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\documentclass{../../../lecture}
\documentclass[uebung]{../../../lecture}

\title{Lineare Algebra I: Übungsblatt 8}
\author{Christian Merten, Mert Biyikli}

\begin{document}

\punkte

\begin{aufgabe}

\begin{enumerate}[(a)]
\item Beh.: $\underline{w}$ ist eine Basis von $W = K[X]_{\le 3}$
\begin{proof}
Zz.: $\underline{w}$ ist linear unabhängig

Seien $a, b, c, d \in K$ mit
\begin{align*}
a X^{0} + b (X^{0} + X^{1}) + c (X^{1} - X^{2} + X^{3} + d (X^{3} + X^{0}) &= 0 \\
\implies X^{0}(a + b + d) + X^{1} (b + c) + X^{2} (-c) + X^{3}(c + d) = 0
.\end{align*} Wegen $\underline{v}$ linear unabhängig, folgt:
\begin{align*}
c = 0 \implies d = 0 \implies b = 0 \implies a = 0
.\end{align*}

Zz.: $\underline{w}$ ist Erzeugendensystem

Sei $v \in K[X]_{\le 3}$ beliebig, dann ex. $a, b, c, d \in K$ wegen $\underline{v}$ Basis
s.d. $v = a X^{0} + b X^{1} + c X^{2} + d X^{3} $.

Wähle nun $\alpha := a - b - 2c - d, \beta := b + c, \gamma := -c, \delta := c+d$.
Damit folgt direkt:
\begin{align*}
v &= \alpha X^{0} + \beta (X^{0} + x^{1}) + \gamma (X^{1} - X^{2} + X^{3}) +
\delta (X^{3} + X^{0}) \\
&= a X^{0} + b X^{1} + c X^{2} + d X^{3}
.\end{align*}
\end{proof}
\item Seien $\phi_{\underline{v}}\colon K^{4} \to K[X]_{\le 3}$ und
$\phi_{\underline{w}}\colon K^{4} \to K[X]_{\le 3}$ die kanonischen Isomorphismen.
\begin{enumerate}[(i)]
\item
\[
M_{\underline{v}}^{\underline{v}}(\partial) = A :=
\begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 3 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix}
.\]
\begin{proof}
Zu zeigen.: $F_{\underline{v}}^{\underline{v}}(A) = \partial$.

Zu überprüfen für die vier Basisvektoren von $K[X]_{\le 3}$ aus $\underline{v}$.

\[
F_{\underline{v}}^{\underline{v}}(A) =
\phi_{\underline{v}} \circ F_{4,4}(A) \circ \phi_{\underline{v}}^{-1}
.\]
\begin{enumerate}
\item $v_1 = X_0$, $\phi_{\underline{v}}^{-1}(X^{0}) = (1, 0, 0, 0)$
\[
\begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 3 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix} \cdot
\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}
.\]
$\implies \phi_{\underline{v}}(0, 0,0,0) = 0 = \partial(X_0)$
\item $v_2 = X_1$, $\phi_{\underline{v}}^{-1}(X^{1}) = (0, 1, 0, 0)$
\[
\begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 3 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix} \cdot
\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \\ 0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}
.\]
$\implies \phi_{\underline{v}}(1, 0, 0, 0) = X^{0} = \partial(X_1)$
\item $v_3 = X_2$, $\phi_{\underline{v}}^{-1}(X^{2}) = (0, 0, 1, 0)$
\[
\begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 3 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix} \cdot
\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ 0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 2 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}
.\]
$\implies \phi_{\underline{v}}(0, 2, 0, 0) = 2X^{1} = \partial(X_2)$
\item $v_4 = X_3$, $\phi_{\underline{v}}^{-1}(X^{3}) = (0, 0, 0, 1)$
\[
\begin{pmatrix}
0 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 2 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 3 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix} \cdot
\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix}
.\]
$\implies \phi_{\underline{v}}(0, 0, 3, 0) = 3X^{2} = \partial(X_3)$
\end{enumerate}
$\implies F_{\underline{v}}^{\underline{v}}(A) = \partial$
\end{proof}
\item
\[
M_{\underline{w}}^{\underline{v}}(id_W) = A :=
\begin{pmatrix}
1 & -1 & -2 & -1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & -1 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
\end{pmatrix}
.\]
\begin{proof}
Zu zeigen.: $F_{\underline{w}}^{\underline{v}}(A) = id$

Zu überprüfen für die vier Basisvektoren von $K[X]_{\le 3}$ aus $\underline{v}$.

\[
F_{\underline{w}}^{\underline{v}}(A) =
\phi_{\underline{w}} \circ F_{4,4}(A) \circ \phi_{\underline{v}}^{-1}
.\]
\begin{enumerate}
\item $v_1 = X_0$, $\phi_{\underline{v}}^{-1}(X^{0}) = (1, 0, 0, 0)$
\[
\begin{pmatrix}
1 & -1 & -2 & -1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & -1 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
\end{pmatrix} \cdot
\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}
.\]
$\implies \phi_{\underline{w}}(1, 0,0,0) = X^{0} = id_W(X^{0})$
\item $v_2 = X_1$, $\phi_{\underline{v}}^{-1}(X^{1}) = (0, 1, 0, 0)$
\[
\begin{pmatrix}
1 & -1 & -2 & -1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & -1 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
\end{pmatrix} \cdot
\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \\ 0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}
.\]
$\implies \phi_{\underline{w}}(-1, 1, 0, 0) = -X^{0} + X^{0} + X^{1} = X^{1} = id_W(X^{1})$
\item $v_3 = X_2$, $\phi_{\underline{v}}^{-1}(X^{2}) = (0, 0, 1, 0)$
\[
\begin{pmatrix}
1 & -1 & -2 & -1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & -1 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
\end{pmatrix} \cdot
\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ 0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ -1 \\ 1 \end{pmatrix}
.\]
$\implies \phi_{\underline{v}}(-2, 1, -1, 1) = -2X^{0} + X^{0} + X^{1} - X^{1} + X^{2} - X^{3} + X^{3} + X^{0} = X^{2} = id_W(X^{2})$
\item $v_4 = X_3$, $\phi_{\underline{v}}^{-1}(X^{3}) = (0, 0, 0, 1)$
\[
\begin{pmatrix}
1 & -1 & -2 & -1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & -1 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
\end{pmatrix} \cdot
\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}
.\]
$\implies \phi_{\underline{v}}(-1, 0, 0, 1) = -X^{0} + X^{3} + X^{0} = X^{3} = id_W(X^{3})$
\end{enumerate}
$\implies F_{\underline{w}}^{\underline{v}}(A) = id_W$
\end{proof}
\item
\[
M_{\underline{v}}^{\underline{w}}(id_W) = A :=
\begin{pmatrix}
1 & 1 & 0 & 1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & -1 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
\end{pmatrix}
.\]
\begin{proof}
Erfolgt analog zu (ii).
\end{proof}
\item
\[
M_{\underline{w}}^{\underline{w}}(\partial) = M_{\underline{w}}^{\underline{v}}(id_W) \cdot
M_{\underline{v}}^{\underline{v}}(\partial) \cdot M_{\underline{v}}^{\underline{w}}(id_W)=
\begin{pmatrix}
0 & 1 & -3 & -6 \\
0 & 0 & 1 & 3 \\
0 & 0 & -3 & -3 \\
0 & 0 & 3 & 3 \\
\end{pmatrix}
.\]
\item
\[
M_{\underline{w}}^{\underline{v}}(\partial) = M_{\underline{w}}^{\underline{v}}(id_W) \cdot
M_{\underline{v}}^{\underline{v}}(\partial) =
\begin{pmatrix}
0 & 1 & -2 & -6 \\
0 & 0 & 2 & 3 \\
0 & 0 & 0 & -3 \\
0 & 0 & 0 & 3 \\
\end{pmatrix}
.\]
\item
\[
M_{\underline{v}}^{\underline{w}}(\partial) = M_{\underline{v}}^{\underline{v}}(\partial) \cdot
M_{\underline{v}}^{\underline{w}}(id_W) =
\begin{pmatrix}
0 & 1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & -2 & 0 \\
0 & 0 & 3 & 3 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
\end{pmatrix}
.\]
\end{enumerate}
\end{enumerate}

\end{aufgabe}

\begin{aufgabe}
\begin{aufgabe} Sei $f\colon U \to V$ und $g\colon V \to W$ lineare Abbildungen
zwischen endlich dimensionalen Vektorräumen.
\begin{enumerate}[(a)]
\item Beh.: $\text{dim } \text{ker}(g\circ f) \le \text{dim } \text{ker} g + \text{dim } \text{ker }f$
\begin{proof}
Schränke $g$ auf $\text{Bild}(f)$ ein durch $g'\colon \text{Bild}(f) \to W$ mit
$v \mapsto g(v)$.
\begin{align*}
\text{ker }(g \circ f) &= \text{dim } U - \text{dim}(\text{Bild}(g \circ f)) \\
&= \text{dim }U - \text{Rg}(g')\\
&= \text{Rg}(f) - \text{Rg}(g') + \text{dim }U - \text{Rg}(f) \\
&= \text{ker }g' + \text{ker }f \\
&\le \text{ker }g + \text{ker }f
.\end{align*}
\end{proof}
\item Beh.: $\text{Rg}(f) - \text{Rg}(g \circ f) \le \text{dim } V - \text{Rg}(g)$
\begin{proof}
Aus (a) folgt:
\begin{align*}
\text{dim } \text{ker}(g \circ f) &\le \text{dim } \text{ker}(g) + \text{dim } \text{ker}(f) \\
\implies \text{dim } U - \text{Rg}(g \circ f) &\le \text{dim } V - \text{Rg}(g) + \text{dim } U - \text{Rg}(f) \\
\implies \text{Rg}(f) - \text{Rg}(g \circ f) &\le \text{dim } V - \text{Rg}(g)
.\end{align*}
\end{proof}
\item Beh.: Für $A \in M_{n, m}(K)$ und $B \in M_{l,n}(K)$ gilt
$S\text{Rg}(A) - S\text{Rg}(B \cdot A) \le n - S\text{Rg}(B) $.

\begin{proof}
Seien $A \in M_{n,m}(K)$ und $B \in M_{l,n}(K)$ beliebig, dann definiere
$f := F_{n, m}(A)$ und $g := F_{l, n}(B)$. Damit folgt: $F_{m, l}(B \cdot A) = g \circ f$.

Dann folgt aus (b) direkt:
\[
\text{Rg}(f) - \text{Rg}(g \circ f) \le \text{dim } K^{n} - \text{Rg}(g)
.\] Mit $\text{Rg}(f) = S\text{Rg}(A) $, $\text{Rg}(g) = S\text{Rg}(B) $ und
$\text{Rg}(g \circ f) = S\text{Rg}(A\cdot B)$ ergibt sich
\[
S\text{Rg}(A) - S\text{Rg}(B \cdot A) \le n - S\text{Rg}(B)
.\]
\end{proof}
\end{enumerate}
\end{aufgabe}

\begin{aufgabe}
\begin{enumerate}
\item
\item
\item Beh.: Für $f : V \to V$ eine lineare Abbildung gilt
\begin{aufgabe} Sei $V$ ein Vektorraum, $U$ ein Untervektorraum und $W$ ein Komplement von $U$ in $V$.
\begin{enumerate}[(a)]
\item Beh.: Es existiert eine eindeutige lineare Abbildung $\pi\colon V \to V$, welche eingeschränkt
auf $U$ die Identität und eingeschränkt auf $W$ konstant null ist.

\begin{proof}
Sei $(v_i)_{i\in I}$ Basis von $U$ und $(v_j)_{j \in J}$ mit $J \cap U = \emptyset$
Basis von $W$.
Damit ist $(v_i)_{i \in I \cup J}$ Basis von $V$. Definiere $\pi\colon V \to V$ linear mit
\[
\pi(v_i) = \begin{cases}
v_i & \text{falls } i \in I \\
0 & \text{falls } i \in J
\end{cases}
.\]

Schränke nun $\pi$ auf $U$ ein: Dann ex. für alle $u \in U$ ein
$(\alpha_i)_{i \in I} \in K^{(I)}$, s.d.
$v = \sum_{i \in I} v_i$. Damit:
\[
\pi(v) = \sum_{i \in I} \alpha_i \pi(v_i) = \sum_{i \in I} \alpha_i v_i = v
.\]

Schränke nun $\pi$ auf $W$ ein: Dann ex. für alle $w \in W$
ein $(\alpha_j)_{j \in J} \in K^{(J)}$, s.d.
$v = \sum_{i \in J} \alpha_j v_j$. Damit
\[
\pi(v) = \sum_{j \in J} \alpha_j \pi(v_j) = 0
.\]

$\pi$ ist eindeutig, da eindeutig durch die Basisvektoren definiert.
\end{proof}
\item Beh.: Für dieses $\pi$ gilt: $\pi \circ \pi = \pi$.
\begin{proof}
Seien die Basen wie in (a).
Sei $v \in V$ beliebig. Dann ex. ein $(\alpha_i)_{i\in I} \in K^{(I)}$ und ein
$(\beta_j)_{j\in J} \in K^{(J)}$, s.d.
\[
v = \sum_{i \in I} \alpha_i v_i + \sum_{j \in J} \beta_j v_j
.\] Damit gilt
\[
\pi(v) = \sum_{i \in I} \alpha_i \pi(v_i) + \sum_{j \in J} \beta_j \pi(v_j)
= \sum_{i \in I} \alpha_i v_i
.\] $\implies$
\[
\pi(\pi(v)) = \pi\left( \sum_{i \in I} \alpha_i v_i\right) =
\sum_{i \in I} \alpha_i v_i = \pi(v)
.\] $\implies \pi = \pi \circ \pi$
\end{proof}
\item Beh.: Für $\pi : V \to V$ eine lineare Abbildung gilt
\[
V \stackrel{\sim }{=} \text{Bild}(f) \oplus \text{ker } f
V \stackrel{\sim }{=} \text{Bild}(\pi) \oplus \text{ker } \pi
.\]

\begin{proof}
Sei $(u_i)_{i\in I}$ Basis von $V \setminus \text{ker } f$.
Sei $U$ Komplement zu $\text{ker }\pi$ und $(u_i)_{i\in I}$ Basis von $U$.

Definiere $f: V / \text{ker } f \oplus \text{ker } f \to V$ mit
Wegen Homomorphiesatz gilt: $\text{Bild}(\pi) \stackrel{\sim }{=} V / \text{ker }(\pi)$.
Nach Blatt 6 gilt: $(u_i + \text{ker } \pi)_{i \in I}$ ist Basis von $V / \text{ker }(\pi)$.
Damit:
\[
([u_i + \text{ker }f], k) \mapsto u_i + k
.\] Wohldefiniert, da $([u_i + \text{ker }f])_{i \in I}$
nach Blatt 6 Basis von $V / \text{ker }f$.
\text{Bild}(\pi) \stackrel{\sim }{=} V / \text{ker }(\pi) \stackrel{\sim }{=} U
.\] Daraus folgt direkt:
\[
\text{Bild}(\pi) \oplus \text{ker }\pi \stackrel{\sim }{=} U \oplus \text{ker }\pi
\stackrel{\sim }{=} V
.\]
\end{proof}
\end{enumerate}
\end{aufgabe}

\begin{aufgabe}

\[
A_1 := \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, \quad
A_2 := \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, \quad
A_3 := \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}
.\]
\begin{proof}
\begin{enumerate}
\item $A_1$ ist die Einheitsmatrix $\implies A_1 \cdot A_1 = A_1$ und
$A_1 \cdot (1,1)^{t} = (1,1)^{t}$.
\item \[
A_2 \cdot A_2 = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}
\cdot \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 1\end{pmatrix}
= \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = A_2
.\] \[
A_2 \cdot (1,1)^{t} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}
\cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix}
= \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix} = (1,1)^{t}
.\]
\item \[
A_3 \cdot A_3 = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}
\cdot \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 0\end{pmatrix}
= \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = A_3
.\] \[
A_3 \cdot (1,1)^{t} = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}
\cdot \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix}
= \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix} = (1,1)^{t}
.\]
\end{enumerate}
\end{proof}

\end{aufgabe}

\end{document}

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