Pokazać, że wyżej zdefiniowana struktura algebraiczna jest przestrzenią wektorową nad ciałem

Podobne dokumenty
Zestaw zadań 5: Sumy i sumy proste podprzestrzeni. Baza i wymiar. Rzędy macierzy. Struktura zbioru rozwiązań układu równań.

Zestaw zadań 4: Przestrzenie wektorowe i podprzestrzenie. Liniowa niezależność. Sumy i sumy proste podprzestrzeni.

. : a 1,..., a n F. . a n Wówczas (F n, F, +, ) jest przestrzenią liniową, gdzie + oraz są działaniami zdefiniowanymi wzorami:

Przestrzenie liniowe

3 1 + i 1 i i 1 2i 2. Wyznaczyć macierze spełniające własność komutacji: [A, X] = B

3 Przestrzenie liniowe

1 Działania na zbiorach

Wykład 4 Udowodnimy teraz, że jeśli U, W są podprzetrzeniami skończenie wymiarowej przestrzeni V to zachodzi wzór: dim(u + W ) = dim U + dim W dim(u

Algebra liniowa. 1. Macierze.

Kombinacje liniowe wektorów.

1 Zbiory i działania na zbiorach.

1.1 Definicja. 1.2 Przykład. 1.3 Definicja. Niech G oznacza dowolny, niepusty zbiór.

Analiza funkcjonalna 1.

Pokazać, że wyżej zdefiniowana struktura algebraiczna jest przestrzenią wektorową nad ciałem

14. Przestrzenie liniowe

R n = {(x 1, x 2,..., x n ): x i R, i {1,2,...,n} },

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

Podstawowe struktury algebraiczne

Zadania egzaminacyjne

Zadania z algebry liniowej - sem. I Przestrzenie liniowe, bazy, rząd macierzy

Przestrzenie wektorowe

Lista. Algebra z Geometrią Analityczną. Zadanie 1 Przypomnij definicję grupy, które z podanych struktur są grupami:

Grupy, pierścienie i ciała

Zadania z Algebry liniowej 3 semestr zimowy 2008/2009

1. Liczby zespolone i

5. Algebra działania, grupy, grupy permutacji, pierścienie, ciała, pierścień wielomianów.

Algebra liniowa z geometrią

DB Algebra liniowa 1 semestr letni 2018

Met Me ody numer yczne Wykład ykład Dr inż. Mic hał ha Łanc Łan zon Instyt Ins ut Elektr Elektr echn iki echn i Elektrot Elektr echn olo echn

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

DB Algebra liniowa semestr zimowy 2018

Jak łatwo zauważyć, zbiór form symetrycznych (podobnie antysymetrycznych) stanowi podprzestrzeń przestrzeni L(V, V, K). Oznaczamy ją Sym(V ).

Zestaw zadań 14: Wektory i wartości własne. ) =

Macierz o wymiarach m n. a 21. a 22. A =

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

B jest liniowo niezależny V = lin (B) 1. Układ pusty jest bazą przestrzeni trywialnej {θ}. a i v i = i I. b i v i, (a i b i ) v i = θ.

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn a 1j a 2j R i = , C j =

(4) W zbiorze R R definiujemy działania i wzorami. (a, b) (c, d) =(a + c, b + d),

Zadania z Algebry liniowej 4 Semestr letni 2009

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

1 Elementy logiki i teorii mnogości

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

Wyk lad 6 Podprzestrzenie przestrzeni liniowych

ALGEBRA LINIOWA Z GEOMETRIĄ, LISTA ZADAŃ NR 8

Układy równań liniowych

1 Formy hermitowskie. GAL (Informatyka) Wykład - formy hermitowskie. Paweł Bechler

Lista. Algebra z Geometrią Analityczną. Zadanie 1 Zapisz za pomocą spójników logicznych i kwantyfikatorów: x jest większe niż 6 lub mniejsze niż 4

Ciała i wielomiany 1. przez 1, i nazywamy jedynką, zaś element odwrotny do a 0 względem działania oznaczamy przez a 1, i nazywamy odwrotnością a);

Wektory i wartości własne

Informacja o przestrzeniach Hilberta

Matematyka z el. statystyki, # 1 /Geodezja i kartografia I/

Formy kwadratowe. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 14. wykład z algebry liniowej Warszawa, styczeń 2017

1 Macierze i wyznaczniki

Algebra z Geometrią Analityczną. { x + 2y = 5 x y = 9. 4x + 5y 3z = 9, 2x + 4y 3z = 1. { 2x + 3y + z = 5 4x + 5y 3z = 9 7 1,

1 Działania na zbiorach

Wyk lad 11 1 Wektory i wartości w lasne

Wektory i wartości własne

020 Liczby rzeczywiste

Przestrzenie liniowe

S n = a 1 1 qn,gdyq 1

9 Przekształcenia liniowe

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

Przestrzenie liniowe

Informatyka Stosowana. a b c d a a b c d b b d a c c c a d b d d c b a

3. Wykład Układy równań liniowych.

Podstawowe struktury algebraiczne

Rozdział 5. Macierze. a 11 a a 1m a 21 a a 2m... a n1 a n2... a nm

1. Wykład NWD, NWW i algorytm Euklidesa.

Układy równań i nierówności liniowych

cx cx 1,cx 2,cx 3,...,cx n. Przykład 4, 5

15. Macierze. Definicja Macierzy. Definicja Delty Kroneckera. Definicja Macierzy Kwadratowej. Definicja Macierzy Jednostkowej

Układy równań i równania wyższych rzędów

Lista. Przestrzenie liniowe. Zadanie 1 Sprawdź, czy (V, +, ) jest przestrzenią liniową nadr :

RACHUNEK MACIERZOWY. METODY OBLICZENIOWE Budownictwo, studia I stopnia, semestr 6. Instytut L-5, Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska

Przestrzeń liniowa. Algebra. Aleksander Denisiuk

4 Przekształcenia liniowe

Chcąc wyróżnić jedno z działań, piszemy np. (, ) i mówimy, że działanie wprowadza w STRUKTURĘ ALGEBRAICZNĄ lub, że (, ) jest SYSTEMEM ALGEBRAICZNYM.

Matematyka dyskretna. 1. Relacje

Definicja1.2.Niech Abędzieniepustymzbiorem,a i działaniamiwa. (1)Mówimy,że jestłączne,jeżeli. x,y,z A[x (y z) = (x y) z].

IMIĘ NAZWISKO... grupa C... sala Egzamin ELiTM I

Algebra liniowa z geometria. - zadania Rok akademicki 2010/2011

macierze jednostkowe (identyczności) macierze diagonalne, które na przekątnej mają same

Algebra liniowa II. Lista 1. 1 u w 0 1 v 0 0 1

Uwaga 1. Zbiory skończone są równoliczne wtedy i tylko wtedy, gdy mają tyle samo elementów.

Skończone rozszerzenia ciał

Matematyka liczby zespolone. Wykład 1

Zbiory, relacje i funkcje

Równoliczność zbiorów

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

Wyk lad 7 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Finanse i Rachunkowość studia niestacjonarne Wprowadzenie do teorii ciągów liczbowych (treść wykładu z 21 grudnia 2014)

G. Plebanek, MIARA I CAŁKA Zadania do rozdziału 1 28

ALGEBRA LINIOWA. Wykład 2. Analityka gospodarcza, sem. 1. Wydział Zarządzania i Ekonomii Politechnika Gdańska

Układy równań liniowych, macierze, Google

Definicja macierzy Typy i właściwości macierzy Działania na macierzach Wyznacznik macierzy Macierz odwrotna Normy macierzy RACHUNEK MACIERZOWY

Pierścień wielomianów jednej zmiennej

1 Przestrzeń liniowa. α 1 x α k x k = 0

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

Transkrypt:

Zestaw zadań 9: Przestrzenie wektorowe. Podprzestrzenie () Wykazać, że V = C ze zwykłym dodawaniem jako dodawaniem wektorów i operacją mnożenia przez skalar : C C C, (z, v) z v := z v jest przestrzenią liniową nad ciałem liczb zespolonych C. (2) Niech V będzie zbiorem liczb rzeczywistych dodatnich, a dodawanie wektorów niech będzie mnożeniem liczb. Operację mnożenia przez liczby rzeczywiste określimy następująco: : R V V, (a, v) v a Wykazać, że wyżej opisana struktura algebraiczna jest przestrzenią liniową nad ciałem liczb rzeczywistych R. (3) Niech K będzie dowolnym ciałem oraz niech V = K (zbiór wszystkich nieskończonych ciągów elementów ciała K). Określmy działania dodawania wektorów oraz mnożenia wektorów przez skalary z ciała K następująco: [a, a 2,...] + [b, b 2,...] : = [a + b, a 2 + b 2,...], a [a, a 2,...] : = [aa, aa 2,...]. Pokazać, że wyżej zdefiniowana struktura algebraiczna jest przestrzenią wektorową nad ciałem K. (4) Niech A będzie niepustym zbiorem oraz niech K będzie dowolnym ciałem. Oznaczmy symbolem K A zbiór wszystkich funkcji A K. Sumą funkcji f : A K oraz funkcji g : A K nazywamy funkcję f + g : A K taką, że (f + g)(a) = f(a) + g(a) dla każdego a A. Iloczynem funkcji f : A K przez skalar x z ciała K nazywamy funkcję xf : A K taką, że (xf)(a) = xf(a) dla każdego a A. Pokazać, że tak zdefiniowana struktura algebraiczna jest przestrzenią liniową nad ciałem K. (5) Oznaczmy symbolem K[X] zbiór wszystkich wielomianów zmiennej X o współczynnikach z ciała K. Sprawdzić, że z działaniami dodawania wielomianów i mnożenia wielomianu przez elementy ciała K, zbiór K[X] jest przestrzenią wektorową nad ciałem K. (6) Oznaczmy symbolem K(X) zbiór wszystkich funkcji wymiernych zmiennej X o wspóczynnikach z ciała K. Sprawdzić, że z działaniami dodawania funkcji wymiernych i mnożenia funkcji wymiernej przez element ciała K zbiór K(X) jest przestrzenią wektorow nad ciałem K. (7) Macierzą 2 o m wierszach i n kolumnach nad ciałem K nazywamy układ (prostokątną tabliczkę) mn elementów ciała K (które nazywamy elementami albo współczynnikami macierzy) ułożonych w m wierszach i w n kolumnach. Element macierzy oznaczamy podając numer wiersza i numer kolumny, w których się on znajduje. W macierzach zmiennych na ogół elementy oznaczamy tą samą literą z numerem wiersza i numerem kolumny jako indeksami. Macierze zapisujemy w Pojęcie przestrzeni wektorowej (przestrzeni liniowej) aksjomatycznie zdefiniował Hermann Günter Grassmann (5 IV 89, Szczecin - 26 IX 96, Szczecin), jako podsumowanie doświadczeń matematyków przynajmniej od czasów Gaussa. 2 Pojęcie macierzy wprowadzili angielscy matematycy: William Rowan Hamilton (85-865), Arthur Cayley (82-895) i John J. Sylvester (84-897) w latach 4-tych XIX w.

2 nawiasie kwadratowym. Na przykład dla n = m = 2 równość [ ] 2 [a ij ] = 3 4 oznacza, że a =, a 2 = 2, a 2 = 3, a 22 = 4. Zbiór wszystkich macierzy o m wierszach i n kolumnach nad ciałem K oznaczamy symbolem Kn m. Sumą macierzy A = [a ij ] i macierzy B = [b ij ] nazywamy macierz A + B taką, że A + B = [c ij ] wtedy i tylko wtedy, gdy dla każdych i, j zachodzi równość c ij = a ij + b ij. Iloczynem macierzy A = [a ij] przez element a ciała K nazywamy macierz aa tak, że aa = [c ij ] wtedy i tylko wtedy, gdy dla każdych i, j zachodzi równość c ij = aa ij. Wykazać, że Kn m z działaniami dodawania macierzy i mnożenia macierzy przez element ciała K jest przestrzenią wektorową nad K. (8) Macierz S = [s ij ] Kn n nazywamy macierzą symetryczną, gdy jej elementy s ij spełniają warunki: s ij = s ji dla każdych i, j. Macierz A = [a ij ] Kn n nazywamy macierzą antysymetryczną, gdy jej elementy a ij spełniają warunki: a ij = a ji dla każdych i, j. Sprawdzić, że każdy ze zbiorów: zbiór S n wszystkich macierzy symetrycznych należcych do Kn n i zbiór A n wszystkich macierzy antysymetrycznych należcych do Kn, n z działaniami dodawania macierzy i mnożenia macierzy przez skalar, jest przestrzenią wektorow nad ciałem K. (9) Niech A będzie dowolnym zbiorem, a P (A) niech będzie zbiorem wszystkich jego podzbiorów. Działanie dodawania w zbiorze P (A) definiujemy następująco: B C = (B\C) (C\B). Mnożenie elementów P (A) przez elementy ciała Z 2 definiujemy w oczywisty sposób: B =, B = B. Sprawdzenie łączności działania jest dość kłopotliwe. (a) Zakładając, że działanie jest łączne, sprawdzić, że spełnione są również pozostałe aksjomaty przestrzeni liniowej. (b) Wykazać łączność działania. () Jaki warunek musi spełniać dodawanie w grupie addytywnej A, żeby mnożenie elementów tej grupy przez elementy ciała Z 2 zdefiniowane następująco: a =, a = a było rozdzielne względem dodawania? () Niech V = C 4, U = {(z, z 2, z 3, z 4 ) V : z = z 2 = }. Wektory dodawać będziemy w zwykły sposób natomiast mnożenie przez skalary definiujemy na cztery różne sposoby: a) zα = θ dla z C oraz α V. b) zα = α dla z C oraz α V. c) zα = (Rez)α dla z C oraz α V. d) zα = { zα gdy z C i α U zα gdy z C i α / U. Sprawdzić, że w każdym z czterech powyższych przykładów dokładnie jeden z aksjomatów przestrzeni liniowej nie jest spełniony. Jaki wniosek związany z wzajemną zależnością aksjomatów przestrzeni liniowej można wycignąć z tego zadania? (2) Wykazać, że przemienność dodawania wynika z pozostałych aksjomatów przestrzeni wektorowej. (3) Pokazać, że jeśli U jest podprzestrzenią przestrzeni liniowej V nad ciałem K, to U jest również przestrzenią liniową nad K. (4) Zbadać, które z następujących podzbiorów przestrzeni K 4 są podprzestrzeniami wektorowymi: a) U = {[t, t +,, ] : t K}, b) U = {[t, u, t + u, t u] : t, u K}, c) U = {[tu, u, t, ] : t, u K}, d) U = {[x, y, z, t] : x + y z = },

e) U = {[x, y, z, t] : xy = }, f) U = {t[,,, ] + u[,,, ] : t, u K}. (5) Zbadać, które z następujących podzbiorów przestrzeni R 4 są podprzestrzeniami liniowymi: a) U = {[t, u, t + u, t u] : t u}, b) U = {[t, u, t, ] : tu }, c) U = {[x, y, z, t] : x, y, z, t Q}. (6) Niech R będzie przestrzenią ciągów elementów ciała R (zob. zadanie 3 z poprzedniego zestawu??, str.??). Zbadać, które spośród następujących zbiorów są podprzestrzeniami wektorowymi przestrzeni R : a) U = {[a, a 2,...] : a i+ = a i + a i dla każdego i = 2, 3,...}; b) U 2 = {[a, a 2,...] : a i = 2 (a i + a i+ ) dla każdego i = 2, 3,...}; c) zbiór wszystkich ciągów [a, a 2,...], których prawie wszystkie wyrazy (wszystkie wyrazy z wyjątkiem co najwyżej skończonej liczby) są równe zero; d) zbiór wszystkich ciągów ograniczonych. (7) Niech A R będzie zbiorem niepustym oraz niech V = R A będzie przestrzenią funkcji A R (zob. zadanie 4, str. ). Zbadać, które z następujących podzbiorów przestrzeni R A są podprzestrzeniami liniowymi: a) zbiór wszystkich funkcji parzystych, gdy A = R. b) zbiór wszystkich funkcji nieparzystych, gdy A = R. c) zbiór wszystkich funkcji rosnących. d) zbiór wszystkich funkcji monotonicznych. e) U = {f V : f() = f()}, gdy A = [, ]. f) U = {f V : f(x) = dla każdego x B}, gdy B A i B A. (8) Sprawdzić, które z określonych podzbiorów przestrzeni wielomianów K[X] nad ciałem K są podprzestrzeniami wektorowymi: a) U = {F K[X] : F ( ) = }, b) U = {F K[X] : F () F () = }, c) K[X] = {F K[X] : stf }, d) U = {F K[X] : stf = }. (9) Pokazać, że jeśli U = lin(α, α 2,..., α k ), U 2 = lin(β, β 2,..., β l ), to U + U 2 = lin(α, α 2,..., α k, β, β 2,..., β l ). (2) Wyznaczyć wszystkie podprzestrzenie przestrzeni a) Z2 2 ; b) Z3 2 ; c) Z2 3. (2) Pokazać, że jeśli U oraz W są podprzestrzeniami przestrzeni liniowej V, to U W jest podprzestrzenią przestrzeni V wtedy i tylko wtedy, gdy U W lub W U. (22) Wykazać, że: a) Suma U + + U k podprzestrzeni przestrzeni liniowej V jest podprzestrzeni przestrzenią V. b) V = U U k każdy wektor v V ma jednoznaczne przedstawienie w postaci v = u + + u k, gdzie u i U i dla i =, 2,..., k. (23) Pokazać, że R 4 = U U 2, jeżeli a) U jest zbiorem rozwiązań równania x + x 2 + x 3 + x 4 =, a U 2 = lin( ). 3

4 b) U jest zbiorem rozwiązań układu równań lin( 2, ). { x + 2x 2 x 3 + 3x 4 = x + x 2 + x 3 =, natomiast U 2 = (24) Pokazać, że R 4 = U + U 2, lecz R 4 U U 2, jeżeli U jest zbiorem rozwiązań równania 3x 2 2x 2 + x 3 + 4x 4 =, zaś U 2 = lin(, ). Do równania definiującego U dołożyć jeszcze 3 jedno równanie tak, aby nowa podprzestrzeń rozwiązań U spełniała warunek R 4 = U U 2. (25) Uzasadnić, że R 3 = lin(, ) lin( ) = lin(, ) lin( ) = lin(, ) lin( ). W przypadku każdej sumy prostej przedstawić wektor 5 2 w postaci sumy wektora z pierwszego składnika sumy prostej i wektora z drugiego składnika sumy prostej. (26) Niech V = R R (zob. zadanie 4 z poprzedniego zestawu??, str. ). Zbiór funkcji nieparzystych oznaczymy literą N, natomiast zbiór funkcji parzystych - literą P. Pokazać, że N oraz P są podprzestrzeniami przestrzeni V oraz że V = N P. Przedstawić funkcję f daną wzorem f(x) = a n x n + + a x + a w postaci sumy funkcji parzystej i funkcji nieparzystej. (27) Niech V będzie przestrzenią liniową oraz niech B A. OznaczmyU B = {f V A : f(a) = θ dla a B}. Pokazać, że U B jest podprzestrzenią przestrzeni V A. Dla jakich podzbiorów B oraz C zbioru A zachodzi równość V A = U B + U C, a dla jakich równość V A = U B U C? (28) Sprawdzić, czy Kn n = S n A n (por. zadanie 8 str. 2). (29) W zbiorze Z 6 wyróżnimy dwa podzbiory: U = {, 2, 4} oraz W = {, 3}. Pokazać, że U jest przestrzenią liniową nad Z 3 i W jest przestrzenią liniową nad ciałem Z 2, Z 6 = U+W, U W = {}. Czy Z 6 jest sumą prostą przestrzeni liniowych U i W? (3) Sprawdzić, że podzbiór, 2, 2 2 Z3 3 jest podprzestrzenią liniową, a podzbiór, 2, 2 Q3 nie jest podprzestrzenią. 2 (3) (Modularność kraty podprzestrzeni) Niech U, U 2, U 3 będą podprzestrzeniami przestrzeni wektorowej V. Udowodnić, że

a) U + (U 2 U 3 ) (U + U 2 ) (U + U 3 ), b) (U U 2 ) + (U U 3 ) U (U 2 + U 3 ), c) (U U 2 ) + (U 2 U 3 ) + (U 3 U ) (U + U 2 ) (U 2 + U 3 ) (U 3 + U ), d) (U U 2 ) + (U U 3 ) = U (U 2 + (U U 3 )), e) jeśli U U 3, to U + (U 2 U 3 ) = (U + U 2 ) U 3. (32) (Niedystrybutywność kraty podprzestrzeni) Podaj przykład podprzestrzeni U, U 2, U 3 przestrzeni R 2 dla których a) U + (U 2 U 3 ) (U + U 2 ) (U + U 3 ), b) (U + U 2 ) U 3 (U U 3 ) + (U U 3 ). (33) (G. Birkhoff 3 ) Sprawdzić, że z podprzestrzeni lin( ), lin( ), lin( ), lin( ) za pomocą operacji + i można utworzyć nieskończenie wiele różnych podprzestrzeni przestrzeni R 3. (Wskazówka: wygodnie jest rysować na płaszczyźnie z = przekroje badanych podprzestrzeni z tą płaszczyzną; nie wszystkie podprzestrzenie mają z nią niepusty przekrój!) (34) Wykazać, że następujące pary przestrzeni wektorowych są izomorficzne: a) U U 2 i U U 2, b) U U 2 U k i U U 2 U k, c) (U + U 2 ) / (U U 2 ) i U / (U U 2 ) U 2 / (U U 2 ), gdzie U, U 2,..., U k są podprzestrzeniami przestrzeni linowej V. 5 3 Garret Birkhoff (ur. 9 r.) - wspóczesny matematyk amerykański, nie mylić z George D. Birkhoffem (884-944), amerykańskim specjalistą od równań różniczkowych.