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Sei V ein endlich dimensionaler Vektorraum und α ∈ End(V ) bez¨ uglich der Basis A = (v

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Academic year: 2021

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(1)

Aufgabe 16

Sei V ein endlich dimensionaler Vektorraum und α ∈ End(V ) bez¨ uglich der Basis A = (v

1

, v

2

) beschrieben durch die Matrix M (α, A) =

3 1 1 4

. Es sei B = (w

1

, w

2

) eine Basis von V mit w

1

= 3v

1

+ 2v

2

und w

2

= 4v

1

+ 3v

2

. Geben Sie die Darstellungsmatrix M (α, B) an.

L¨ osung. Die Situation wird durch das folgende Diagramm beschrieben

V

B M(B,A)

//

M(α,B)

V

A M(α,A)

V

B

M(B,A)

// V

A

Damit gilt also

M (α, B) = M (A, B) · M (α, A) · M (B, A).

Aus w

1

= 3v

1

+ 2v

2

und w

2

= 4v

1

+ 3v

2

ergibt sich sofort die Basiswechselmatrix M (B, A), die die Koordinaten eines Vektors bez¨ uglich B in Koordinaten bez¨ uglich A ¨ uberf¨ uhrt:

M (B, A) =

3 4 2 3

.

Invertieren von M (B, A) (siehe (1)) liefert

(M (B, A))

−1

= M (A, B) = 1 det M (B, A)

3 −4

−2 3

=

3 −4

−2 3

.

Somit gilt

M (α, B) = M (A, B) · M (α, A) · M (B, A)

=

3 −4

−2 3

·

3 1 1 4

·

3 4 2 3

=

−11 −19

11 18

.

Bemerkungen:

• Das obige Diagramm verallgemeinert die Situation aus der Vorlesung: Wir nehmen keinen Bezug mehr auf die Standardbasis, sondern auf eine beliebige Basis A.

• F¨ ur eine invertierbare (2 × 2)-Matrix

A =

a b c d

gilt

A

−1

= 1 ad − bc

d −b

−c a

. (1)

Aufgabe 17

Sei ϕ : R

3

→ R

3

definiert durch ϕ(x, y, z) := (y, 2x − z, x). Was ist die Matrix von ϕ bez¨ uglich der Basis

b

1

= (1, −1, 0), b

2

= (0, −1, 1), b

3

= (0, 0, 1)?

L¨ osung. Diese Aufgabe ist eine Variation der Aufgabe 16. Gegeben sei ϕ : R

3

→ R

3

definiert durch ϕ((x, y, z)) = (y, 2x − z, x). Die Darstellungsmatrix M (ϕ, A) bez¨ uglich einer nicht n¨ aher spezifizierten Basis A = (a

1

, a

2

, a

3

) ist dann gegeben durch

M (ϕ, A) =

0 1 0

2 0 −1

1 0 0

 ,

(2)

denn

M (ϕ, A)

 x y z

 =

 y 2x − z

x

 . Gesucht ist nun M (ϕ, B) mit der Basis B = (b

1

, b

2

, b

3

) gegeben durch

b

1

=

 1

−1 0

 , b

2

=

 0

−1 1

 und b

3

=

 0 0 1

 .

Die Situation wird durch das folgende Diagramm beschrieben

R

3A M(A,B)

//

M(ϕ,A)

R

3B M(ϕ,B)

R

3AM(A,B)

// R

3B

Es gilt daher

M (ϕ, B) = M (A, B) · M (ϕ, A) · M (B, A).

Die Basiswechselmatrix M (A, B) ist in diesem Fall leicht ermittelt. Es gilt

 1 0 0

 = 1 ·

 1

−1 0

 + (−1) ·

 0

−1 1

 + 1 ·

 0 0 1

 0 1 0

 = 0 ·

 1

−1 0

 + (−1) ·

 0

−1 1

 + 1 ·

 0 0 1

 0 0 1

 = 0 ·

 1

−1 0

 + 0 ·

 0

−1 1

 + 1 ·

 0 0 1

 .

Somit gilt

M (A, B) =

1 0 0

−1 −1 0

1 1 1

 . Die Spalten von M (B, A) sind die Vektoren (b

1

, b

2

, b

3

). Es gilt

M (B, A) =

1 0 0

−1 −1 0

0 1 1

 .

Insgesamt erhalten wir also

M (ϕ, B) =

1 0 0

−1 −1 0

1 1 1

 ·

0 1 0

2 0 −1

1 0 0

 ·

1 0 0

−1 −1 0

0 1 1

 =

−1 −1 0

−1 2 1 2 −2 −1

 .

Alternativ: Wir berechnen die Bilder von b

1

, b

2

und b

3

, also ϕ(b

1

), ϕ(b

2

) und ϕ(b

3

), und stellen diese als Linearkombination von b

1

, b

2

und b

3

dar. Wir erhalten

ϕ(b

1

) =

−1 2 1

 , ϕ(b

2

) =

−1

−1 0

 und ϕ(b

3

) =

 0

−1 0

 .

2

(3)

Gesucht sind λ

1

, λ

2

, λ

3

mit

λ

1

b

1

+ λ

2

b

2

+ λ

3

b

3

= ϕ(b

1

), zu l¨ osen ist das inhomogene LGS

1 0 0 −1

−1 −1 0 2

0 1 1 1

 .

Wir f¨ uhren dieselben Rechenoperationen aus, um geeignete Koeffizienten f¨ ur ϕ(b

2

) und ϕ(b

3

) zu finden. Daher k¨ onnen wir die 3 inhomogenen LGSe simultan l¨ osen:

1 0 0 −1 −1 0

−1 −1 0 2 −1 −1

0 1 1 1 0 0

II→I+II

1 0 0 −1 −1 0

0 −1 0 1 −2 −1

0 1 1 1 0 0

III→II+III

1 0 0 −1 −1 0

0 −1 0 1 −2 −1

0 0 1 2 −2 −1

II→(−1)·II

1 0 0 −1 −1 0

0 1 0 −1 2 1

0 0 1 2 −2 −1

 .

Ergo

M (ϕ, B) =

−1 −1 0

−1 2 1 2 −2 −1

 .

3

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