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\usepackage{enumerate}
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\usepackage{tikz}
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\usetikzlibrary{matrix}
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\usepackage{mdframed}
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\usepackage{xcolor}
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\title{\textbf{Lineare Algebra 1. Semester (WS2017/18)}}
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\author{Dozent: Prof. Dr. Arno Fehm}
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@ -138,11 +140,11 @@
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\textbf{Beispiel: leere Menge} \\
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Es gibt genau eine Menge, die keine Elemente hat, die leere Menge $0 := \{\}$.
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Teilmenge:} Sind $X$ und $Y$ zwei Mengen, so heißt $X$ eine Teilmenge von
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$Y$, wenn jedes Element von $X$ auch Element von $Y$ ist, dass heißt wenn für alle
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$x$ $(x \in X \Rightarrow x \in Y)$ gilt.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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Da eine Menge durch ihre Elemente bestimmt ist, gilt $X = Y \Rightarrow (X \subset Y)\land
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(Y \subset X)$. Will man Mengengleichheit beweisen, so gen\"ugt es, die beiden Inklusionen
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@ -152,7 +154,7 @@
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Ist $X$ eine Menge und $P(x)$ ein Pr\"adikat, so bezeichnet man mit $Y:= \{x \in X \mid
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P(x)\}$ die Teilmenge von $X$, die das Pr\"adikat $P(x)$ erf\"ullen. \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Mengenoperationen:} Seien $X$ und $Y$ Mengen. Man definiert daraus
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weitere Mengen wie folgt:
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\begin{compactitem}
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@ -162,7 +164,7 @@
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\item $X \times Y := \{(x,y) \mid x \in X \land y \in Y\}$
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\item $\mathcal P(X) := \{Y \mid Y \subset X\}$
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\end{compactitem}
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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Neben den offensichtlichen Mengengesetzen, wie dem Kommutaivgesetz, gibt es auch weniger
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offensichtliche Gesetze, wie die Gesetze von de Morgan: F\"ur $X_1, X_2 \subset X$ gilt:
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@ -237,14 +239,14 @@
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\item bijektiv: injektiv und surjektiv
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\end{compactitem}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Einschr\"ankung:} Sei $f: x \mapsto y$ eine Abbildung. F\"ur $A \subset X$
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definiert man die Einschr\"ankung/Restrikton von $f$ auf $A$ als die Abbildung $f \mid_A
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A \to Y, a \mapsto f(a)$. \\
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Das Bild von $A$ unter $f$ ist $f(A) := \{f(a): a \in A\}$. \\
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Das Urbild einer Menge $B \subset Y$ unter $f$ ist $f^{-1} := \{x \in X: f(x) \in B\}$. \\
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Man nennt $Image(f) := f(X)$ das Bild von $f$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkungen zur abstrakteren Betrachtungsweise:} \\
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Man ordnet der Abbildung $f: X \to Y$ auch die Abbildungen $\mathcal P(X) \to \mathcal P(Y)$ und
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@ -259,22 +261,22 @@
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Genau dann ist $f: X \to Y \begin{cases} $injektiv$ \\ $surjektiv$ \\ $bijektiv$ \end{cases}$, wenn
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$|f^{-1}(\{y\})| = \begin{cases} \le 1 \\ \ge 1 \\ =1 \end{cases} \quad \forall y \in Y$ \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Komposition:} Sind $f: X \to Y$ und $g: Y \to Z$ Abbildungen, so ist die
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Komposition $g \circ f$ die Abbildung $g \circ f := X \to Z, x \mapsto g(f(x))$. Man kann
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die Komposition auffassen als eine Abbildung $\circ: Abb(Y,Z) \times Abb(X,Y) \to Abb(X,Z)$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\textbf{Satz:} Die Abbildung von Kompositionen ist assotiativ, d.h. es gilt: $h \circ (g
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\circ f) = (h \circ g)\circ f$.
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\end{framed}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Umkehrabbildung:} Ist $f: X \to Y$ bijektiv, so gibt es zu jedem $y \in Y$
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genau ein $x_y \in X$ mit $f(x_y)=y$, durch $f^{-1}: Y \to X, y \mapsto x_y$ wird also eine
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Abbildung definiert, die Umkehrabbildung zu $f$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\textbf{Satz:} Ist die Abbildung $f: X \to Y$ bijektiv, so gilt $f^{-1} \circ f = id_x$ und
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@ -286,7 +288,7 @@
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$f^{-1}: \mathcal P(X) \to \mathcal P(Y)$ existiert f\"ur jede Abbildung $f: X \to Y$, aber die
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Umkehrabbildung $f^{-1}: Y \to X$ existiert nur f\"ur bijektive Abbildungen $f: X \to Y$. \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Familie:} Seien $I$ und $X$ Mengen. Eine Abbildung $x: I \to X, i \mapsto
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x_i$ nennt man Familie von Elementen von $X$ mit einer Indexmenge I (oder I-Tupel von
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Elementen von $X$) und schreibt diese auch als $(x_i)_{i \in I}$. Im Fall $I=\{1,2,...,n\}$
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@ -298,14 +300,14 @@
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\item $\prod X_i = \{f \in Abb(I,X) \mid \forall i \in I(f(i) \in X_i)\}$
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\end{compactitem}
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Die Elemente von $\prod X_i$ schreibt man in der Regel als Familien $(x_i)_{i \in I}$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Beispiel: } Eine Folge ist eine Familie $(x_i)_{i \in I}$ mit der Indexmenge $\mathbb N_0$.
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Graph:} Der Graph einer Abbildung $f: X \to Y$ ist die Menge $\Gamma f:
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\{(x,y) \in X \times Y \mid y=f(x)\}$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkung: Formal korrekte Definition einer Abbildung:} \\
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Eine Abbildung $f$ ist ein Tripel $(X,Y,\Gamma)$, wobei $\Gamma \subset X \times Y \quad \forall
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@ -314,7 +316,7 @@
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\Gamma_f$.
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\subsection{Gruppen}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Gruppe:} Sei $G$ eine Menge. Eine (innere, zweistellige) Verkn\"upfung
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auf $G$ ist eine Abbildung $*: G \times G \to G, (x,y) \mapsto x*y$. Das Paar $(G,*)$ ist eine
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Halbgruppe, wenn das folgende Axiom erf\"ullt ist: \\
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@ -322,7 +324,7 @@
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Eine Halbgruppe $(G,*)$ ist ein Monoid, wenn zus\"atzlich das folgende Axiom gilt: \\
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(G2) Es gibt ein Element $e \in G$, welches f\"ur alle $x \in G$ die Gleichung $x*e=e*x=x$
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erf\"ullt. Dieses Element hei{\ss}t dann neutrales Element der Verkn\"upfung $*$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Beispiele:} \\
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\begin{compactitem}
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@ -340,13 +342,13 @@
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Element.
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\end{framed}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition abelsche Gruppe:} Eine Gruppe ist ein Monoid $(G,*)$ mit dem neutralen Element
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$e$, in dem zus\"atzlich das folgende Axiom gilt: \\
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(G3) F\"ur jedes $x \in G$ gibt es ein $x' \in G$ mit $x'*x=x*x'=e$. \\
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Gilt weiterhin \\
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(G4) F\"ur alle $x,y \in G$ gilt $x*y=y*x$, so hei{\ss}t diese Gruppel abelsch.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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Ein $x'$ hei{\ss}t inverses Element zu $x$. \\
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$\newline$
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@ -450,12 +452,12 @@
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\end{tabular}
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\end{center}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Untergruppe:} Eine Untergruppe einer Gruppe $(G,\cdot)$ ist eine
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nichtleere Teilmenge $H \subset G$, f\"ur die gilt: \\
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(UG1) F\"ur alle $x,y \in H$ ist $x \cdot y \in H$ (Abgeschlossenheit unter Multiplikation). \\
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||||
(UG2) F\"ur alle $x \in H$ ist $x^{-1} \in H$ (Abgeschlossenheit unter Inversen).
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\textbf{Satz:} Sei $(G,\cdot)$ eine Gruppe und $\emptyset \neq H \subset G$. Genau dann ist
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@ -522,13 +524,13 @@
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enhalten.} \\
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$\newline$
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition erzeugte Untergruppe:} Ist $G$ eine Gruppe und $X \le G$, so nennt man diese
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kleinste Untergruppe von $G$, die $X$ enth\"alt, die von $X$ erzeugte Untergruppe von $G$ und
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bezeichnet diese mit $<X>$, falls $X = \{x_1,x_2,...,x_n\}$ enth\"alt auch mit $<x_1,x_2,
|
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...,x_n>$. Gibt es eine endliche Menge $X \subset G$ mit $G=<X>$, so nennt man $G$ endlich
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erzeugt.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Beispiele:}
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\begin{compactitem}
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@ -540,7 +542,7 @@
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\end{compactitem}
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\subsection{Ringe}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Ring:} Ein Ring ist ein Tripel $(R,+,\cdot)$ bestehend aus einer Menge
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$R$, einer Verkn\"upfung $+: R \times R \to R$ (Addition) und einer anderen Verkn\"upfung
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$\cdot: R \times R \to R$ (Multiplikation), sodass diese zusammen die folgenden Axiome
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@ -552,7 +554,7 @@
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Ein neutrales Element der Multiplikation hei{\ss}t Einselement von $R$.\\
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Ein Unterrrig eines Rings $(R,+,\cdot)$ ist eine Teilmenge, die mit der geeigneten
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Einschr\"ankung von Addition und Multiplikation wieder ein Ring ist.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkungen:} \\
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Hat ein Ring ein Einselement, so ist dieses eindeutig bestimmt. Notationelle Konfektionen: Das
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@ -583,10 +585,10 @@
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Wir f\"uhren eine wichtige Klasse endlicher Ringe ein. Hierf\"ur erinnern wir uns an eine der Grundlagen
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der Arithmetik in $\mathbb{Z}$. \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Theorem:} Sei $b \neq 0 \in \mathbb{Z}$. F\"ur jedes $a \in \mathbb{Z}$ gibt es
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eindeutig bestimmte $q,r \in \mathbb{Z}$ ($r$ ist "Rest"), mit $a=qb+r$ und $0 \le r < |b|$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textit{Beweis: Existenz und Eindeutigkeit \\
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Existenz: oBdA nehmen wir an, dass $b>0$ (denn ist $a=qb+r$, so ist auch $a=(-q)(-b)+r$). Sei $q \in
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\mathbb{Z}$ die gr\"o{\ss}te Zahl mit $q \le \frac{a}{b}$, und sei $r=a-qb \in \mathbb{Z}$. Dann ist
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@ -656,23 +658,23 @@
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\end{tabular}
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\end{center}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Charakteristik:} Sei $R$ ein Ring mit Einselement. Man definiert die Charakteristik von
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$R$ als die kleinste nat\"urliche Zahl $n$ mit $1+1+...+1=0$, falls so ein $n$ existiert, andernfalls
|
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ist die Charakteristik $0$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Nullteiler:} Sei $R$ ein Ring mit Einselement. Ein $0 \neq x \in R$ ist ein Nullteiler von
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$R$, wenn er ein $0 \neq y \in R$ mit $xy=0$ oder $yx=0$ gibt. Ein Ring ohne Nullteiler ist
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nullteilerfrei.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Einheit:} Sei $R$ ein Ring mit Einselement. Ein $x \in R$ hei{\ss}t invertierbar (oder
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Einheit von $R$), wenn es ein $x' \in R$ mit $xx'=x'x=1$ gibt. Wir bezeichnen die invertierten
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Elemente von $R$ mit $R^{\times}$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Beispiele:}\\
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\begin{compactitem}
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@ -704,10 +706,10 @@
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$\newline$
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\subsection{K\"orper}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition K\"orper:} Ein K\"orper ist ein kommutativer Ring $(K,+,\cdot)$ mit Einselement
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$1 \neq 0$, in dem jedes Element $x \neq x \in K$ invertierbar ist.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkungen:} Ein K\"orper ist stets nullteilerfrei und $(K\backslash\{0\}, \cdot)$ ist eine abelsche
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Gruppe. Ein k\"orper ist also ein Tripel $(K,+,\cdot)$ bestehend aus einer Menge $K$ und 2 Verkn\"upfungen
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@ -719,11 +721,11 @@
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\textbf{Bemerkungen:} Sei $K$ ein K\"orper und $a,x,y \in K$. Ist $ax=ay$ und $a \neq 0$, so ist $x=y$. \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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||||
\textbf{Definition Teilk\"orper:} Ein Teilk\"orper eines K\"orpers $(K,+,\cdot)$ ist die Teilemenge $L
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||||
\subset K$, die mit der geeigneten Einschr\"ankung von Addition und Multiplikation wieder ein
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K\"orper ist.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Beispiele:}
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\begin{compactitem}
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@ -791,10 +793,10 @@
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Dies motiviert die folgende pr\"azise Definition f\"ur den Ring der Polynome \"uber $R$ in einer "'Unbestimmten"'
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$x$.
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Polynom:} Sei $R[X]$ die Menge der Folgen in $R$, die fast \"uberall 0 sind, also
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$R[X]:=\{(a_k)_{k \in \mathbb N_0} \mid \forall k(a_k \in R) \land \exists n_0: \forall k>n_0(a_k=0)\}$.
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||||
\end{framed}
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\end{mdframed}
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Wir definieren Addition und Multiplikation auf $R[X]$:
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\begin{compactitem}
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@ -846,10 +848,10 @@
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und $g_m\neq 0$ schon $f_ng_m\neq 0$, und somit $deg(h)=n+m$.
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\end{compactitem}}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Theorem (Polynomdivision):} Sei $K$ ein K\"orper und sei $0 \neq g \in K[X]$. F\"ur jedes Polynom
|
||||
$f \in K[X]$ gibt es eindeutig bestimmte $g,h,r \in K[X]$ mit $f=gh+r$ und $deg(r)<deg(g)$.
|
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\end{framed}
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||||
\end{mdframed}
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||||
\textit{Beweis: Existenz und Eindeutigkeit\\
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Existenz: Sei $n=deg(f)$, $m=deg(g)$, $f=\sum \limits_{k=0}^{n} a_kX^k$, $g=\sum \limits_{k=0}^{m} b_kX^k$ \\
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Induktion nach $n$ bei festem $g$. \\
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@ -869,13 +871,13 @@
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\textbf{Beispiel:} in $\mathbb Q[X]$: $(x^3+x^2+1):(x^2+1)=x+1$ Rest $-x$ \\
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\begin{framed}
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||||
\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
|
||||
\textbf{Definition Nullstelle:} Sei $f(X)=\sum \limits_{k \ge 0} a_kX^k \in \mathbb R[X]$. F\"ur $\lambda \in
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\mathbb R$ definiert man die Auswertung von $f$ in $\lambda$ $f(\lambda)=\sum \limits_{k \ge 0} a_k\lambda^k
|
||||
\in \mathbb R$. Das Polynom $f$ liefert auf diese Weise eine Abbildung $\tilde f: \mathbb R \to \mathbb R$ und
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||||
$\lambda \mapsto f(\lambda)$. \\
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||||
Ein $\lambda \in \mathbb R$ $f(\lambda)=0$ ist eine Nullstelle von $f$.
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||||
\end{framed}
|
||||
\end{mdframed}
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\begin{framed}
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||||
\textbf{Lemma:} F\"ur $f,g \in \mathbb R[X]$ und $\lambda \in \mathbb R$i ist $(f+g)(\lambda)=f(\lambda)+
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@ -945,14 +947,14 @@
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$2 \Rightarrow 1:$ Sei $f \in K[X]$ mit $n=deg(f)>0$. Damit gilt $f(X)=a\cdot \prod \limits_{i=1}^n (X-\lambda_i)$.
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Da $n>0$, hat $f$ z.B. die Nullstelle $\lambda_1$.}
|
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\begin{framed}
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||||
\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
|
||||
\textbf{Definition algebraisch abgeschlossen:} Ein Körper $K$ heißt algebraisch abgeschlossen, wenn er eine
|
||||
der äquivalenten Bedingungen erfüllt.
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||||
\end{framed}
|
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\end{mdframed}
|
||||
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||||
\begin{framed}
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||||
\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
|
||||
\textbf{Theorem (Fundamentalsatz der Algebra):} Der Körper $\mathbb C$ ist algebraisch abgeschlossen.
|
||||
\end{framed}
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||||
\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkung:} Wir werden das Theorem zwar benutzen, aber nicht beweisen.
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@ -963,7 +965,7 @@
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\{(a,b,c) | a,b,c \in \mathbb R\}$ eine geometrische Anschauung, nämlich den euklidischen Raum. Welche algebraische
|
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Struktur können wir hierauf sinnvollerweise definieren? \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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||||
\textbf{Definition $K$-Vektorraum:} Ein $K$-Vektorraum (auch Vektorraum über $K$) ist ein Tripel $(V,+,\cdot)$
|
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bestehend aus einer Menge $V$, einer Verknüpfung $+: V \times V \to V$, genannt Addition, und einer Abbildung
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$\cdot: K \times V \to V$, genannt Skalarmultiplikation, für die gelten: \\
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@ -975,7 +977,7 @@
|
|||
\item $\lambda(\mu\cdot x)=(\lambda\cdot\mu)\cdot x$
|
||||
\item $1\cdot x = x$
|
||||
\end{compactitem}
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||||
\end{framed}
|
||||
\end{mdframed}
|
||||
|
||||
\textbf{Bemerkung:} Wir haben sowohl im Körper $K$ als auch im Vektorraum $V$ eine Addition definiert, die wir mit
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||||
dem selben Symbol $+$ notieren. Ebenso benutzen wir das Symbol $\cdot$ sowohl für die Multiplikation im Körper $K$
|
||||
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@ -1028,12 +1030,12 @@
|
|||
$X=\{1,2,...,n\}$ erhält man den Standardraum $K^n$.
|
||||
\end{compactitem}
|
||||
|
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Untervektorraum:} Sei $V$ ein $K$-VR. Ein Untervektorraum (UVR) von $V$ ist eine nichtleere
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Teilmenge $W \subset V$ mit: \\
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(UV1): Für $x,y \in W$ ist $x+y\in W$. \\
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(UV2): Für $x \in W$ und $\lambda \in K$ ist $\lambda\cdot x\in W$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\textbf{Satz:} Sei $V$ ein $K$-VR und $W \subset V$. Genau dann ist $W$ ein UVR von $V$, wenn $W$ mit geeigneter
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@ -1086,17 +1088,17 @@
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\textit{Beweis: \\ Sei $\mathcal V$ die Menge aller UVR von $X$, die $X$ enthalten. Sei $W=\bigcap \mathcal V$. Damit ist
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$W$ ein UVR von $V$ der $X$ enthält.}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Erzeugendensystem:} Ist $V$ ein $K$-VR und $X\subset V$, so nennt man den kleinsten UVR von
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$V$, der $X$ enthält den von $X$ erzeugten UVR von $V$ und bezeichnet diesen mit $<X>$. Eine Mengen $X\subset V$
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mit $<X>=V$ heißt Erzeugendensystem von $V$. Der VR $V$ heißt endlich erzeugt, wenn er ein endliches Erzeugendensystem
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besitzt.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\subsection{Linearkombination und lineare Abhängigkeit}
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Sei $V$ ein $K$-VR.
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Linearkombination:}
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\begin{compactitem}
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\item Sei $n \in \mathbb N_0$. Ein $x \in V$ ist eine Linearkombination eines n-Tupels $(x_1,...,x_n)$ von
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@ -1107,7 +1109,7 @@
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\item Die Menge aller $x \in V$, die Linearkombination von $\mathcal F=(x_i)$ sind, wird mit $span_K(\mathcal F)$
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bezeichnet.
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\end{compactitem}
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkungen:}
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\begin{compactitem}
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@ -1166,7 +1168,7 @@
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|||
$\mathbb C$ ist $span_{\mathbb C}(1)=\mathbb C\cdot 1=\mathbb C$
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\end{compactitem}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition linear (un)abhängig:}
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\begin{compactitem}
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\item Sei $n\in \mathbb N_0$. Ein $n$-Tupel $(x_1,...,x_n)$ von Elementen von $V$ ist linear abhängig, wenn es
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@ -1176,7 +1178,7 @@
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|||
verschiedene $i_1,...,i_n \in I$ gibt, für die $(x_{i_1},...,x_{i_n})$ linear abhängig ist. Andernfalls linear
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unabhängig.
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\end{compactitem}
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkungen:}
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\begin{compactitem}
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@ -1247,11 +1249,11 @@
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\end{compactitem}
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\subsection{Basis und Dimension}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Basis:} Eine Familie $(x_i)$ von Elementen von $V$ ist eine Basis von $V$, wenn gilt: \\
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(B1): Die Familie ist linear unabhängig. \\
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(B2): Die Familie erzeugt $V$, also $span_K(x_i) = V$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkung:} Kurz gesagt ist eine Basis ein linear unabhängiges Erzeugendensystem. \\
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@ -1296,11 +1298,11 @@
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|||
muss $\lambda \neq 0$ sein, woraus der Widerspruch $x=\lambda^{-1}\cdot\sum\limits_{i \in I} \lambda_i\cdot x_i
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\in span_K(x_i)$. Somit ist $B$ ein Erzeugendensystem.} \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Theorem (Basisauswahlsatz):} Jedes endliche Erzeugendensystem von $V$ besitzt eine Basis als
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Teilfamilie: Ist $(x_i)$ ein endliches Erzeugendensystem von $V$, so gibt es eine Teilmenge $J\subset I$,
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für die $(x_i)_{i\in J}$ eine Basis von $V$ ist.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textit{Beweis: \\
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Sei $(x_i)$ ein endliches Erzeugendensystem von $V$. Definiere $\mathcal J:=\{J \subset I \mid (x_i)_{i\in J}\;
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||||
\text{J ist Erzeugendensystem von }V\}$. Da $I$ endlich ist, ist auch $\mathcal J$ endlich. Da $(x_i)$
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||||
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@ -1323,11 +1325,11 @@
|
|||
LAAG 2. Semester.
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\end{compactitem}
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||||
\begin{framed}
|
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{(Austausch-)Lemma:} Sei $B=(x_1,...,x_n)$ eine Basis von $V$. Sind $\lambda_1,...,\lambda_n \in K$ und
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$y=\sum\limits_{i=1}^n \lambda_i\cdot x_i$, so ist für jedes $j\in \{1,2,...,n\}$ mit $\lambda_j\neq 0$ auch
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$B'=(x_1,...,x_{j-1},y,x_{j+1},...,x_n)$ eine Basis von $V$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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||||
\textit{Beweis: \\
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o.B.d.A. sei $j=1$, also $B'=(y,x_2,...,x_n)$. Wegen $\lambda_1\neq 0$ ist $x_1=\lambda_1^{-1}\cdot y - \sum
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||||
\limits_{i=2}^n \lambda_i\cdot x_i \in span_K(y,x_2,...,x_n)$ und somit ist $B'$ ein Erzeugendensystem. Sind
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||||
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@ -1337,11 +1339,11 @@
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|||
\lambda_1=0$, $\mu_1\cdot \lambda_2 + \mu_2 =0$, ..., $\mu_1\cdot\lambda_n + \mu_n=0$. Wegen $\lambda_1\neq 0$ folgt
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$\mu_1=0$ und daraus $\mu_i=0$. Folglich ist $B'$ linear unabhängig.} \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Theorem (Steinitz'scher Austauschsatz):} Sei $B=(x_1,...,x_n)$ eine Basis von $V$ und $\mathcal F=(y_1,...
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,y_r)$ eine linear unabhängige Familie in $V$. Dann ist $r\le n$ und es gibt $i_1,...,i_{n-r} \in \{1,...,n\}$, für
|
||||
die $B'=(y_1,...,y_r,x_{i_1},...,x_{i_{n-r}})$ eine Basis von $V$ ist.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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||||
\textit{Beweis: Induktion nach $r$\\
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Für $r=0$ ist nichts zu zeigen. \\
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Sei nun $r\ge 1$ und gelte die Aussage für $(y_1,...,y_{r-1})$. Insbesondere ist $r-1\le n$ und es gibt $i_1,..,
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@ -1374,10 +1376,10 @@
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\textit{Beweis: \\
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Besitzt $V$ eine endliche Basis, so folgt deshalb die Behauptung aus dem vorherigen Korollar.} \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Dimension:} Ist $V$ endlich erzeugt, so ist die Dimension des VR $V$ die Mächtigkeit $dim_K(V)$
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||||
einer Basis von $V$. Anderfalls sagt man, dass $V$ unendliche Dimensionen hat und schreibt $dim_K(V)= \infty$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Beispiele:}
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\begin{compactitem}
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@ -1414,10 +1416,10 @@
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\subsection{Summen von Vektorräumen}
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Sei $V$ ein $K$-VR und $(W_i)$ eine Familie von UVR von $V$.
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Summe von VR:} Die Summe der $W_i$ ist der UVR $\sum\limits_{i\in I} W_i := span_K(\bigcup W_i)$.
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Im Fall $I=\{1,...,n\}$ schreibt man auch $W_1+...+W_n$ für $\sum\limits_{i=1}^n W_i$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\textbf{Lemma:} Es ist $\sum\limits_{i\in I} W_i = \{\sum\limits_{i\in I} x_i \mid x_i\in W_i\text{, fast alle
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@ -1429,11 +1431,11 @@
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Für $x_i,x'_i \in W$, fast alle gleich 0 und $\lambda \in K$ ist $\sum x_i + \sum x'_i = \sum (x_i+x'_i)$, $\lambda
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\cdot \sum x_i = \sum \lambda\cdot x_i$ $\to$ UVR}\\
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\begin{framed}
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||||
\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition direkte Summe:} Ist jedes $x\in \sum W_i$ eindeutig als Summe von $x_i$ mit $x_i\in W_i$
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||||
darstellbar, so sagt man, dass $\sum W_i$ die direkte Summe der UVR $W_i$ ist und schreibt $\oplus W_i$ für
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||||
$\sum W_i$. Im Fall $I=\{1,...,n\}$ schreibt man auch $W_1\oplus W_2 \oplus ... \oplus W_n$ für $\oplus W_i$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Beispiel:} Ist $(x_1,...,x_n)$ eine Basis von $V$, so ist $V=Kx_1\oplus ... \oplus Kx_n$. \\
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$\newline$
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@ -1476,10 +1478,10 @@
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\textbf{Bemerkung:} Ist $dim_K(V)<\infty$, so folgt aus $W_1\cap W_2=\{0\}$ also insbesondere $dim_K(W_1+W_2)=
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||||
dim_K(W_1)+dim_K(W_2)$. \\
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||||
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||||
\begin{framed}
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||||
\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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||||
\textbf{Theorem (Dimensionsformel):} Sei $dim_K(V)<\infty$. Für UVR $W_1,W_2$ von $V$ gilt: $dim_K(W_1+W_2) +
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||||
dim_K(W_1 \cap W_2) = dim_K(W_1) + dim_K(W_2)$.
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||||
\end{framed}
|
||||
\end{mdframed}
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||||
\textit{Beweis: \\
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Da $dim_K(V)<\infty$ haben alle UVR von $V$ Basen. Sei also $B_0=(X_1,...,x_n)$ eine Basis von $W_1\cap W_2$. Nach
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||||
dem Basisergänzungssatz können wir $B_0$ zu den Basen $B_1=(x_1,...,x_n,y_1,...,y_p)$ von $W_1$ und $B_2=(x_1,...,
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||||
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@ -1492,16 +1494,16 @@
|
|||
Somit ist $B$ linear unabhängig. Wir haben gezeigt, dass $B$ eine Basis von $W_1+W_2$ ist. \\
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||||
$\Rightarrow dim_K(W_1)+dim_K(W_2)=|B_1|+|B_2|=(n+p)+(n-q)=(n+p+q)+n=|B|+|B_0|=dim_K(W_1+W_2)+dim_K(W_1\cap W_2)$.}\\
|
||||
|
||||
\begin{framed}
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||||
\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition (externes) Produkt:} Das (externe) Produkt einer Familie $(V_i)$ von $K$-VR ist der $K$-VR
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||||
$\prod V_i$ bestehend aus dem kartesischen Produkt der $V_i$ mit komponentenweiser Addition und
|
||||
Skalarmultiplikation, $(x_i)+(x'_i) := (x_i+x'_i)$ und $\lambda(x_i) := (\lambda x_i).$
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||||
\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
|
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\textbf{Definition (externe) Summe:} Die (externe) Summe einer Familie $(V_i)$ von $K$-VR ist der UVR
|
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$\oplus V_i := \{(x_i) \in \prod V_i \mid x_i=0 \text{; für fast alle }i\}$ des $K$-VR $\prod V_i$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkung:} Man prüft sofort nach, dass $\prod V_i$ ein $K$-VR ist und $\oplus V_i$ ein UVR davon ist. Für
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endliche Indexmengen ist $\prod V_i = \oplus V_i$, z.B. $K^n = \prod\limits_{i=1}^n K = \oplus K$. \\
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@ -1518,7 +1520,7 @@
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\section{Lineare Abbildungen}
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Sei $K$ ein Körper.
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\subsection{Matrizen}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Matrix:} Seien $m,n \in \mathbb N_0$. Eine $m\times n$-Matrix über $K$ ist ein rechteckiges
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Schema:
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\begin{center}
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@ -1534,7 +1536,7 @@
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|||
bezeichnet. Man nennt das Paar $(m,n)$ auch den Typ von $A$. Ist $m=n$, so spricht man von quadratischen
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||||
Matrizen und schreibt $Mat_n(K)$. Zu einer Matrix $A=(a_{ij}) \in Mat_{m\times n}(K)$ definiert man die zu $A$
|
||||
transponierte Matrix $A^t := (a_{ij})_{j,i} \in Mat_{n\times m}(K)$.
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||||
\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Beispiele:}
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\begin{compactitem}
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@ -1549,10 +1551,10 @@
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Spaltenvektor $(a_1,...,a_n)^t$.
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\end{compactitem}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Addition und Skalarmultiplikation:} Seien $A=(a_{ij})$ und $B=(b_{ij})$ desselben Typs und
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||||
$\lambda \in K$. Man definiert auf $Mat_{m\times n}(K)$ eine koeffizientenweise Addition und Skalarmultiplikation.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\textbf{Satz:} $(Mat_{m\times n},+,\cdot)$ ist ein $K$-VR der Dimension $dim_K(Mat_{m\times n})=n\cdot m$ mit
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@ -1562,11 +1564,11 @@
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|||
Dies ist klar, weil wir $Mat_{m\times n}$ mit dem Standardraum $K^{mn}$ identifizieren können. Wir haben die
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Elemente nur als $m\times n$-Matrix statt als $mn$-Tupel geschrieben.} \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Matrizenmultiplikation:} Seien $m,n,r \in \mathbb N_0$. Sind $A=(a_{ij})\in Mat_{m\times n}(K)$,
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$B=(b_{jk})\in Mat_{n\times r}(K)$ so definieren wir $C=AB$ als die Matrix $C=(c_{ik})\in Mat_{m\times r}(K)$ mit
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$c_{ik}=\sum\limits_{j=1}^n a_{ij}\cdot b_{jk}$. Kurz geschrieben "'Zeile $\cdot$ Spalte"'.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Beispiele:}
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\begin{compactitem}
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@ -1616,11 +1618,11 @@
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\item Für $n\ge 2$ ist $Mat_n(K)$ nicht kommutativ.
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\end{compactitem}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition invertierbar:} Eine Matrix $A\in Mat_n(K)$ heißt invertierbar oder regulär, wenn sie im Ring
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$Mat_n(K)$ invertierbar ist, sonst singulär. Die Gruppe $GL_n(K)=Mat_n(K)^{\times}$ der invertierbaren $n\times n$
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-Matrizen heißt allgemeine Gruppe.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Beispiel:} Sei $n=2$. Zu $A=\begin{pmatrix}a & b\\c & d\\\end{pmatrix} \in Mat_2(K)$ definiert man $\tilde A=
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\begin{pmatrix}d & -b\\-c & a\\\end{pmatrix}\in Mat_2(K)$. Man prüft nach, dass $A\cdot \tilde A=\tilde A\cdot A=
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@ -1647,11 +1649,11 @@
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\subsection{Homomorphismen von Gruppen}
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Seien $G,H$ zwei multiplikativ geschriebene Gruppen. \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Gruppenhomomorphismus:} Eine Abbildung $f: G \to H$ ist ein Gruppenhomomorphismus, wenn gilt: \\
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(GH): $f(xy)=f(x)\cdot f(y)$ \\
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Die Menge der Homomorphismen $f:G\to H$ bezeichnet man mit $Hom(G,H)$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkung:} Ein Gruppenhomomorphismus ist also eine Abbildung, welche mit der Verknüpfung, also der Struktur
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der Gruppe, verträglich ist. Man beachte: für additiv geschriebe Gruppen lautet die Bedingung: $f(x+y)=f(x)+f(y)$. \\
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@ -1755,10 +1757,10 @@
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(\mathbb R,\cdot)$.
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\end{compactitem}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Kern:} Der Kern eines Gruppenhomomorphismus $f:G\to H$ ist $Ker(f):= f^{-1}(\{1\})=\{x\in G \mid
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f(x)=1_H\}$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\textbf{Lemma:} Ist $f:G\to H$ ein Homomorphismus, so ist $N:=Ker(f)$ eine Untergruppe von $G$ mit $x\cdot y\cdot
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@ -1777,15 +1779,15 @@
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Rückrichtung: Sei $N=\{1_G\}$. Sind $x,y\in G$ mir $f(x)=f(y)$, so ist $1=(f(x))^{-1}\cdot f(y)=f(x^{-1}\cdot y)$,
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||||
also $x^{-1}\cdot y\in N=\{1\}$ und somit $x=y$. Folglich ist $f$ injetiv.} \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Normalteiler:} Ist $N\le G$ mit $x^{-1}y\in N$ für alle $x\in G$ und $y\in N$, so nennt man $N$
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einen Normalteiler von $G$ und schreibt $N\vartriangleleft G$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\subsection{Homomorphismen von Ringen}
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Seien $R,S$ und $T$ Ringe.
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Ringhomomorphismus:} Eine Abbildung $f:R\to S$ ist ein Ringhomomorphismus, wenn für $x,y\in R$
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gilt: \\
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(RH1:) $f(x+y)=f(x)+f(y)$ \\
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@ -1794,7 +1796,7 @@
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Mono-, Epi- oder Isomorphismus, wenn $f$ injektiv, surjektiv oder bijektiv ist. Gibt es einen Isomorphismus
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$f:R\to S$, so nennt man $R$ und $S$ isomorph und schreibt $R\cong S$. Die Elemente von $End(R):= Hom(R,R)$ nennt
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man Endomorphismen. Der Kern eines Ringhomorphismus $f:R\to S$ ist $Ker(f):= f^{-1}(\{0\})$.
|
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\end{framed}
|
||||
\end{mdframed}
|
||||
|
||||
\textbf{Bemerkung:} Ein Ringhomomorphismus $f:R\to S$ ist ein Gruppenhomomorphismus der abelschen Gruppen $(R,+)$ und
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||||
$(S,+)$, der mit der Multiplikation verträglich ist, also eine strukturverträgliche Abbildung zwischen Ringen. \\
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@ -1844,10 +1846,10 @@
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\textit{Beweis: \\
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Die Aussage folgt aus dem entsprechenden Satz für Gruppen, da $f:(R,+)\to (S,+)$ ein Gruppenhomomorphismus ist.} \\
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\begin{framed}
|
||||
\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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||||
\textbf{Definition Ideal:} Ist $I$ eine Untergruppe von $(R,+)$ und $xa,ax\in I$ mit $x\in R$ und $a\in I$, so nennt
|
||||
man $I$ ein Ideal von $R$ und schreibt $I\vartriangleleft R$.
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||||
\end{framed}
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||||
\end{mdframed}
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\textbf{Beispiel:} Der Kern des Ringhomomorphismus $\mathbb Z\to \mathbb Z\backslash n\mathbb Z$ mit $a\mapsto
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\overline a$ ist das Ideal $I=n\mathbb Z\vartriangleleft \mathbb Z$.
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@ -1855,7 +1857,7 @@
|
|||
\subsection{Homomorphismen von Vektorräumen}
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Seien $U,V,W$ drei $K$-VR. \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition $K$-linear:} Eine Abbildung $f: V \to W$ heißt $K$-linearer Homomorphismus von $K$-VR, wenn für
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alle $x,y\in V$ und $\lambda\in K$ gilt: \\
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(L1): $f(x+y)=f(x)+f(y)$ \\
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@ -1865,7 +1867,7 @@
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falls $f$ injektiv, surjektiv bzw. bijektiv ist. Einen Endomorphismus der auch ein Isomorphismus ist, nennt man
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Automorphismus von $V$ und bezeichnet die Menge der Automorphismen von $V$ mit $Aut_K(V)$. Der Kern einer linearen
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Abbildung $f: V\to W$ ist $Ker(f):= f^{-1}(\{0\})$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\textbf{Bemerkung:} Eine $K$-lineare Abbildung $f: V\to W$ ist also ein Homomorphismus der abelschen Gruppen $(V,+)
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\to(W,+)$, der mit der Skalarmultiplikation verträglich ist, d.h. eine strukturverträgliche Abbildung zwischen VR. \\
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@ -2022,11 +2024,11 @@
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$K^n$ für $n=dim_K(V)$.
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\end{framed}
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Koordinatensystem:} Die Abbildung $\Phi_B$ heißt Koordinatensystem zu $B$. Für $v\in V$ ist
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$(x_1,...,x_n)^t=\Phi^{-1}_B(v)\in K^n$ der Koordinatenvekor zu $v$ bezüglich $B$ und $(x_1,...,x_n)$ sind die
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Koordinaten von $v$ bezüglich $B$.
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\end{framed}
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\end{mdframed}
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\begin{framed}
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\textbf{Satz:} Die Menge $Hom_K(V,W)$ ist eine UVR des $K$-VR $Abb(V,W)$.
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@ -2097,11 +2099,11 @@
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\subsection{Koordinatendarstellung linearer Abbildungen}
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Seien $V,W$ endlichdimensionale $K$-VR mit den Basen $B=(x_1,...,x_n)$ und $C=(y_1,...,y_m)$.
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition darstellende Matrix:} Sei $f\in Hom_K(V,W)$. Für $j=1,...,n$ schreiben wir $f(x_j)=\sum\limits_{
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i=1}^m a_{ij}y_i$ mit eindeutig bestimmten $a_{ij}\in K$. Die Matrix $M_C^B(f)=(a_{ij})\in Mat_{m\times n}(K)$
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heißt die darstellende Matrix von $f$ bezüglich der Basen $B$ und $C$.
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\begin{framed}
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\textbf{Satz:} Sei $f\in Hom_K(V,W)$. Die darstellende Matrix $M_C^B(f)$ ist die eindeutig bestimmte Matrix $A\in
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@ -2179,10 +2181,10 @@
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\textit{Beweis: \\
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Die vorherigen Korollare und das Lemma.} \\
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\begin{framed}
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\begin{mdframed}[backgroundcolor=blue!20]
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\textbf{Definition Transformationsmatrix:} Sind $B$ und $B'$ Basen von $V$, so nennt man $T_{B'}^B:=M_{B'}^B(id_V)\in
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GL_n(K)$ die Transformationsmatrix des Basiswechsels von $B$ nach $B'$.
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\textbf{Bemerkung:} Nach dem letzen Satz ist $T_{B'}^B$, also die Matrix $A$, die $f_A=\Phi_B^{-1}\circ \Phi_B$
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erfüllt. Ist $x=\Phi_B^{-1}(v)\in K^n$ der Koordinatenvektor von $v$ bezüglich $B$, so ist $T_{B'}^B\cdot
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