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university/S1/AGLA/Hausaufgaben/Zettel05.typ
2025-04-16 10:50:38 +02:00

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// Load the preamble
#import "../conf.typ": conf
#show: conf.with(week: "5")
= $CC$-Vektorraum
Betrachte den $CC$-Vektorraum $V = CC^4$ und
$ w_1 = (1, i, 0, i), w_2 = (i, 1, 0, i), w_3 = (0, 2i, 0, i + 1) in CC^4 . $
Sei $W = {w_1, w_2, w_3}$. Bestimmen Sie einen zu $W$ komplementären Unterraum vom $V$ und geben Sie jeweils eine Basis von $U$ und $W$ an.
*Abgabe in Papierform*.
//$ W_B = angle.l {w_1, w_2} angle.r $
//
//$ U_B = angle.l {(0, 0, 1 ,0), (i - 1, 1 - i, 0, 2)} angle.r $
//
//Es gilt:
//
//$ V = W plus.circle U $
//
//was aus der linearen Unabhaengigkeit von den Basisvektoren von $W$ und $U$ folgt und da
//
//$ dim(V) = dim(W) + dim(U) = 4 . $
= Komplementaere Unterraeume
Sei $K$ ein Körper und $V$ ein K-Vektorraum mit $m$ Unterräumen $W_1, . . . , W_m V$.
+ Zeigen Sie, dass die folgenden zwei Aussagen äquivalent sind:
#enum(numbering: "(i)",
enum.item(1)[Es gilt $V = W_1 . . . W_m$.],
enum.item(2)[Für jedes $v V$ gibt es eindeutige $w_1 W_1, . . . , w_m W_m "mit" v = w_1 + . . . + w_m$. ])
Angenommen (i). Dann folgt:
Also ist hier die Null auf genau eine Weise darstellbar:
$ 0 = w_1 + w_2 + ... <==> 0 = 0 + 0 ... $ <null>
Sei $v in V$.
$ v = w_1 + w_2 + ... = w'_1 + w'_2 + ... \
<==> 0 = (w_1 - w'_1) + (w_2 - w'_2) + ... $
Nach @null muss also $w_i = w'_i$, wodurch die Darstellung von $v$ eindeutig ist.
Angenommen (ii). Dann gilt:
$ v = w_1 + . . . + w_m <==> V = W_1 plus ... plus W_m . $ <comp>
Sei $A(n) :<==> U = W_1 + ... + W_(n), O = W_(n+1) + ... + W_m: U plus.circle O$
Induktionsanfang (IA): Sei $V$ wie hier mit $n=1$ folgt:
$ underbrace(W_1, U) plus underbrace(W_2 plus ... plus W_(m), O) = V $
Sei nun $v in U sect O$, dann folgt:
$ v = u_1 = o_m $
Da $v$ jedoch eindeutig dargestellt werden muss, folgt $u_1 = o_m = 0$.
Also ist:
$ U_1 sect W_m = 0 ==>^("mit" #[@comp]) U_1 plus.circle W_m $
Induktionshypothese (IH): Angenommen A(n), fuer $n in N$.
Induktionsschritt (IS): Nun gilt es zu zeigen, dass A(n+1) auch gilt.
...
*Der Rest ist in Papierform*
+ Ist die folgende Aussage ebenfalls äquivalent zu den ersten beiden? Geben Sie einen Beweis oder ein Gegenbeispiel an.
(iii) Es gilt $V = W_1 + . . . + W_m$ und $W_i W_j = {0}$ für alle $1 i < j m$.
Gegenbeispiel:
$ V = RR^2, quad W_1 = angle.l (0, 1) angle.r , angle.l (1, 0) angle.r, angle.l (1, 1) angle.r $
Dann gilt:
$ V = W_1 + W_2 \
sect.big W_i = 0 $
da $W_1$ und $W_2$ linear unabhaengig sind und sich die drei Geraden im Ursprung schneiden.
Sei $v = (1, 1)$, dann folgt:
$ v = w_1 + w_2 = w_3 = vec(1, 0) + vec(0, 1) = vec(1, 1) $
Also ist die Darstellung von $v in V$ nicht eindeutig.
= Projektionen
Sei $K$ ein Körper und $V$ ein K-Vektorraum.
Angenommen $ϕ: V V$ ist eine lineare Abbildung mit der Eigenschaft $ϕ ϕ = ϕ$ <2b1> .
Zeigen Sie, dass es zwei Untervektorräume $W_1, W_2 V$ mit $V = W_1 W_2$ gibt, sodass die Gleichungen $ϕ(w_1) = w_1$ für alle $w_1 W_1$ und $ϕ(w_2) = 0$ für alle $w_2 W_2$ gelten.
Setze folgenden UVR von $V$:
$ W_1 = im(phi.alt), quad W_2 = ker(phi.alt) $
Nun gilt fuer $v in V$:
$ phi.alt(phi.alt(v)) &=^(#[@2b1]) phi.alt(v) \
<==> phi.alt(phi.alt(v)) - phi.alt(v) &= 0 \
<==>^("lin.") phi.alt(phi.alt(v) - v) &= 0 $
Also folgt:
$ k &= phi.alt(v) - v, quad k in ker(phi.alt) \
<==> v &= phi.alt(v) - k, quad k in W_2, quad phi.alt(v) in W_1 $
Da $v$ beliebig war, gilt: $V = W_1 + W_2$.
Sei $x in W_1 sect W_2$.
Dann gilt:
$ x in W_1 &==> phi.alt(x) = x \
x in W_2 &==> phi.alt(x) = 0 \
therefore x &= 0 $
Da $x$ beliebig war, folgt: $W_1 sect W_2 = 0$.
Also ist $V = W_1 plus.circle W_2$. Die Eigenschaften von $phi.alt$ gelten nach Konstruktion.
$qed$
= Fibonacci
Sei $V := {(a_i)_(iN) : a_i R}$ der R-Vektorraum aller reellen Folgen.
Wir definieren die lineare Abbildung $ϕ$ durch
$ ϕ: V V, (a_1, a_2, a_3, . . .) |-> (a_2, a_3, . . .) . $
Definiere nun
$ psi = ϕ ϕ ϕ id(V) . $ <fib>
+ Bestimmen Sie die Dimension von $ker(ψ)$.
Zuerst bestimme ich den Kern von $psi$:
$ ker(psi) = {v in V: psi(v) = 0 <==> phi(phi(v)) - phi(v) - v = 0} $
Die Funktion $phi$ verschiebt alle Elemente von $v in V$ um einen Index nach links.
Aus der Definition von $phi$ folgt, dass folgendes gelten muss:
$ forall k in ker(psi): k_n = k_(n-1) + k_(n-2), quad n > 2 $ <ker>
Also gilt: Damit ein $v in V$ im Kern von $psi$ liegt muessen alle Elemente durch die ersten Beiden eindeutig bestimmt sein.
Eine moegliche Basis fuer den Kern ist:
$ bold(b'_1) = (1, 0, a_3, a_4, ...) \
bold(b'_2) = (0, 1, a_3, a_4, ...) $
Diese Basisvektoren sind linear unabhaengig und jedes Element laesst sich durch Linearkombination dieser beiden Vektoren darstellen.
Da sich der Kern durch zwei Basisvektoren darstellen laesst, folgt:
$ dim(ker(psi)) = 2 $
+ Finden Sei eine Basis $b_1, . . . , b_m$ von ker(ψ), die die Form $b_i = (α_i, α_i^2 , α_i^3 , . . .)$ für reelle Zahlen $α_1, . . . , α_m$ hat.
Jeder Basisvektor vom Kern muss im Kern liegen, also:
$ alpha^n = alpha^(n-1) + alpha^(n-2), quad forall n > 2 $
Hier waehlen wir $n=2$ o.E.d.A, da wir die Gleichung immer durch $alpha^t$ teilen koennen, da $alpha != 0$, da der Nullvektor kein Basisvektor vom Kern sein kann.
Wir wollen also die folgende Gleichung loesen:
$ alpha^2 - alpha - 1 = 0 $
Nach der Lösungsformel für die allgemeine quadratische Gleichung folgt fuer $alpha$:
$ alpha = (1+ sqrt(5))/2, quad dash(alpha) = (1- sqrt(5))/2 $
Da der Kern zweidimensional ist und $bold(b_1)$ und $bold(b_2)$ linear unabhaengig sind, folgt:
Also folgt fuer diese spezifische Basis von $ker(psi)$:
$ bold(b)_1 = (alpha, alpha^2, alpha^3, ...), quad bold(b)_2 = (dash(alpha), dash(alpha)^2, dash(alpha)^3, ...) $
+ Sei die Fibonacci-Folge $(F_n)_(nN)$ definiert durch: $F_1 = 1, F_2 = 1, F_(n+2) = F_(n+1) + F_n$ für alle $n N$. Zeigen Sie, dass $F_n ker(ψ)$ liegt und schreiben Sie $(F_n)$ als Linearkombination ihrer Basis $b_1, . . . , b_m$.
$ F_(n+2) &= F_(n+1) + F_n \
<==> F_(n) &= F_(n-1) + F_(n-2), forall n > 2 $
Damit liegt $F_n$ nach @ker im Kern von $psi$.
Wir wissen, dass $F_1 = 1$ und $F_2 = 1$, wodurch $F_((0)) = 0$ sein muesste.
Ermitteln von $c_1, c_2$, durch einsetzen in die bekannte Gleichung fuer ein Element des Kerns:
$ 0 &= c_1 ((1+ sqrt(5))/2)^0 + c_2 ((1- sqrt(5))/2)^0 <==> c_1 = - c_2 \
1 &= c_1 (1+ sqrt(5))/2 + c_2 (1- sqrt(5))/2 \
<==> 1 &= c_2 (1- sqrt(5))/2 - c_2 (1+ sqrt(5))/2 <==> 1 = (-2 sqrt(5))/2 c_2 ==> c_2 = -1/sqrt(5) \
therefore &underline(c_2 &= -1/sqrt(5)) = - c_1 ==> underline(c_1 = 1/sqrt(5)) $
Also:
$ (F_n) = 1/sqrt(5) bold(b)_1 - 1/sqrt(5) bold(b)_2 $
+ Bestimmen Sie eine Formel $F_n = sum^m_(i=1) c_i alpha_i^n$ , mit der die Fibonacci-Folge direkt berechnet werden kann.
Wir wissen aus den Vorherigen Aufgabenteilen alles um eine geschlossene Form fuer die Fibonaccifolge aufzuschreiben.
Wir muessen nur das Element der beiden Basisvektoren an $n$ Stelle ermitteln, was wir durch die Eigenschaft der Basisvektoren von Aufgabenteil b) tun koennen.
Also ergibt sich die geschlossene Formel als:
#rect($ F_n = 1/sqrt(5) ((1+ sqrt(5))/2)^n - 1/sqrt(5) ((1- sqrt(5))/2)^n $)