diff --git a/1. Semester/LAAG_ueberarbeitet/TeX_files/Basis_und_Dimension.tex b/1. Semester/LAAG_ueberarbeitet/TeX_files/Basis_und_Dimension.tex index 9706713..a1fc859 100644 --- a/1. Semester/LAAG_ueberarbeitet/TeX_files/Basis_und_Dimension.tex +++ b/1. Semester/LAAG_ueberarbeitet/TeX_files/Basis_und_Dimension.tex @@ -19,10 +19,10 @@ \begin{itemize} \item Die leere Familie ist eine Basis des Nullraums. \item Die \begriff{Standardbasis} $(e_1,...,e_n)$ ist eine Basis des Standardraums. - \item Die Monome $(X^i)$ bilden eine Basis des $K$-VR $K[X]$. - \item Die Basis des $\mathbb R$-VR $\mathbb C$ ist gegeben durch $(1,i)$, eine Basis des $\mathbb C$- - VR $\mathbb C$ ist gegeben durch $(1)$ - \item Der $\mathbb C$-VR $\mathbb C$ hat viele weitere Basen. + \item Die Monome $(X^i)$ bilden eine Basis des $K$-Vektorraum $K[X]$. + \item Die Basis des $\mathbb R$-Vektorraum $\mathbb C$ ist gegeben durch $(1,i)$, eine Basis des $\mathbb C$- + Vektorraum $\mathbb C$ ist gegeben durch $(1)$ + \item Der $\mathbb C$-Vektorraum $\mathbb C$ hat viele weitere Basen. \end{itemize} \end{example} @@ -58,11 +58,11 @@ \begin{theorem}[Basisauswahlsatz] \proplbl{2_3_6} Jedes endliche Erzeugendensystem von $V$ besitzt eine Basis als - Teilfamilie: Ist $(x_i)$ ein endliches Erzeugendensystem von $V$, so gibt es eine Teilmenge $J\subset I$, + Teilfamilie: Ist $(x_i)$ ein endliches Erzeugendensystem von $V$, so gibt es eine Teilmenge $J\subseteq I$, für die $(x_i)_{i\in J}$ eine Basis von $V$ ist. \end{theorem} \begin{proof} - Sei $(x_i)$ ein endliches Erzeugendensystem von $V$. Definiere $\mathcal J:=\{J \subset I \mid (x_i)_{i\in J}\; + Sei $(x_i)$ ein endliches Erzeugendensystem von $V$. Definiere $\mathcal J:=\{J \subseteq I \mid (x_i)_{i\in J}\; \text{J ist Erzeugendensystem von }V\}$. Da $I$ endlich ist, ist auch $\mathcal J$ endlich. Da $(x_i)$ Erzeugendensystem ist, ist $I\in J$, insbesondere $\mathcal J\neq\emptyset$. Es gibt deshalb ein bezüglich Inklusion minimales $J_0\in \mathcal J$, d.h. $J_1 \in \mathcal J$ so gilt nicht $J_1 \subsetneq J_0$. Deshalb @@ -70,7 +70,7 @@ \end{proof} \begin{conclusion} - Jeder endlich erzeugte $K$-VR besitzt eine endliche Basis. + Jeder endlich erzeugte $K$-Vektorraum besitzt eine endliche Basis. \end{conclusion} \begin{remark} @@ -145,7 +145,7 @@ \end{proof} \begin{definition}[Dimension] - Ist $V$ endlich erzeugt, so ist die \begriff{Dimension} des VR $V$ die Mächtigkeit $\dim_K(V)$ + Ist $V$ endlich erzeugt, so ist die \begriff{Dimension} des Vektorraum $V$ die Mächtigkeit $\dim_K(V)$ einer Basis von $V$. Andernfalls sagt man, dass $V$ unendliche Dimensionen hat und schreibt $\dim_K(V)= \infty$. \end{definition} @@ -167,7 +167,7 @@ \end{remark} \begin{proposition} - Sei $V$ endlich erzeugt und $W\le V$ ein UVR. + Sei $V$ endlich erzeugt und $W\le V$ ein Untervektorraum. \begin{itemize} \item Es ist $\dim_K(W)\le \dim_K(V)$. Insbesondere ist $W$ endlich erzeugt. \item Ist $\dim_K(W)=\dim_K(V)$, so ist auch $W=V$. diff --git a/1. Semester/LAAG_ueberarbeitet/TeX_files/Das_Vorzeichen_einer_Permutation.tex b/1. Semester/LAAG_ueberarbeitet/TeX_files/Das_Vorzeichen_einer_Permutation.tex index f175673..c0cf187 100644 --- a/1. Semester/LAAG_ueberarbeitet/TeX_files/Das_Vorzeichen_einer_Permutation.tex +++ b/1. Semester/LAAG_ueberarbeitet/TeX_files/Das_Vorzeichen_einer_Permutation.tex @@ -1 +1,128 @@ -\section{Das Vorzeichen einer Permutation} \ No newline at end of file +\section{Das Vorzeichen einer Permutation} + +In diesem Kapitel sei $K$ ein Körper und $R$ ein kommutativer Ring mit Einselement. + +\begin{remark} + Wir erinnern uns an die symmetrische Gruppe $S_n$, die aus den Permutationen der Menge $X=\{1,..,n\}$ (also den + bijektiven Abbildungen $X\to X$) mit der Komposition als Verknüpfung. Es ist $\vert S_n\vert =n!$ und $S_2\cong \mathbb Z\backslash 2 \mathbb Z$, + doch für $n\ge 3$ ist $S_n$ nicht abelsch. Wir schreiben $\sigma_1\sigma_2$ für $\sigma_1\circ \sigma_2$ und notieren $\sigma\in S_n$ + auch als \\ + \begin{align} + \sigma=\begin{pmatrix} + 1 & 2 & ... & n\\ + \sigma(1) & \sigma(2) & ... & \sigma(n)\\ + \end{pmatrix}\notag + \end{align} +\end{remark} + +\begin{example} + Für $i,j\in \{1,...,n\}$ mit $i\neq j$ bezeichne $\tau_{ij}\in S_n$ die Transposition + \begin{align} + \tau_{ij}(k)= + \begin{cases} + j&\text{falls }$k=i$ \\ i& \text{falls }$k=j$ \\ k& \text{sonst} + \end{cases}\notag + \end{align} Offenbar gilt $\tau_{ij}^2=\id$, also $\tau_{ij}^{-1}=\tau_{ij}=\tau_{ji}$. +\end{example} + +\begin{proposition} + Für jedes $\sigma \in S_n$ gibt es ein $r\in \mathbb N_0$ und die Transpositionen $\tau_1,...,\tau_r\in S_n$ mit + \begin{align} + \sigma=\tau_1\circ ... \circ \tau_r\notag + \end{align} +\end{proposition} +\begin{proof} + Sei $1\le k \le n$ maximal mit $\sigma(i)=i$ für $i\le k$. Induktion nach $n-k$. \\ + Ist $n-k=0$, so ist $\sigma=\id$ und wir sind fertig. \\ + Andernfalls ist $l=k+1\le n$ und $\sigma(l)>l$. Für $\sigma'=\tau_{l,\sigma(l)}\circ \sigma$ ist $\sigma(l)=l$ und somit $\sigma'(i)=i$ + für $1\le i \le k+1$. Nach Induktionshypothese gibt es Transpositionen $\tau_1,...,\tau_r$ mit $\sigma'=\tau_1\circ ...\circ \tau_r$. + Es folgt $\sigma=\tau_{l,\sigma(l)}^{-1}\circ \sigma^{-1}=\tau_{l,\sigma(l)}\circ \tau_1\circ ... \circ \tau_r$. +\end{proof} + +\begin{definition}[Fehlstand, Vorzeichen] + Sei $\sigma\in S_n$. + \begin{itemize} + \item Ein \begriff{Fehlstand} von $\sigma$ ist ein Paar $(i,j)$ mit $1\le i\sigma(j)$. + \item Das \begriff{Vorzeichen} (oder \begriff{Signum}) von $\sigma$ ist $\sgn(\sigma)=(-1)^{f(\sigma)}\in \{-1,1\}$, wobei $f(\sigma)$ die + Anzahl der Fehlstände von $\sigma$ ist. + \item Man nennt $\sigma$ \begriff[Vorzeichen!]{gerade}, wenn $\sgn(\sigma)=1$, sonst \begriff[Vorzeichen!]{ungerade}. + \end{itemize} +\end{definition} + +\begin{example} + \proplbl{4_1_5} + \begin{itemize} + \item Genau dann hat $\sigma$ keine Fehlstände, wenn $\sigma=\id$. Insbesondere $\sgn(\id)=1$. + \item Die Permutation + \begin{align} + \sigma=\begin{pmatrix}1 & 2 & 3\\2 & 3 & 1\\\end{pmatrix}\notag + \end{align} hat die Fehlstände $(1,3)$ und $(2,3)$, somit + $\sgn(\sigma)=1$. + \item Die Transposition + \begin{align} + \tau_{13}=\begin{pmatrix}1 & 2 & 3\\3 & 2 & 1\\\end{pmatrix}\notag + \end{align} hat die Fehlstände $(1,2)$, $(2,3)$ und + $(3,1)$, somit $\sgn(\tau_{13})=-1$. + \item Eine Transposition $\tau_{ij}\in S_n$ ist ungerade: Ist $i\sigma(j)} \sigma(j)-\sigma(i)=(-1)^{f(\sigma)}\cdot \prod_{i=triangle 45,x=1cm,y=1cm, scale=0.6] + \clip(-10.24,-7.15) rectangle (10.24,7.15); + \fill[line width=1pt,color=zzttqq,fill=zzttqq,fill opacity=0.10000000149011612] (-7.8,-4.49) -- (-4.66,2.77) -- (1.02,-3.37) -- cycle; + \draw [shift={(-7.8,-4.49)},line width=1pt,color=qqwuqq,fill=qqwuqq,fill opacity=0.10000000149011612] (0,0) -- (0:5.6) arc (0:7.236922025968005:5.6) -- cycle; + \draw [shift={(-7.8,-4.49)},line width=1pt,color=qqwuqq,fill=qqwuqq,fill opacity=0.45] (0,0) -- (0:3.6) arc (0:66.61118515369776:3.6) -- cycle; + \draw [line width=1pt] (-7.8,-6.15) -- (-7.8,5.15); + \draw [line width=1pt,domain=-9.24:7.24] plot(\x,{(-46.8756-0*\x)/10.44}); + \draw [-latex,line width=1pt] (-7.8,-4.49) -- (-4.66,2.77); + \draw [-latex,line width=1pt] (-7.8,-4.49) -- (1.02,-3.37); + \draw [-latex,line width=1pt] (1.02,-3.37) -- (4.16,3.89); + \draw [-latex,line width=1pt] (-4.66,2.77) -- (4.16,3.89); + \draw [line width=1pt,color=zzttqq] (-7.8,-4.49)-- (-4.66,2.77); + \draw [line width=1pt,color=zzttqq] (-4.66,2.77)-- (1.02,-3.37); + \draw [line width=1pt,color=zzttqq] (1.02,-3.37)-- (-7.8,-4.49); + \draw [line width=1pt,color=qqqqff] (-7.8,-4.49)-- (1.02,-3.37); + \draw [line width=1pt,color=qqqqff] (-4.66,2.77)-- (-3.5966674931812537,-3.9562434911976196); + \begin{scriptsize} + \draw[color=ududff] (-3.78,3.6) node {$x_2 = (c,a)$}; + \draw[color=ududff] (2.5,-3.14) node {$x_1 = (a,b)$}; + \draw[color=ududff] (5.2,4.32) node {$x_1 + x_2$}; + \draw[color=zzttqq] (-3.42,-1.46) node {$\Delta$}; + \draw[color=qqqqff] (-3.28,-4.2) node {$g_{\Delta}$}; + \draw[color=qqqqff] (-3.38,-0.4) node {$h_{\Delta}$}; + \draw[color=qqwuqq] (-3,-4.82) node {$\alpha_1$}; + \draw[color=qqwuqq] (-4.74,-1.84) node {$\alpha_2$}; + \end{scriptsize} + \end{tikzpicture}\end{center} + Parallelogramm hat die Fläche $|\det A|$. Polarkoordianten: $x_i=\lambda_i(\cos a_i, \sin a_i)$. Ohne Einschränkung: $0\le a_1 \le a_2 + \le \pi$ + \begin{align} + F_{P} &= 2\cdot F_{\Delta} = 2\cdot \frac 1 2 \cdot g_{\Delta} \cdot h_{\Delta} \notag \\ + g_{\Delta} &= \lambda_1 \notag \\ + h_{\Delta} &= \lambda_2 \cdot \sin(a_2-a_1) \notag \\ + F_{P} &= \lambda_1\lambda_2(\cos a_1 \sin a_2 - \sin a_1 \cos a_2) = \det(\begin{pmatrix}\lambda_1 \cos a_1 & + \lambda_1 \sin a_1 \\ \lambda_2 \cos a_2 & \lambda_2 \sin a_2 \end{pmatrix}) \notag \\ + &= \det A \notag + \end{align} + Insbesondere erfüllt $\det$ die folgenden Eigenschaften: + \begin{itemize} + \item Für $\lambda\in R$ ist $\det(\lambda x_1,x_2)=\det(x_1,\lambda x_2)=\lambda\cdot \det(x_1,x_2)$ + \item Für $x_i=x'_i+x''_i$ ist $\det(x_1,x_2)=\det(x'_1,x_2) + \det(x''_1,x_2)$ + \item Ist $x_1=x_2$, so ist $\det A=0$ + \item $\det(1_2)=1$ + \end{itemize} +\end{remark} + +\begin{definition}[Determinantenabbildung] + Eine Abbildung $\delta:\Mat_n(R)\to R$ heißt \begriff{Determinantenabbildung}, wenn gilt: \\ + (D1): $\delta$ ist linear in jeder Zeile: sind $a_1,...,a_n$ die Zeilen von $A$ und ist $i\in \{1,...,n\}$ und $a_i=\lambda'a'_i + + \lambda''a''_i$ mit $\lambda',\lambda''\in R$ und den Zeilenvektoren $a'_i,a''_i$, so ist $\delta(A)=\lambda'\cdot \delta(a_1,..., + a'_i,...,a_n) + \lambda''\cdot \det(a_1,...,a''_i,...,a_n)$. \\ + (D2): $\delta$ ist alternierend: sind $a_1,...,a_n$ die Zeilen von $A$ und $i,j\in \{1,...,n\}$, $i\neq j$ mit $a_i=a_j$, so ist + $\delta(A)=0$. \\ + (D3): $\delta$ ist normiert: $\delta(\mathbbm{1}_n)=1$. +\end{definition} + +\begin{example} + Sei $\delta:\Mat_n(K)\to K$ eine Determinantenabbildung. Ist $A\in \Mat_n(K)$ nicht invertierbar, so sind die Zeilen + $a_1,...,a_n$ von $A$ linear abhängig, es gibt also ein $i$ mit $a_i=\sum_{j\neq i} \lambda_j\cdot a_j$. Es folgt $\delta(A)= + \delta(a_1,...,a_n)=\sum_{j\neq i} \lambda_j\cdot \delta(a_1,...,a_j,...,a_n)$ mit $a_i=a_j$ mit D2: $\sum_{j\neq i} + \lambda_j\cdot 0=0=\delta(A)$. +\end{example} + +\begin{lemma} + Erfüllt $\delta:\Mat_n(R) \to R$ die Axiome D1 und D2, so gilt für jedes $\sigma\in S_n$ und die Zeilenvektoren + $a_1,...,a_n$: + \begin{align} + \delta(a_{\sigma(1)},...,a_{\sigma(n)})=\sgn(\sigma)\cdot \delta(a_1,...,a_n)\notag + \end{align} +\end{lemma} +\textit{Beweis: \\ + $\sigma$ ist ein Produkt von Transpositionen. Es genügt also die Behauptung für $\sigma=\tau_{ij}$ mit $1\le i