisjon 5.13 (se Th. 4.2.3, Def. 4.2.3 og Th. 4.5.5) Gitt et vektorrom V og et underrom W V. Vi sier at G = (g 1, g 2,, g k ) W, utspenner W (G spans W ) hviss én (eller alle!) av de følgende ekvivalente betingelsene er oppfylt: 1. W består av alle mulige lineære kombinasjoner (se Def. 4.2.2) α i R, g 1 + α 2 g 2 + + α k g k, dvs. W = { g 1 + α 2 g 2 + + α k g k α i R}. 2. For enhver w W, har vektorlikningen w = g 1 + α 2 g 2 + + α k g k minst én (faktisk, enten én eller uendelig mange) løsning dvs. [,α 2,,α k ] R k, ( w W ) ( [,α 2,,α k ] R k) (w = g 1 + α 2 g 2 + + α k g k ). 3. W er det minste underrom som inneholder G. 4. Enten k = dim W, og G er en basis for W, eller k > dim W, og vi kan slette noen vektorer fra G for å få en basis for W. Vi skriver da W = span (G). W kalles spennet til G ( the space spanned by G, eller span of G). 49

5.3.2 Lineært uavhengige vektorer Definisjon 5.14 (Def. 4.3.1, Th. 4.3.1 og Th. 4.5.5) Gitt et vektorrom V og et k-tuppel G = (g 1, g 2,, g k ), g i V. Vi sier at tuppelet G er lineært uavhengig hviss én (eller alle!) av de følgende ekvivalente betingelsene er oppfylt: 1. Vektorlikningen har nøyaktig én løsning g 1 + g 2 + + α k g k = 0 α 2 α n = 2. For enhver w V, har vektorlikningen 0 0 0 Rk. g 1 + g 2 + + α k g k = w høyst én (dvs. én eller ingen) løsning α 2 Rk. α n 3. Ingen av vektorene g i kan utrykkes som en lineær kombinasjon av de andre vektorene fra G. 4. Enten k = dim V, og G er en basis for V, eller k < dim V, og vi kan utvide G med noen vektorer fra V for å få en basis for V. 5.3.3 Basis Definisjon 5.15 (Def. 4.4.1 og Th. 4.4.1) Gitt et vektorrom V og et k-tuppel G = (g 1, g 2,, g k ), g i V. Vi sier at tuppelet G er en basis for V hviss én (eller alle!) av de følgende ekvivalente betingelsene er oppfylt: 1. G er lineært uavhengig, og V = span (G). 50

2. For enhver vektor w V eksisterer det en unik vektor α 2 Rk α k slik at dvs. w = g 1 + g 2 + + α k g k, ( w V ) (! [, α 2,, α k ] R k) (w = g 1 + g 2 + + α k g k ). Vektoren [w] G = kalles koordinatvektoren (Def. 4.4.2) til w mht basisen G ( the coordinate vector of w relative to the base G). Merknad 5.16 (Th. 4.5.1 og Def. 4.5.1 i boka) Alle basiser for et vektorrom V har det samme antallet elementer som heter dimensjonen (dim V ) til V ( the dimension of V ). α 2 α k 51