LINEAARIALGEBRA. Harjoituksia/Exercises 2017 Valittuja ratkaisuja/selected solutions

Transkriptio

1 LINEAARIALGEBRA Harjoituksia/Exercises 2017 Valittuja ratkaisuja/selected solutions 1. Olkoon n Z +. Osoita, että (R n, +, ) on lineaariavaruus, kun vektoreiden x = (x 1,..., x n ), y = (y 1,..., y n ) identtisyys, yhteenlasku ja reaaliluvulla kertominen määritellään koordinaateittain/show that the set is a vector space when we set identity relation, addition and multiplication by a real number coordinate-wise: x = y x i = y i i = 1,..., n; x + y = (x 1 + y 1,..., x n + y n ); λ x = (λx 1,..., λx n ), aina, kun x 1,..., x n ; y 1,..., y n ; λ R. Ratkaisu: Koordinaateissa käytetään reaalilukujen kuntaominaisuuksia. LA1a. katso luennot. LA1b. x + y = y + x? Lasketaan V.P. = x + y = (x 1 + y 1,..., x n + y n ) O.P. = y + x = (y 1 + x 1,..., y n + x n ) = (x 1 + y 1,..., x n + y n ) Saatiin: V.P.=O.P. mot. LA1c. katso luennot: nolla-alkio=(0,...,0). LA1d. Alkion x = (x 1,..., x n ) vasta-alkio on ( x 1,..., x n ), koska (x 1,..., x n ) + ( x 1,..., x n ) = (x 1 x 1,..., x n x n ) = (0,..., 0). Siten x = ( x 1,..., x n ). LA2a. katso luennot. LA2b. 1 x = x? Lasketaan skalaaritulo 1 (x 1,..., x n ) = (1x 1,..., 1x n ) = (x 1,..., x n ). q.e.d. LA3a. λ (x + y) = λ x + λ y? Lasketaan V.P. = λ (x + y) = λ (x 1 + y 1,..., x n + y n ) = (λ(x 1 + y 1 ),..., λ(x n + y n )) = (λx 1 + λy 1,..., λx n + λy n ). O.P. = λ x + λ y = (λx 1,..., λx n ) + (λy 1,..., λy n ) = (λx 1 + λy 1,..., λx n + λy n ).

2 Saatiin: V.P.=O.P. q.e.d. LA3b. (λ + µ) x = λ x + µ x? Lasketaan V.P. = (λ + µ) x = (λ + µ) (x 1,..., x n ) = ((λ + µ)x 1,..., (λ + µ)x n ) = (λx 1 + µx 1,..., λx n + µx n ). Saatiin: V.P.=O.P. q.e.d. O.P. = λ x + µ x = (λx 1,..., λx n ) + (µx 1,..., µx n ) = (λx 1 + µx 1,..., λx n + µx n ). 2. Osoita, että (R 2, +, ) ei ole vektoriavaruus, kun vektoreiden x = (x 1, x 2 ), y = (y 1, y 2 ) laskutoimitukset on annettu seuraavasti/show that the set is not a vector space with the binary operations: x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); λ x = (λx 1, 0), λ R. Ratkaisu: Aluksi huomataan, että yhteenlasku on normaali (1. tehtävän mukainen) avaruuden R 2 yhteenlasku. Siten aksiomit 1abcd toteutuvat, joten mahdollinen vika on skalaarikertolaskua käyttävissä aksiomeissa. LA2b. 1 x = x? Lasketaan V.P. = 1 (x 1, x 2 ) = (x 1, 0); O.P. = (x 1, x 2 ) Valitaan vaikka x 2 = 1, jolloin V.P. O.P., joten aksiomi LA2b ei toteudu kaikilla x R 2. mot. 3. Osoita, että (R 2,, ) ei ole lineaariavaruus, kun vektoreiden x = (x 1, x 2 ), y = (y 1, y 2 ) laskutoimitukset on annettu seuraavasti: x = y x i = y i i = 1, 2; x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 ); λ x = (λx 1, λx 2 ), λ R. LA1b. x + y = y + x? Valitaan x = (1, 0) ja y = (0, 1). Lasketaan V.P. = x + y = (1, 1) O.P. = y + x = ( 1, 1) V.P. O.P., joten aksiomi LA1b ei toteudu kaikilla x, y R 2. mot. 4. Olkoon K kunta ja 0, 1 K sen nolla- ja ykkösalkiot. Olkoon V lineaariavaruus kunnan K yli sekä 0 V sen nolla-alkio. Osoita lineaariavaruuden aksiomeja käyttäen, että/show by using the axioms of linear space that:

3 (a) λ 0 = 0 kaikilla λ K. (b) λ v = ( λ) v = λ ( v) kaikilla λ K, v V ; (c) Jos λ v = λ w ja λ 0, niin v = w; c) RATKAISU: Koska λ 0, niin on olemassa käänteisalkio λ 1 K. Kerrotaan λ v = λ w puolittain käänteisalkiolla, jolloin λ 1 (λ v) = λ 1 (λ w) (λ 1 λ) v = (λ 1 λ) w 1 v = 1 w v = w. q.e.d. 5. Olkoot W 1 = {(x, y, z, t) R 4 : x y + z t = 0}; W 2 = {(x, y, z, t) R 4 : x y + z = 0}; W 3 = {(x, y, z, t) R 4 : x y + z 1 = 0} (a) Osoita, että W 1 on vektoriavaruuden R 4 aliavaruus/show that W 1 is a subspace of the vector space R 4. (b) Onko W 2 on vektoriavaruuden W 1 aliavaruus/is W 2 a subspace of the vector space W 1? (c) Onko W 2 on vektoriavaruuden R 4 aliavaruus? (d) Miksi W 3 ei ole vektoriavaruuden R 4 aliavaruus/why W 3 is not a subspace of the vector space R 4? 5b-kohta VASTAUS: EI. RATKAISU: AA1: Onko W 2 W 1? Esimerkiksi (1, 2, 1, 10) W 2, koska x y+z = = 0. Mutta (1, 2, 1, 10) / W 1, koska x y + z t = Siten W 2 W 1 ; 5c-kohta VASTAUS: ON. RATKAISU: Osoitetaan, että aliavaruusaksiomit ovat voimassa. AA1: 0 = (0, 0, 0, 0) W 2, koska x y + z = = 0. Siten W 2 R 4 ; AA2: Olkoot w 1 = (x 1, y 1, z 1, t 1 ), w 2 = (x 2, y 2, z 2, t 2 ) W 2. Tällöin x 1 y 1 + z 1 = x 2 y 2 + z 2 = 0. Lasketaan w 1 + w 2 = (x 1 + x 2, y 1 + y 2, z 1 + z 2, t 1 + t 2 ) (x 1 + x 2 ) (y 1 + y 2 ) + (z 1 + z 2 ) = x 1 y 1 + z 1 + x 2 y 2 + z 2 = 0, ja joten w 1 + w 2 W 2 ;

4 AA3: Olkoot w = (x, y, z, t) W 2 ja λ R, tällöin Lasketaan joten λ w W 2. x y + z = 0. λ w = (λx, λy, λz, λt) (λx) (λy) + (λz) = λ(x y + z) = 0, 5d-kohta RATKAISU: Koska aksiomi AA2 ei toteudu. Esimerkiksi (1, 0, 0, 0) W 3, koska x y +z 1 = 0. Mutta (1, 0, 0, 0) + (1, 0, 0, 0) = (2, 0, 0, 0) / W 3, sillä = Olkoon V lineaariavaruus kunnan K yli ja v, v 1, v 2 V sekä W 1 = {αv α K}; W 2 = {αv 1 + βv 2 α, β K}. (a) Määritä lineaarinen verho/determine the linear hull v K. (b) Määritä lineaarinen verho v 1, v 2 K. (c) Osoita, että W 1 on vektoriavaruuden V aliavaruus/show that W 1 is a subspace of the vector space V. (d) Onko W 2 on avaruuden V aliavaruus? (e) Onko W 1 on avaruuden W 2 aliavaruus, jos v = v 1 v 2? 7. Olkoon K kunta ja V = K n, n Z +. Merkitään/Let us denote e k = (0,..., 1,..., 0) K n, missä k:s koordinaatti on 1 ja muut nollia aina, kun k = 1, 2,..., n./where the kth coordinate is 1 and the others are zero. Osoita, että vektorit e 1,..., e n ovat lineaarisesti vapaita kunnan K yli./show that the vectors e 1,..., e n are linearly independent over the field K. Ratkaisu. Asetetaan lineaarikombinaatio nollaksi: a 1 e a n e n = 0, a 1, a 2,..., a n 1, a n K, eli a 1 (1, 0, 0,..., 0) + a 2 (0, 1, 0,..., 0) a n (0, 0,..., 0, 1) = (0, 0,..., 0, 0), mistä (a 1, a 2,..., a n 1, a n ) = (0, 0,..., 0, 0). Siten a 1 = a 2 =... = a n 1 = a n = 0. q.e.d. 8. Olkoot F 1 = {f F(R, R) : f(t) = f(t + 2π) t R}; F 2 = {f C(R, R) : f = f}; F 3 = {f F(R, R) : f(π) = 0}. ja

5 (a) Onko F 1 avaruuden F(R, R) aliavaruus? (b) Onko F 2 on avaruuden C(R, R) aliavaruus? Tässä f on funktion f derivaatta. (c) Onko F 3 avaruuden F(R, R) aliavaruus? V: On. 9. Kuuluuko polynomi x 2 joukon/does the polynomial x 2 belong to the linear hull of {x, x 3, x + 2x 2 + 3x 3 } Pol 3 (R, R) lineaariseen verhoon? Ratkaisu: Jos x 2 x, x 3, x + 2x 2 + 3x 3 R, niin on olemassa a, b, c R siten, että x 2 = ax + bx 3 + c(x + 2x 2 + 3x 3 ) = (a + c)x + 2cx 2 + (b + 3c)x 3. Polynomit ovat identtiset, kun vastinpotenssien kertoimet ovat identtiset. Siten saadaan 1 = 2c, 0 = a + c, 0 = b + 3c, josta a = 1/2, b = 3/2, c = 1/2. Todellakin: x 2 = 1 2 x 3 2 x (x + 2x2 + 3x 3 ) x, x 3, x + 2x 2 + 3x 3 R. 10. Olkoon S = {1, x, x 2,..., x k } Pol k (R, R). (a) Osoita, että S on lineaarisesti vapaa/show that S is linearly independent. (b) Osoita, että S R = Pol k (R, R). (c) Osoita, että S on polynomiavaruuden Pol k (R, R) kanta/ Show that S is a base of the polynomial space Pol k (R, R). Ratkaisu: a)+b). (d) Määritä dim R Pol k (R, R). V: k Olkoon W = {p Pol 3 (R, R) : p(1) = p( 1) = 0}. Osoita, että W on avaruuden Pol 3 (R, R) aliavaruus ja määrää dim R W. 12. Olkoon Sym 2 2 (R) = {A M 2 2 (R) : A = A T } symmetristen matriisien joukko/the set of symmetric matrices. (a) Osoita, että Sym 2 2 (R) on avaruuden M 2 2 (R) aliavaruus. (b) Laske dim R M 2 2 (R). V: ( 4. Ratkaisu: ) ( ) ( ) ( ) ( ) a b = a + b + c + d = c d am 1 + bm 2 + cm 3 + dm 4, missä a, b, c, d R. Siten M 2 2 (R) = m 1, m 2, m 3, m 4 R. Osoitetaan vielä, että {m 1, m 2, m 3, m 4 } on lineaarisesti vapaa/r. Asetetaan lineaarikombinaatio ( nollaksi: ) ( ) ( 0 0 α β 0 0 αm 1 + βm 2 + γm 3 + δm 4 =, joten = 0 0 γ δ 0 0 α = β = γ = δ = 0. Täten {m 1, m 2, m 3, m 4 } on matriisiavaruuden M 2 2 (R) kanta ja siten dim R M 2 2 (R) = 4. q.e.d. ). Siispä

6 (c) Laske dim R Sym 2 2 (R). V: 3. Ratkaisu: ( ) ( ) ( ) a b a b a c Olkoon A = Sym c d 2 2 (R) eli A T = A eli =. Siten c d b d c ( = b ja ) a, b, ( d R, ) jolloin ( ) ( ) ( ) a b a b = = a + b + d = c d b d as 1 + bs 2 + ds 3, missä s 1, s 2, s 3 S 2 2 (R). Siten S 2 2 (R) = s 1, s 2, s 3 R. Osoitetaan, että {s 1, s 2, s 3 } on lineaarisesti vapaa/r. Asetetaan lineaarikombinaatio ( ) nollaksi: ( ) ( ) 0 0 α β 0 0 αs 1 +βs 2 +γs 3 =, joten =. Siispä α = β = γ = β γ 0 0 Täten {s 1, s 2, s 3 } on matriisiavaruuden S 2 2 (R) kanta ja siten dim R S 2 2 (R) = 3. q.e.d. 13. Olkoon V reaalinen sisätuloavaruus. Osoita, että reaaliselle sisätulolle pätee/show that for a real inner product holds aina, kun α, β R ja v, u, w, z V. v αw + βz = α v w + β v z, 14. Olkoon n Z +. Määritellään kuvaus asettamalla/let us define a mapping by setting n z w = z w = z k w k k=1 aina, kun z = (z 1,..., z n ), w = (w 1,..., w n ) C n. (a) Osoita, että (C n, ) on kompleksinen sisätuloavaruus. (b) Olkoon z = (i,..., i). Laske z z. V: n. 15. Määritellään kuvaus asettamalla aina, kun x = (x 1, x n ), y = (y 1, y n ). x y = 5 x 1 y 1 + 3x 2 y2 (a) Onko (R 2, ) on reaalinen sisätuloavaruus? Ei. Ratkaisu: Valitaan x = (1, 0), y = (4, 0). Nyt x y = 20 ja y x = 10. Siten sisätulon 1. aksiomi ei toimi. (b) Onko (C 2, ) on kompleksinen sisätuloavaruus? V: Ei. 16. Määritellään kuvaus asettamalla aina, kun x = (x 1, x n ), y = (y 1, y n ). x y = 5x 1 y 1 + 3x 2 y 2

7 (a) Onko (R 2, ) on reaalinen sisätuloavaruus? Seuraavassa x = (x 1, x n ), y = (y 1, y n ), y = (y 1, y n ) R 2 ja r R. V: ON. Ratkaisussa käytetään reaalilukujen laskusääntöjä=kunta-aksiomeja/in the solution we use the laws of real numbers=field axioms. a). x y = y x?. Lasketaan V.P.= x y = 5x 1 y 1 + 3x 2 y 2 = 5y 1 x 1 + 3y 2 x 2 = y x =O.P. q.e.d. b). x + z y = x y + z y?. Lasketaan V.P.= x + z y = (x 1 + z 1, x 2 + z 2 ) (y 1, y 2 ) = 5(x 1 + z 1 )y 1 + 3(x 2 + z 2 )y 2 = 5y 1 x 1 + 3x 2 y 2 + 5z 1 y 1 + 3z 2 y 2 = x y + z y =O.P. q.e.d. c). rx y = r x y?. Lasketaan V.P.= rx y = (rx 1, rx 2 ) (y 1, y 2 ) = 5(rx 1 )y 1 + 3(rx 2 )y 2 = r(5x 1 y 1 + 3x 2 y 2 ) = r x y =O.P. q.e.d. d) x x > 0 aina, kun x 0?. Lasketaan x x = 5x x 2 2. Koska (x 1, x 2 ) (0, 0), niin x 1 0 tai x 2 0. Siten x 2 1 > 0 tai x 2 2 > 0, jolloin 5x x 2 2 > 0. q.e.d. (b) Onko (C 2, ) on kompleksinen sisätuloavaruus? V: EI. 17. Määritellään kuvaus asettamalla aina, kun p, q Pol 2 (R, R). p q = 2 p(k)q(k) k=0 (a) Osoita, että näin saatu kuvaus on avaruuden Pol 2 (R, R) sisätulo. (b) Onko kuvaus avaruuden Pol 3 (R, R) sisätulo? 18. Olkoot n = (1, 0, 1) ja W = {w R 3 : w n = 0}. (a) Osoita, että W on avaruuden R 3 aliavaruus. (b) Määrää aliavaruudelle W jokin kanta. 19. Olkoon V kompleksinen sisätuloavaruus, λ C ja v, w V. (a) Osoita, että v λw = λ v w. Ratkaisu. Lasketaan V.P.= v λw = λw v = λ w v = λ w v = λ v w = λ v w. =O.P. q.e.d. (b) Määrää V: 0. i v w + v i w. (c) Onko tulo v w w v reaaliluku? V: On. Sillä v w w v = v w v w = v w 2.

8 20. Onko joukko A k ortogonaalinen, ja jos, niin onko se ortonormaali, kun/is the set A k orthogonal, and if, is it orthonormal (a) A 1 = {(1, 1, 1), (2, 0, 2), (1, 2, 1)}? (b) A 2 = {(i, 0, 0), (0, i, 0), (0, 0, i)}? (c) A 3 = {( 3, 0, 4, 0, 0), (0, 1, 0, 3, 0), (0, 0, 0, 0, 1)}? Määritellään kuvaus 1 : R 2 R asettamalla x 1 = x 1 + x 2 kaikilla x = (x 1, x 2 ) R 2. Osoita, että 1 on normi. Piirrä joukko {x R 2 : x 1 1}. 22. Olkoon (V, ) normiavaruus. Osoita, että x y x y kaikilla x, y V. 23. Olkoon V reaalinen sisätuloavaruus ja x, y V. Osoita, että x y x + y 2 = x 2 + y Olkoon V reaalinen sisätuloavaruus ja x, y V sellaiset vektorit, joille pätee x = 2, y = 2 ja x + y = 3. Laske vektoreiden x ja y välinen etäisyys x y /Compute the distance x y. 24 V: Olkoot H äärellinen sisätuloavaruus ja S sen ortogonaalinen kanta. (a) Olkoon u H sellainen vektori, että u v kaikilla v S. Osoita, että u = 0. (b) Olkoon A aliavaruuden A H ortogonaalikomplementti. Todista, että A A = {0}. 25b RATKAISU: 1: c A A c A ja c A c c = 0 c = Koska A on aliavaruus, niin 0 A ja aina 0 A. Siten 0 A A. 26. Etsi Gram-Schmidtin menetelmällä aliavaruudelle/find an orthonormal basis for the subspace H = ( 1, 1, 1, 1), (0, 1, 1, 1), (0, 0, 1, 1) ortonormaali kanta. Mitkä ovat vektorin x = (1, 2, 3, 11) koordinaatit löytämässäsi kannassa/what are the coordinates of the vector x = (1, 2, 3, 11) in the base you found? 26 RATKAISU alkuosaan: Ortogonaaliset vektorit ovat w 1 = ( 1, 1, 1, 1); w 2 = 1 4 (1, 5, 3, 3) w 3 = (0, 0, 1, 1).

9 27. Olkoon L lineaarikuvaus/let L be a linear mapping. Osoita, että L(0) = RATKAISU: L(0) = L(0 0) = 0 L0 = Osoita, että nollakuvaus ja identtinen kuvaus ovat lineaarisia/show that zeroand identity mappings are linear. 29. Määritellään kuvaus/let us define L : R 3 R 2, asettamalla/by setting L(x, y, z) = (x, y + z) aina, kun (x, y, z) R 3. Osoita, että kuvaus L lineaarinen? 30. Onko L : R 2 R, L(x 1, x 2 ) = e x 1+x 2 lineaarinen? 30 VASTAUS: EI. Esimerkiksi aksiomi LAb ei päde, kun λ = Onko L : R 2 R, L(x 1, x 2 ) = πx 1 lineaarinen? 31 VASTAUS: ON. 32. Olkoon L : R R sellainen lineaarikuvaus, että L( 7) = 14. Laske L(100). 32 RATKAISU: 14 = L( 7) = ( 7)L(1) L1 = 2 L(100) = 100L1 = Määritellään kuvaus L : R 2 Pol 2 (R, R), asettamalla aina, kun (a, b) R 2. L(a, b) = a + bx (a) Osoita, että kuvaus L on lineaarinen? RATKAISU: L(v + w) = L((a 1, b 1 ) + (a 2, b 2 )) = L(a 1 + a 2, b 1 + b 2 ) = a 1 + a 2 + (b 1 + b 2 )x = a 1 + b 1 x + a 2 + b 2 x = Lv + Lw ja L(rv) = L(r(a, b)) = L(ra, rb) = ra + (rb)x = r(a + bx) = rlv. (b) Määrää Ker L. V: Ker L = {(0, 0)}. (c) Onko L injektio? V: ON. (d) Määrää Im L. V: Im L = {a + bx a, b R} = Pol 1. (e) Onko L surjektio? V: EI. (f) Onko L bijektio? V: EI. (g) Määrää dim Ker L ja dim Im L ja vertaa tulosta dimensiokaavaan/ Determine dim Ker L and dim Im L and compare to the dimension formula. RATKAISU: dim R 2 = 2, dim Ker L = 0, dim Im L = 2.

10 34. Olkoon V reaalinen sisätuloavaruus, dim K V = k Z + ja n V annettu. Määritellään kuvaus L : V R, asettamalla aina, kun x V. L(x) = n x (a) Osoita, että kuvaus L on lineaarinen. (b) Määrää dim Im L. (c) Määrää dim Ker L. 34 RATKAISU: Kohdat 34b ja 34c luentojen III osa: Esimerkki Määritellään lineaarikuvaus L : R 3 R 4, asettamalla L(x) = (x 1 + x 2, x 2 + x 3, x 1 + x 3, x 1 x 2 + x 3 ) aina, kun x = (x 1, x 2, x 3 ) R 3. (a) Määrää Ker L. (b) Onko L injektio? (c) Määrää dim Ker L ja dim Im L (käytä/use dimensiokaavaa). (d) Onko L surjektio? (e) Onko L bijektio? (f) Määrää L:n matriisi [L] E3,E 4 luonnollisten kantojen E 3 = {e 1, e 2, e 3 } R 3 ja E 4 = {e 1, e 2, e 3, e 4 } R 4 suhteen/determine the matrix with respect to standard bases. 35 VASTAUS: vertaa luentojen III osa: Esimerkit 12 ja 13: Ker L = {0}; ON injektio; dim Ker L = 0; dim Im L = 3; EI ole surjektio eikä bijektio; [L] E3,E 4 = Lineaarikuvaksen L matriisi on 0 1 [L] E2,E 4 =

11 Anna kuvaus L muodossa/give the mapping in the form L(x, y) = (a, b, c, d) = ae 1 + be 2 + ce 3 + de RATKAISU: Le 1 = e 2 + 2e 3 + e 4 ; Le 2 = e 1 + e 3 2e 4, L(x, y) = L(xe 1 + ye 2 ) = xle 1 + yle 2 = ye 1 xe 2 + (2x + y)e 3 + (x 2y)e Lineaarikuvaus L : R 3 R 3 toteuttaa ehdot/satisfies the conditions Lu 1 = u 1 u 2 + u 3, L(u 1 u 2 ) = u 1, ja L(u 1 u 2 + u 3 ) = 2u 2 u 3, missä {u 1, u 2, u 3 } on avaruuden R 3 kanta. Laske Lu 2 ja Lu RATKAISU: L(u 1 u 2 ) = u 1, Lu 1 Lu 2 = u 1, Lu 2 = Lu 1 u 1 = u 2 + u 3 ; L(u 1 u 2 + u 3 ) = 2u 2 u 3, Lu 1 Lu 2 + Lu 3 = 2u 2 u 3, Lu 3 = Lu 1 + Lu 2 + 2u 2 u 3 = u 1 + 2u 2 u Olkoon S = sin x, cos x R ja s = {sin x, cos x}. Tutkitaan lineaarikuvausta L : S S, L = D 2 + 2D + I, missä D on derivaattakuvaus/derivative mapping ja I on avaruuden S identtinen kuvaus. Määritä [L] s,s. 38 VASTAUS: [L] s,s = [ ] Näytä, että pisteen t kohtisuora projektio PROJ A (t) = p aliavaruudelle A on yksikäsitteinen/ Show that orthogonal projection PROJ A (t) = p of the point t to the subspace A is unique.