Opgaver – Store Dag#


Opgave 1: Linearitet og dimensionssætning#

To afbildninger f:R2R2 og g:R2R2, er givet ved:

f((x1,x2))=(x1x2,x1+x2)ogg((x1,x2))=(x2,x12).

Spørgsmål a#

Vis at netop én af de to afbildninger er en lineær afbildning mellem de reelle vektorrum R2 og R2. Find hvilken ved at undersøge om de opfylder de to linearitetskrav i Definition 10.0.1 fra lærebogen.

Spørgsmål b#

Angiv en basis for f’s kerne samt kernens dimension.

Spørgsmål c#

Angiv billedrummet for den fundne lineære afbildning. Angiv også en basis for billedrummet samt billedrummets dimension.

Spørgsmål d#

Check at dimensionssætningen (se Corollary 10.4.3 fra lærebogen) er opfyldt for den fundne lineære afbildning.


Opgave 2: Undersøgelse af en lineær afbildning#

Lad L:R4R3 være givet ved forskriften

L([v1v2v3v4])=[v1+v2+3v3+v43v1v2+2v3+4v42v1+2v2+6v3+2v4].

Spørgsmål a#

Find en matrix AR3×4 hvorom det gælder at

L([v1v2v3v4])=A[v1v2v3v4].

Brug Definition 10.1.1 og Lemma 10.1.1 fra lærebogen til at konkludere at L er en lineær afbildning.

Spørgsmål b#

Lad β være den standard ordnede basis for R4 og γ den for R3. Tjek at A=γ[L]β.

Spørgsmål c#

Angiv en basis for L’s kerne samt kernens dimension.

Spørgsmål d#

Angiv en basis for L’s billedrum samt billedrummets dimension.

Spørgsmål e#

Tjek at dimensionssætningen (se Corollary 10.4.3 fra lærebogen) er opfyldt for den givne lineære afbildning L.

Spørgsmål f#

Tilhører vektorerne

v=[123]ogw=[224]

billedrummet image(L)?


Opgave 3: Undersøgelse af en anden lineær afbildning#

Definer V1 (hhv. V2) til at være mængden af polynomier i R[Z] af grad højst tre (hhv. to). Bemærk at både V1 og V2 er reelle vektorrum. Lad M:V1V2 være givet ved forskriften

M(a+bZ+cZ2+dZ3)=(a+b+3c+d)+(3ab+2c+4d)Z+(2a+2b+6c+2d)Z2,hvor a,b,c,dR.

Spørgsmål a#

Der vælges den ordnede basis β=(1,Z,Z2,Z3) til V1 og den ordnede basis γ=(1,Z,Z2) til V2. Bestem afbildningsmatricen γ[M]β.

Spørgsmål b#

Bemærk at den fundne afbildningsmatrix er nøjagtigt den samme matrix som matricen A fundet i Opgave 2b. Benyt resultaterne fra Opgave 2 til at angive en basis for M’s kerne og billedrum.

Spørgsmål c#

Udnyt resultaterne fra Opgave 2 til at afgøre om polynomierne

p1(Z)=1+2Z+3Z2ogp2(Z)=2+2Z+4Z2

tilhører billedrummet image(M).


Opgave 4: Lineære afbildninger og differentiation#

Ligesom i Eksempel 9.3.4 fra lærebogen angives med C(R) det reelle vektorrum bestående af alle funktioner fra R til R som kan differentieres vilkårligt mange gange. I denne opgave betragtes underrummet V1 af C som er frembragt af funktionerne et,et,cos(t) og sin(t). Det må bruges at disse fire funktioner er lineært uafhængige over R og derfor danner en ordnet basis for V1.

Der defineres nu følgende funktion L:V1V1 ved forskriften L(f)=f+f, hvor fV1 og hvor f angiver den afledte til funktionen f.

Spørgsmål a#

Vis at funktionen L er en lineær afbilding mellem reelle vektorrum.

Spørgsmål b#

Beregn afbildningsmatricen β[L]β når β=(et,et,cos(t),sin(t)).

Spørgsmål c#

Der vælges nu en anden ordnet basis for V1: γ=(sinh(t),cosh(t),sin(t),cos(t)). Funktionerne sinh(t) og cosh(t) blev defineret i Opgave 10 fra Uge 2, Store Dag. Beregn basisskiftmatricerne γ[idV1]β og β[idV1]γ.

Spørgsmål d#

Beregn afbildningsmatricen γ[L]γ direkte fra formlen i Lemma 10.3.3 i lærebogen. Som før er γ=(sinh(t),cosh(t),sin(t),cos(t)).

Spørgsmål e#

Brug anden del af Theorem 10.3.4 fra lærebogen til at indse at γ[idV1]ββ[L]β=γ[L]γγ[idV1]β. Tjek også at ligningen holder vha. SymPy og resultaterne fra de forrige spørgsmål.


Opgave 5: Lineære afbildninger defineret ved diagonalmatricer#

Lad λ1,λ2R og definer

A=[λ100λ2].

I denne opgave undersøges den lineære afbildning LA:R2R2 defineret ved LA(v)=Av.

Spørgsmål a#

Indtegn mængden M={(v1,v2)0v11,0v21} ind i R2.

Spørgsmål b#

Indtegn mængden LA(M), dvs. mængden {LA(v)vM} i følgende tilfælde:

  1. λ1=1 og λ2=1

  2. λ1=2 og λ2=3

  3. λ1=1 og λ2=2

  4. λ1=4 og λ2=3

Spørgsmål c#

Med M og AR2×2 som før, tjek at arealet af LA(M) er lig med |det(A)|.

Spørgsmål d#

Lad nu

A=[1λ01]λR.

Tjek at LA(M) har areal 1 og at det(A)=1. Mere generelt kan det faktisk vises at det for en vilkårlig matrix AR2×2 holder at arealet af LA(M) er lig med |det(A)|.


Opgave 6: Basisskifte og afbildningsmatricer#

Givet vektorerne v1=(1,2) og v2=(3,7) i R2 og w1=(1,2,2), w2=(2,3,1) og w3=(1,2,1) i R3. En lineær afbildning L:R2R3 opfylder at

L(v1)=w1+w23w3ogL(v2)=w1w22w3.

I denne opgave må man gerne udføre matrixprodukter og beregning af inverse matricer med SymPy.

Spørgsmål a#

Vis, at v1 og v2 udgør en basis for R2 og at w1, w2 og w3 udgør en basis for R3.

Spørgsmål b#

Angiv afbildningsmatricen ϵ[L]δ for L med hensyn til de ordnede baser δ=(v1,v2) i R2 og ϵ=(w1,w2,w3) i R3.

Spørgsmål c#

Angiv afbildningsmatricen γ[L]δ for L, hvor δ er som før og γ er den standard ordnede basis for R3.

Spørgsmål d#

Angiv afbildningsmatricen ϵ[L]β for L, hvor ϵ er som før og β er den standard ordnede basis for R2.

Spørgsmål e#

Angiv nu afbildningsmatricen γ[L]β for L, hvor β og γ er de standard ordnede baser i R2 og R3.


Opgave 7: Kerne af en lineær afbildning#

Lad V1 og V2 være to vektorrum over et legeme F. Vis at kernen af en linær afbildning L:V1V2 er et underrum af V1.


Opgave 8: Dimensionssætningen i et eksempel#

En lineær afbildning L:R3R3 har med hensyn til den standard ordnede basis β for R3 afbildningsmatricen

β[L]β=[121240360].

Det oplyses at dim(ker(L))=1, med andre ord: kernen for L har dimensionen 1. Find, alene ved hovedregning, en basis for image(L).


Opgave 9: Potenser af matricer#

Lad AFn×n være en matrix og QFn×n en invertibel matrix. Lad k være et naturlig tal. Den kte potens af A, notation Ak, er defineret som matricen man får ved at gange A k gange med sig selv. Mere formelt defineres Ak rekursivt som følger:

Ak={Ahvis k=1Ak1Ahvis k2.

Spørgsmål a#

Antag at A er en diagonalmatrix. Vis at for alle naturlige tal k, er matricen Ak også en diagonalmatrix.

Spørgsmål b#

Vis ved hjælp af induktion efter k at (Q1AQ)k=Q1AkQ.

Spørgsmål c#

Lad

A=[0165]ogQ=[1123].

Tjek at Q1AQ er en diagonalmatrix og brug dette til at finde et lukket udtryk for Ak.