\section{Matrizen} Sei $K$ ein Körper. \begin{definition}[Matrix] Seien $m,n \in \mathbb N_0$. Eine $m\times n$-\begriff{Matrix} über $K$ ist ein rechteckiges Schema: \begin{align} \begin{pmatrix} a_{11} & ... & a_{1n}\\ ... & & ...\\ a_{m1} & ... & a_{mn}\\ \end{pmatrix}\notag \end{align} Man schreibt dies auch als $A=(a_{ij})_{i=1,...,n \; j=1,...,m}$ oder $A=(a_{ij})_{i,j}$, wenn $m$ und $n$ aus dem Kontext hervorgehen. Die $a_{ij}$ heißen die \begriff[Matrix!]{Koeffizienten} der Matrix $A$ und wir definieren $A_{i,j}= a_{ij}$. Die Menge der $m\times n$-Matrizen über $K$ wird mit $\Mat_{m\times n}(K)$ oder $K^{m\times n}$ bezeichnet. Man nennt das Paar $(m,n)$ auch den \begriff[Matrix!]{Typ} von $A$. Ist $m=n$, so spricht man von \begriff[Matrix!]{quadratisch}en Matrizen und schreibt $\Mat_n(K)$. Zu einer Matrix $A=(a_{ij}) \in \Mat_{m\times n}(K)$ definiert man die zu $A$ \begriff[Matrix!]{transponierte Matrix} $A^t := (a_{ij})_{j,i} \in \Mat_{n\times m}(K)$. \end{definition} \begin{mathematica}[Matrizen] Matrizen werden in Mathematica bzw. WolframAlpha folgendermaßen dargestellt: \begin{align} &\begin{pmatrix}1&2&3\\4&5&6\\7&8&9\end{pmatrix}\notag \\ \Rightarrow&\Big\lbrace\texttt{\{1,2,3\},\{4,5,6\},\{7,8,9\}}\Big\rbrace\notag \end{align} Wenn Mathematica als Ergebnis eine Matrix ausgibt, so lässt sich diese als Zeile schlecht lesen. Mit dem Suffix \texttt{//MatrixForm} lässt sich der Output als Matrix formatieren: \begin{align} &\texttt{\{\{1,2,3\},\{4,5,6\},\{7,8,9\}\}*3 //MatrixForm}\notag \\ \Rightarrow&\begin{pmatrix}3&6&9\\12&15&18\\21&24&27\end{pmatrix}\notag \end{align} \end{mathematica} \begin{example} \begin{itemize} \item Die \begriff{Nullmatrix} ist $0=(0)_{i,j} \in \Mat_{m\times n}(K)$. \item Für $k,l \in \{1,...,n\}$ ist die $(k,l)$-\begriff{Basismatrix} gegeben durch $E_{kl}=(\delta_{jk}\delta_{jl})\in \Mat_{m\times n}(K)$. \item Die \begriff{Einheitsmatrix} ist $\mathbbm{1}_n=(\delta_{ii})\in \Mat_n(K)$. \item Für $a_i,...,a_n \in K$ definiert man eine \begriff{Diagonalmatrix} $\diag(a_1,...,a_n)=(\delta_{ij}\cdot a_i)$. \item Für eine Permutation $\sigma\in S_n$ definiert man die \begriff{Permutationsmatrix} $P_\sigma := (\delta_{\sigma (i),j})$. \item Für $a_1,...,a_n$ definiert man einen \begriff{Zeilenvektor} $(a_1,...,a_n)\in \Mat_{1\times n}(K)$ bzw. einen \begriff{Spaltenvektor} $(a_1,...,a_n)^t$. \end{itemize} \end{example} \begin{definition}[Addition und Skalarmultiplikation] Seien $A=(a_{ij})$ und $B=(b_{ij})$ desselben Typs und $\lambda \in K$. Man definiert auf $\Mat_{m\times n}(K)$ eine koeffizientenweise \begriff[Matrix!]{Addition} und \begriff[Matrix!]{Skalarmultiplikation}. \end{definition} \begin{mathematica}[Matrizenoperationen] Die komponentenweise Addition bzw. Skalarmultiplikation von Matrizen $A$ und $B$ lässt sich in Mathematica bzw. WolframAlpha folgendermaßen realisieren: \begin{align} \texttt{A+B}\notag \\ \texttt{A*B}\notag \end{align} \end{mathematica} \begin{proposition} \proplbl{3_1_4} $(\Mat_{m\times n},+,\cdot)$ ist ein $K$-Vektorraum der Dimension $\dim_K(\Mat_{m\times n})=n\cdot m$ mit Basismatrix als Basis. \end{proposition} \begin{proof} Dies ist klar, weil wir $\Mat_{m\times n}$ mit dem Standardraum $K^{mn}$ identifizieren können. Wir haben die Elemente nur als $m\times n$-Matrix statt als $mn$-Tupel geschrieben. \end{proof} \begin{definition}[Matrizenmultiplikation] Seien $m,n,r \in \mathbb N_0$. Sind $A=(a_{ij})\in \Mat_{m\times n}(K)$, $B=(b_{jk})\in \Mat_{n\times r}(K)$ so definieren wir die \begriff[Matrix!]{Matrizenmultiplikation} $C=AB$ als die Matrix $C=(c_{ik})\in \Mat_{m\times r}(K)$ mit $c_{ik}=\sum_{j=1}^n a_{ij}\cdot b_{jk}$. Kurz geschrieben "'Zeile $\cdot$ Spalte"'. \end{definition} \begin{mathematica}[Matrizenmultiplikation] Die Matrizenmultiplikation in Mathematica und WolframAlpha für Matrizen $A$ und $B$ geht so: \begin{align} \texttt{A.B}\text{ oder }\texttt{Dot[A,B]}\notag \end{align} \end{mathematica} \begin{example} \proplbl{3_1_6} \begin{itemize} \item Für $A\in \Mat_n(K)$ ist $0\cdot A=0$ und $1\cdot A=A$. \item Für $\sigma \in S_n$ und $A\in \Mat_{n\times r}(K)$ geht $P_{\sigma}\cdot A$ aus $A$ durch Permutation der Zeilen hervor. \end{itemize} \end{example} \begin{lemma} \proplbl{3_1_7} Für $m,n,r \in \mathbb N_0$ und $A=(a_{ij})\in \Mat_{m\times n}(K)$, $B=(b_{jk})\in \Mat_ {n\times r}(K)$ und $\lambda\in K$ gilt: \begin{align} A(\lambda B)=(\lambda A)B=\lambda(AB)\notag \end{align} \end{lemma} \begin{proof} Schreibe $A=(a_{ij})$, $B=(b_{jk})$. Dann ist $A(\lambda B)=\sum_{j=1}^n a_{ij}\cdot \lambda b_{jk}=\sum _{j=1}^n \lambda a_{ij} \cdot b_{jk}=(\lambda A)B=\lambda \cdot \sum_{j=1}^n a_{ij}b_{jk}=\lambda (AB)$. \end{proof} \begin{lemma} \proplbl{3_1_8} Matrizenmultiplikation ist assoziativ: \begin{align} A(BC)=(AB)C\notag \end{align} \end{lemma} \begin{proof} Sei $D=BC\in \Mat_{n\times s}(K)$, $E=AB \in \Mat_{m\times r}(K)$. Schreibe $A=(a_{ij})$ usw. Für $i,l$ ist $(AD)= \sum_{j=1}^n a_{ij}d_{jl}=\sum_{j=1}^n a_{ij}\cdot \sum_{k=1}^r b_{jk}c_{kl}=\sum _{j=1}^n \sum_{k=1}^n a_{ij}b_{jk}c_{kl}$. \\ $(EC)=\sum_{k=1}^n e_{ik}c_{kl}=\sum_{k=1}^r \sum_{j=1}^n a_{ij}b_{jk}c_{kl}$. Also ist $AD=EC$. \end{proof} \begin{lemma} \proplbl{3_1_9} Für $m,n,r\in \mathbb N_0$ und $A,A'\in \Mat_{m\times n}(K)$, $B,B'\in \Mat_{n\times r}(K)$ ist \begin{align} (A+A')B&=AB+A'B\notag \\ A(B'+B)&=AB'+AB\notag \end{align} \end{lemma} \begin{proof} Schreibe $A=(a_{ij})$ etc. Dann ist $(A+A')B=\sum_{j=1}^n (a_{ij}+a'{ij})b_{jk}=\sum_{j=1}^n a_{ij}+b_{jk} + \sum_{j=1}^n a'_{ij}+b_{jk}=(AB+A'B)$. Rest analog. \end{proof} \begin{proposition} Mit der Matrizenmultiplikation wird $\Mat_n(K)$ zu einem Ring mit Einselement $1$. \end{proposition} \begin{proof} Nach \propref{3_1_4}, \propref{3_1_8} und \propref{3_1_9} ist $\Mat_n(K)$ ein Ring und dass $\mathbbm{1}_n$ ein neutrales Element ist, haben wir schon in \propref{3_1_6} gesehen \end{proof} \begin{example} \begin{itemize} \item Für $n=1$ können wir dem Ring $\Mat_n(K)$ mit $K$ identifizieren, der Ring ist also ein Körper, insbesondere ist er kommutativ. \item Für $n\ge 2$ ist $\Mat_n(K)$ nicht kommutativ. \end{itemize} \end{example} \begin{definition}[invertierbar] Eine Matrix $A\in \Mat_n(K)$ heißt \begriff[Matrix!]{invertierbar} oder \begriff[Matrix!]{regulär}, wenn sie im Ring $\Mat_n(K)$ invertierbar ist, sonst \begriff[Matrix!]{singulär}. Die Gruppe $\GL_n(K)=\Mat_n(K)^{\times}$ der invertierbaren $n\times n$ -Matrizen heißt \begriff{allgemeine Gruppe}. \end{definition} \begin{mathematica}[Matizen invertieren] Das Inverse einer Matrix $A$ in Mathematica bzw. WolframAlpha lässt sich mit der Funktion \begin{align} \texttt{Inverse[A]}\notag \end{align} berechnen. \end{mathematica} \begin{example} \proplbl{3_1_13} Sei $n=2$. Zu \begin{align} A=\begin{pmatrix}a & b\\c & d\\\end{pmatrix} \in \Mat_2(K)\notag \end{align} definiert man \begin{align} \tilde A= \begin{pmatrix}d & -b\\-c & a\\\end{pmatrix}\in \Mat_2(K)\notag \end{align} Man prüft nach, dass $A\cdot \tilde A=\tilde A\cdot A= (ad-bc)\cdot \mathbbm{1}_2$. Definiert man nun $\det(A)=ad-bc$ so sieht man: Ist $\det(A)\neq 0$, so ist $A$ invertierbar mit $A^{-1}=\det(A)^{-1}\cdot \tilde A$. Ist $\det(A)=0$ so $A$ ist Nullteiler und somit nicht invertierbar (\propref{1_4_13}). Mehr dazu in Kapitel IV. \end{example} \begin{lemma} \proplbl{3_1_14} Für $A,A_1,A_2\in \Mat_{m\times n}(K)$ und $B=\Mat_{n\times r}(K)$ ist \begin{itemize} \item $(A^t)^t=A$ \item $(A_1+A_2)^t=A_1^t + A_2^t$ \item $(AB)^t=B^tA^t$ \end{itemize} \end{lemma} \begin{proof} Übung \end{proof} \begin{proposition} \proplbl{3_1_15} Für $A\in \GL_n(K)$ ist $A^t\in \GL_n(K)$ und $(A^{-1})^t = (A^t)^{-1}$ \end{proposition} \begin{proof} Aus $AA^{-1}=1$ folgt nach \propref{3_1_14}, dass $(A^{-1})^tA^t=\mathbbm{1}_n^t=\mathbbm{1}_n$. Somit ist $(A^{-1})^t$ das Inverse zu $A^t$. \end{proof}