Vapaus. Määritelmä. Vektorijono ( v 1, v 2,..., v k ) on vapaa eli lineaarisesti riippumaton, jos seuraava ehto pätee:

Transkriptio

1 Vapaus Määritelmä Oletetaan, että v 1, v 2,..., v k R n, missä n {1, 2,... }. Vektorijono ( v 1, v 2,..., v k ) on vapaa eli lineaarisesti riippumaton, jos seuraava ehto pätee: jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0. Jos jono ( v 1, v 2,..., v k ) on vapaa, sanotaa, että vektorit v 1, v 2,..., v k ovat lineaarisesti riippumattomia. Jos jono ei ole vapaa, sanotaan, että se on sidottu. LM1, Kesä /96

2 Esimerkki 16 Merkitään v 1 = (1, 2) ja v 2 = ( 3, 1). Onko jono ( v 1, v 2 ) vapaa vai sidottu? v 1 v 2 LM1, Kesä /96

3 Oletetaan, että c 1 v 1 + c 2 v 2 = 0 joillakin reaaliluvuilla c 1 ja c 2. Tällöin c 1 (1, 2) + c 2 ( 3, 1) = (0, 0) eli komponenteittain: { c1 3c 2 = 0 2c 1 c 2 = 0. Ratkaistaan tästä c 1 ja c 2 : [ ] [ ] r 2 2r r 2 /5 [ ] [ ] r1 + 3r Ainoa ratkaisu on c 1 = 0 ja c 2 = 0. Jono ( v 1, v 2 ) on vapaa. LM1, Kesä /96

4 Esimerkki 17 Merkitään v 1 = (1, 2), v 2 = ( 3, 1) ja v 3 = ( 1, 1). Onko jono ( v 1, v 2, v 3 ) vapaa vai sidottu? v 3 v 1 v 2 LM1, Kesä /96

5 Oletetaan, että c 1 v 1 + c 2 v 2 + c 3 v 3 = 0 joillakin c 1, c 2, c 3 R. Tällöin c 1 (1, 2) + c 2 ( 3, 1) + c 3 ( 1, 1) = (0, 0) eli komponenteittain: { c1 3c 2 c 3 = 0 2c 1 c 2 + c 3 = 0. Ratkaistaan tästä c 1 ja c 2 : [ ] [ ] r 2 2r r 2 /5 [ ] [ ] r1 + 3r / / /5 0 Voidaan valita esimerkiksi c 3 = 5, jolloin c 2 = 3 ja c 1 = 4. Näin 4 v 1 3 v v 3 = 0. Jono ( v 1, v 2, v 3 ) on sidottu. LM1, Kesä /96

6 5 v 3 4 v 1 3 v 2 4 v 1 3 v v 3 = 0 LM1, Kesä /96

7 Esimerkki 18 Merkitään w 1 = (2, 1) ja w 2 = ( 4, 2). Onko jono ( w 1, w 2 ) vapaa vai sidottu? w 1 w 2 Esimerkiksi 2 w 1 + w 2 = 0, joten jono ( w 1, w 2 ) on sidottu. LM1, Kesä /96

8 Vähintään kahdesta vektorista muodostuva vektorijono on sidottu, jos ja vain jos jokin sen vektoreista voidaan ilmaista toisten lineaarikombinaationa: Lause 3 Oletetaan, että v 1,..., v k R n, missä k 2 ja n {1, 2,...}. (a) Jono ( v 1 ) on sidottu, jos ja vain jos v 1 = 0. (b) Jono ( v 1,..., v k ) on sidottu, jos ja vain jos v i span( v 1,..., v i 1, v i+1,..., v k ) jollakin i {1,..., k}. LM1, Kesä /96

9 Perustelun idea: (a) Tarkastellaan eri mahdollisuudet: Jos v 1 = 0, niin esim. 8 v 1 = 8 0 = 0. Siis jono ( v 1 ) on sidottu. Jos v 1 0, niin t v 1 = 0 t = 0. Siis jono ( v 1 ) on vapaa. Havaitaan, että jono ( v 1 ) on sidottu, jos ja vain jos v 1 = 0. (b) : Oletetaan, että jono ( v 1,..., v k ) on sidottu. Tällöin c 1 v c k v k = 0, missä ainakin yksi kertoimista c i 0. Oletetaan, että esim. c 2 0. Tällöin c 2 v 2 = c 1 v 1 c 3 v 3 c k v k ja v 2 = c 1 v 1 + c 3 v c k v k. c 2 c 2 c 2 Tässä jokainen c i /c 2 R, joten v 2 span( v 1, v 3,..., v k ). LM1, Kesä /96

10 : Oletetaan, että esimerkiksi v 3 span( v 1, v 2, v 4,..., v k ). Tällöin v 3 = a 1 v 1 + a 2 v 2 + a 4 v a k v k joillakin reaaliluvuilla a 1, a 2, a 4,..., a k. Siten 0 = a 1 v 1 + a 2 v 2 v 3 + a 4 v a k v k. Tässä ainakin vektorin v 3 kerroin 1 0, joten jono ( v 1,..., v k ) on sidottu. LM1, Kesä /96

11 Esimerkki 19 Merkitään v 1 = (1, 1, 0), v 2 = (1, 1, 0), v 3 = (0, 0, 2) ja v 4 = (3, 1, 0). Tällöin esimerkiksi 2 v 1 + v v 3 v 4 = 0, joten jono ( v 1, v 2, v 3, v 4 ) on sidottu. Lisäksi esimerkiksi v 2 = 2 v v 3 + v 4 mutta v 3 a v 1 + b v 2 + c v 4 kaikilla a, b, c R. LM1, Kesä /96

12 Jos virittäjäjono on vapaa, niin kaikki aliavaruuden vektorit voidaan esittää tasan yhdellä tavalla virittäjävektorien lineaarikombinaatioina: Lause 4 Oletetaan, että v 1, v 2,..., v k R n, missä n {1, 2,...}. Jono ( v 1, v 2,..., v k ) on vapaa, jos ja vain jos jokainen aliavaruuden span( v 1, v 2,..., v k ) alkio voidaan kirjoittaa täsmälleen yhdellä tavalla vektorien v 1, v 2,..., v k lineaarikombinaationa. LM1, Kesä /96

13 Perustelu: : Oletetaan, että jono ( v 1, v 2,..., v k ) on vapaa. Oletetaan, että w span( v 1, v 2,..., v k ). Tämä tarkoittaa, että w voidaan kirjoittaa ainakin yhdellä tavalla vektoreiden v 1,..., v k lineaarikombinaationa. Oletetaan nyt, että w = a 1 v a k v k ja w = b 1 v b k v k joillakin a 1,..., a k, b 1,..., b k R. Tällöin a 1 v a k v k = b 1 v b k v k, joten a 1 v a k v k (b 1 v b k v k ) = 0 ja edelleen (a 1 b 1 ) v (a k b k ) v k = 0. Jono ( v 1,..., v k ) on oletuksen mukaan vapaa, joten viimeisestä yhtälöstä seuraa, että a 1 b 1 = 0, a 2 b 2 = 0,..., a k b k = 0. Siten a 1 = b 1,..., a k = b k. Näin ollen vektoria w ei voida kirjoittaa lineaarikombinaationa usealla eri tavalla. LM1, Kesä /96

14 : Oletetaan, että jokainen aliavaruuden span( v 1,..., v k ) alkio voidaan kirjoittaa täsmälleen yhdellä tavalla vektorien v 1,..., v k lineaarikombinaationa. Osoitetaan, että jono ( v 1,..., v k ) on vapaa. Sitä varten oletetaan, että luvut c 1,..., c k R ovat sellaisia, että c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0. Koska vektori 0 on aliavaruuden span( v 1,..., v k ) alkio, se voidaan kirjoittaa vektorien lineaarikombinaationa täsmälleen yhdellä tavalla. Tiedetään, että 0 v v v k = 0, joten täytyy päteä c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0. Siten jono ( v 1, v 2,..., v k ) on vapaa. LM1, Kesä /96

15 Kanta Oletetaan, että v 1,..., v j R n, missä n {1, 2,...}. Merkitään W = span( v 1,..., v j ); ts. W on vektoreiden v 1,..., v j virittämä aliavaruus. Määritelmä Oletetaan, että w 1, w 2,..., w k W. Vektorijono ( w 1, w 2,..., w k ) on aliavaruuden W kanta, jos (a) W = span( w 1, w 2,..., w k ) (b) ( w 1, w 2,..., w k ) on vapaa. LM1, Kesä /96

16 Kanta Esimerkki 20 Merkitään ē 1 = (1, 0) ja ē 2 = (0, 1). Osoitetaan, että jono (ē 1, ē 2 ) on avaruuden R 2 kanta. ē 2 ē 1 Huom. Lukion merkinnöillä kysymyksessä on jono (ī, j). Vastaavasti voidaan osoittaa, että jono (ē 1,..., ē n ) on avaruuden R n kanta. Vektorin ē i komponentit ovat nollia lukuunottamatta i:nnettä komponenttia, joka on 1. LM1, Kesä /96

17 Esimerkin 20 ratkaisu Käytetään kannan määritelmää: (a) Oletetaan, että w R 2. Tällöin w = (w 1, w 2 ) joillakin reaaliluvuilla w 1 ja w 2. Havaitaan, että w = w 1 (1, 0) + w 2 (0, 1) = w 1 ī + w 2 j. Näin mikä tahansa avaruuden R 2 vektori voidaan esittää vektoreiden ī ja j lineaarikombinaationa. Siten span(ī, j) = R 2. (b) Oletetaan, että c 1 ī + c 2 j = 0 joillakin c 1, c 2 R. Tällöin c 1 (1, 0) + c 2 (0, 1) = (0, 0) eli (c 1, c 2 ) = (0, 0), mistä seuraa, että c 1 = 0 ja c 2 = 0. Siis jono (ī, j) on vapaa. LM1, Kesä /96

18 Lause 5 Kanta ja koordinaatit Jono ( w 1,..., w k ) on aliavaruuden W kanta, jos ja vain jos jokainen aliavaruuden W vektori voidaan kirjoittaa täsmälleen yhdellä tavalla vektoreiden w 1,..., w k lineaarikombinaationa. Lause 5 mahdollistaa seuraavan määritelmän: Määritelmä Oletetaan, että B = ( w 1,..., w k ) on aliavaruuden W kanta. Oletetaan, että ū W. Vektorin ū koordinaateiksi kannan B suhteen kutsutaan reaalilukuja a 1,..., a k, joilla ū = a 1 w a k w k. LM1, Kesä /96

19 Lauseen 5 perustelu: : Oletetaan, että jono ( w 1,..., w k ) on aliavaruuden W kanta. Tällöin kannan määritelmän nojalla W = span( w 1,..., w k ) ja jono ( w 1,..., w k ) on vapaa. Lauseesta 4 seuraa, että jokainen aliavaruuden W = span( w 1,..., w k ) vektori voidaan kirjoittaa tasan yhdellä tavalla vektoreiden w 1,..., w k lineaarikombinaationa. : Oletetaan, että jokainen aliavaruuden W vektori voidaan kirjoittaa täsmälleen yhdellä tavalla vektoreiden w 1,..., w k lineaarikombinaationa. Tästä seuraa ensinnäkin, että W = span( w 1,..., w k ). Tämän jälkeen voidaan käyttää lausetta 4, jonka mukaan jono ( w 1,..., w k ) on tällöin vapaa. Näin kannan määritelmän molemmat ehdot täyttyvät. Siis ( w 1,..., w k ) on aliavaruuden W kanta. LM1, Kesä /96