Vektoreiden virittämä aliavaruus

Transkriptio

1 Vektoreiden virittämä aliavaruus Määritelmä Oletetaan, että v 1, v 2,... v k R n. Näiden vektoreiden virittämä aliavaruus span( v 1, v 2,... v k ) tarkoittaa kyseisten vektoreiden kaikkien lineaarikombinaatioiden joukkoa; ts. span( v 1, v 2,... v k ) = { a 1 v 1 + a 2 v a k v k a 1,..., a k R }. LM1, Kesä /169

2 Yhden vektorin virittämä aliavaruus Oletetaan, että n = 2 tai n = 3 ja v R n. Jos v = 0, niin vektorin v virittämä aliavaruus on span( 0) = { t 0 t R } = { 0} eli joukko, johon kuuluu ainoastaan nollavektori (origo). span( 0) LM1, Kesä /169

3 Yhden vektorin virittämä aliavaruus Jos v 0, niin vektorin v virittämä aliavaruus on span( v) = { t v t R } = { 0 + t v t R } eli origon kautta kulkeva suora. span( v) LM1, Kesä /169

4 Kahden vektorin virittämä aliavaruus Oletetaan, että v, w R 3. Jos w 0 v ja w v, niin vektoreiden v ja w virittämä aliavaruus on span( v, w) = { s v + t w s, t R } = { 0 + s v + t w s, t R } eli origon kautta kulkeva taso. Huom. jos oletukset w 0 v ja w v eivät ole voimassa, niin span( v, w) on suora tai origon yksiö. LM1, Kesä /169

5 Vektoreiden virittämän aliavaruuden ominaisuuksia Lause 14 Oletetaan, että v 1, v 2,..., v k R n. Tällöin (a) jos ū, w span( v 1,..., v k ), niin ū + w span( v 1,..., v k ). (b) jos w span( v 1,..., v k ) ja a R, niin a w span( v 1,..., v k ). (c) 0 span( v 1,..., v k ). LM1, Kesä /169

6 Lauseen 14 perustelu: (a) Oletetaan, että ū, w span( v 1,..., v k ). Tällöin ū = a 1 v a k v k ja w = c 1 v c k v k joillakin reaaliluvuilla a 1,..., a k ja c 1,..., c k. Näin ū + w = (a 1 v a k v k ) + (c 1 v c k v k ) = (a 1 + c 1 ) v (a k + c k ) v k, missä kertoimet a 1 + c 1,..., a k + c k R. Siis ū + w on vektoreiden v 1,..., v k lineaarikombinaatio; ts. ū + w span( v 1,..., v k ). (c) Nollavektori voidaan kirjoittaa muodossa Siis 0 span( v 1,..., v k ). 0 = 0 v v v k. LM1, Kesä /169

7 Vektoreiden virittämä aliavaruus Esimerkki 9 Selvitä, kuuluuko vektori w = (6, 3, 2, 1) vektoreiden v 1 = (0, 1, 2, 1), v 2 = (2, 0, 1, 1) ja v 3 = (4, 2, 2, 0) virittämään aliavaruuteen span( v 1, v 2, v 3 ). Toisin sanottuna selvitä, onko vektori w vektoreiden v 1, v 2 ja v 3 lineaarikombinaatio. Ts. selvitä, onko yhtälöllä x 1 v 1 + x 2 v 2 + x 3 v 3 = w eli yhtälöllä x 1 (0, 1, 2, 1) + x 2 (2, 0, 1, 1) + x 3 (4, 2, 2, 0) = ( 2, 3, 2, 1) ratkaisuja reaalilukujen joukossa. LM1, Kesä /169

8 Päädytään lineaariseen yhtälöryhmään 2x 2 + 4x 3 = 6 x 1 + 2x 3 = 3 2x 1 + x 2 + 2x 3 = 2 x 1 x 2 = 1, joka voidaan ratkaista Gaussin-Jordanin eliminointimenetelmällä. LM1, Kesä /169

9 Lineaarisen yhtälöryhmän ratkaiseminen Esimerkki 10 Muodostetaan lineaarisen yhtälöryhmän 2x 2 + 4x 3 = 6 x 1 + 2x 3 = 3 2x 1 + x 2 + 2x 3 = 2 x 1 x 2 = 1, täydennetty matriisi kokoamalla kaikki kertoimet ja vakiot taulukkoon: LM1, Kesä /169

10 Muunnetaan tämä matriisi alkeisrivitoimituksia käyttäen redusoiduksi porrasmatriisiksi. Teet alkeisrivitoimituksen, jos I. vaihdat matriisin kaksi riviä keskenään; II. kerrot rivin jollakin nollasta poikkeavalla reaaliluvulla; III. lisäät johonkin riviin jokin toisen rivin reaaliluvulla kerrottuna; / / / LM1, Kesä /169

11 Redusoidusta porrasmatriisista ratkaisut on helppo lukea: matriisia / / / vastaa yhtälöryhmä x 1 = 1/2 x 2 = 1/2 x 3 = 5/4 0 = 0, jossa alin yhtälö on aina tosi. LM1, Kesä /169

12 Miten tunnistan redusoidun porrasmatriisin? Ensinnäkin se on porrasmatriisi eli nollarivit ovat alimpina, jos niitä on; jokaisella rivillä ensimmäinen nollasta poikkeava alkio (eli johtava alkio) on ylemmän rivin johtavan alkion oikealla puolella. Esimerkki porrasmatriisista: LM1, Kesä /169

13 Miten tunnistan redusoidun porrasmatriisin? Se on porrasmatriisi. Jokaisen rivin johtava alkio on 1. Jokainen johtava alkio on sarakkeensa ainoa nollasta poikkeava alkio. Esimerkki redusoidusta porrasmatriisista: 0 1 3/ / / LM1, Kesä /169

14 Gaussin-Jordanin eliminointimenetelmän perusta Voidaan osoittaa, että jos lineaarisen yhtälöryhmän täydennettyä matriisia muokataan alkeisrivitoimituksilla, niin näin saatua uutta matriisia vastaavalla yhtälöryhmällä on täsmälleen samat ratkaisut kuin alkuperäisellä yhtälöryhmällä. a 11 a a 1n b 1 a 21 a a 2n b 2.. a m1 a m2... a mn b m alkeisrivi- toimituksia c 11 c c 1n d 1 c 21 c c 2n d 2.. c m1 c m2... c mn d m a 11 x a 1n x n = b 1 a 21 x a 2n x n = b 2. =.. a m1 x a mnx n = b m samat ratkaisut c 11 x c 1n x n = d 1 c 21 x c 2n x n = d 2. =.. c m1 x c mnx n = d m LM1, Kesä /169

15 Gaussin-Jordanin eliminointimenetelmä Kirjoita yhtälöryhmän täydennetty matriisi. Muuta se alkeisrivitoimituksilla porrasmatriisiksi. Ohjeita: porrasmatriisia muodostetaan vasemmalta oikealle ja ylhäältä alaspäin; johtavat alkiot kannattaa useimmiten muuttaa ykkösiksi; johtavien alkioiden avulla muutetaan niiden alapuolella olevat alkiot nolliksi. Muuta porrasmatriisi redusoiduksi porrasmatriisiksi. Ohjeita: redusoitua porrasmatriisia muodostetaan oikealta vasemmalle ja alhaalta ylöspäin; johtavien alkioiden avulla muutetaan niiden yläpuolella olevat alkiot nolliksi. Lue ratkaisut redusoidusta porrasmatriisista. Tee alkeisrivitoimitukset yksi kerrallaan! LM1, Kesä /169

16 Esimerkki 11 Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä 3x + 5y = 22 3x + 4y = 4 4x 8y = r 1 + r r 3 4r r 2 3r r 2 / LM1, Kesä /169

17 r 3 4r r 1 + 3r Vastaava yhtälöryhmä on x = 4 y = 2 0 = 0. Alin yhtälö on aina tosi, joten yhtälöryhmän ratkaisu on x = 4 ja y = 2. LM1, Kesä /169

18 Esimerkki 12 Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä { x + 2y + z = 8 3x 6y 3z = 21. [ ] r 2 + 3r 1 [ ] Vastaava yhtälöryhmä on { x + 2y + z = 8 0 = 3. Alin yhtälö on aina epätosi, joten yhtälöryhmällä ei ole ratkaisua. LM1, Kesä /169

19 Esimerkki 13 Ratkaise lineaarinen yhtälöryhmä 3x 1 + 3x 2 15x 3 = 9 x 1 2x 3 = 1 2x 1 x 2 x 3 = r 1 / r 3 2r r 2 r r LM1, Kesä /169

20 r 3 + 3r r 1 r Alinta riviä vastaava yhtälö 0 = 0 on aina tosi. Tuntematonta x 3 vastaavassa sarakkeessa ei ole johtavaa alkiota, joten se on ns. vapaa muuttuja. Merkitään x 3 = t, missä t R. Ratkaistaan muut tuntemattomat: x 1 2t = 1 { x1 = 1 + 2t x 2 t = 2 t R. x 2 = 2 + t, 0 = 0 LM1, Kesä /169

21 Esimerkki 14 Lineaarisen yhtälöryhmän täydennetty matriisi muutettiin alkeisrivitoimituksilla redusoiduksi porrasmatriisiksi: Mikä on yhtälöryhmän ratkaisu? Havaitaan, että johtavat alkiot (rivien ensimmäiset nollasta poikkeavat alkiot) ovat sarakkeissa 1, 3 ja 6. Muita sarakkeita vastaavat tuntemattomat x 2, x 4 ja x 5 ovat vapaita muuttujia. Merkitään x 2 = r, x 4 = s ja x 5 = t, missä r, s, t R. LM1, Kesä /169

22 Yhtälöryhmä on tällöin x 1 + 3r + 4s = 0 x 3 + 2s = 0 x 6 = 3 x 1 = 3r 4s x 3 = 2s x 6 = 3. Ratkaisu on siis x 1 = 3r 4s x 2 = r x 3 = 2s x 4 = s x 5 = t x 6 = 3, r, s, t R. LM1, Kesä /169

23 Esimerkki 15 Tarkastellaan yhtälöryhmää x + y + kz = 1 x + ky + z = 1 kx + y + z = 2. Määritä ne reaaliluvut k, joilla tällä yhtälöryhmällä (a) ei ole ratkaisua; (b) on tasan yksi ratkaisu; (c) on äärettömän paljon ratkaisuja. LM1, Kesä /169

24 1 1 k k 1 1 k 1 1 r 2 r 1 0 k 1 1 k 0 k k r 3 kr k 1 0 k 1 1 k k 1 k 2 2 k r 3 + r k 1 0 k 1 1 k 0 r 2 /(k 1) k k 2 2 k Oletus: k k k k 2 2 k LM1, Kesä /169

25 Oletus: k 1 0 eli k 1. Alimman rivin johtavassa alkiossa esiintyy k, joten tarkastellaan eri tapaukset. Jos kerroin 2 k k 2 = 0 eli k = 2 (tai k = 1) on periaatteessa kaksi mahdollisuutta: Jos myös vakio 2 k = 0 eli k = 2, niin yhtälöllä on äärettömän monta ratkaisua. Alinta riviä nimittäin vastaa yhtälö 0 = 0 ja x 3 on vapaa muuttuja. Jos vakio 2 k 0 eli k 2, ei nyt voida päätellä mitään, koska on mahdotonta, että yhtä aikaa k = 2 ja k 2. Jos kerroin 2 k k 2 0 eli k 2 ja k 1, niin saadaan ratkaistua x 3 = ( 2 k)/(2 k k 2 ) ja ylemmistä yhtälöistä saadaan muut tuntemattomat. Yhtälöryhmällä on tasan yksi ratkaisu. LM1, Kesä /169

26 Tapaus k 1 = 0 eli k = 1. Yhtälöryhmä on tällöin x + y + z = 1 x + y + z = 1 x + y + z = 2. Ylin ja alin yhtälö ovat keskenään ristiriitaiset, joten yhtälöryhmällä ei ole ratkaisua. Yhteenveto: (a) ei ratkaisua, jos ja vain jos k = 1; (b) tasan yksi ratkaisu, jos ja vain jos k 2 ja k 1; (c) äärettömän monta ratkaisua, jos ja vain jos k = 2. LM1, Kesä /169

27 Vektorien virittämä aliavaruus Esimerkki 16 Mikä ehto vektorin w = (w 1, w 2, w 3 ) komponenttien on toteutettava, jotta w kuuluu vektoreiden v 1 = (3, 2, 1), v 2 = (2, 2, 6) ja v 3 = (3, 4, 5) virittämään aliavaruuteen span( v 1, v 2, v 3 )? Toisin sanottuna: Mikä ehto vektorin w = (w 1, w 2, w 3 ) komponenttien on toteutettava, jotta w on vektoreiden v 1, v 2 ja v 3 lineaarikombinaatio? LM1, Kesä /169

28 Tarkastellaan yhtälöä x 1 v 1 + x 2 v 2 + x 3 v 3 = w eli yhtälöä x 1 (3, 2, 1) + x 2 (2, 2, 6) + x 3 (3, 4, 5) = (w 1, w 2, w 3 ). Muokataan vastaavan yhtälöryhmän täydennetty matriisi porrasmatriisiksi: w 1 ( 1) r w w w 2 r 2 2r w w w w 2 + 2w w 1 r 3 3r w w 2 + 2w w 1 + 3w 3 r 3 2r 2 r 1 LM1, Kesä /169

29 1 6 5 w w 2 + 2w 3 r 2 / w 1 + 3w 3 2(w 2 + 2w 3 ) w /5 (w 2 + 2w 3 )/ w 1 2w 2 w 3 Havaitaan, että yhtälöryhmällä on ratkaisuja, jos ja vain jos w 1 2w 2 w 3 = 0. Siten span( v 1, v 2, v 3 ) = { w R 3 w 1 2w 2 w 3 = 0 } = { (x, y, z) R 3 x 2y z = 0 } eli origon kautta kulkeva taso, jonka yksi normaali on (1, 2, 1). LM1, Kesä /169

30 Vektorien virittämä aliavaruus Esimerkki 17 Merkitään ī = (1, 0) ja j = (0, 1). Osoita, että span(ī, j) = R 2. Toisin sanottuna: osoita, että jokainen avaruuden R 2 vektori voidaan esittää vektoreiden ī ja j lineaarikombinaationa. j ī LM1, Kesä /169

31 Oletetaan, että w R 2. Tällöin w = (w 1, w 2 ) joillakin reaaliluvuilla w 1 ja w 2. Huomataan, että w 1 ī + w 2 j = w 1 (1, 0) + w 2 (0, 1) = (w 1, 0) + (0, w 2 ) = (w 1, w 2 ) = w. Siis w voidaan kirjoittaa vektoreiden ī ja j lineaarikombinaationa eli w span(ī, j). Näin on osoitettu, että R 2 span(ī, j). Toinen suunta span(ī, j) R 2 on selvä, koska jokainen vektoreiden ī, j R 2 lineaarikombinaatio kuuluu avaruuteen R 2. LM1, Kesä /169

32 Vektoreiden virittämä aliavaruus Esimerkki 18 Onko totta, että span( v 1, v 2, v 3, v 4 ) = R 3, jos (a) v 1 = (1, 1, 0), v 2 = (1, 0, 1), v 3 = (0, 1, 1) ja v 4 = ( 2, 1, 1)? (b) v 1 = (1, 1, 0), v 2 = ( 1, 0, 1), v 3 = (0, 1, 1) ja v 4 = (2, 1, 1)? Kielteisessä tapauksessa määritä span( v 1, v 2, v 3, v 4 ). Myönteisessä tapauksessa tutki, kuinka monella tavalla vektori w = (w 1, w 2, w 3 ) voidaan esittää vektoreiden v 1, v 2, v 3 ja v 4 lineaarikombinaationa. LM1, Kesä /169

33 (a) Tarkastellaan yhtälöä x 1 v 1 + x 2 v 2 + x 3 v 3 + x 4 v 4 = w. Muokataan vastaavan yhtälöryhmän täydennetty matriisi joksikin porrasmatriisiksi: w w w w w 1 w (w 3 + w 2 w 1 )/2 Havaitaan, että yhtälöryhmällä on aina ratkaisu; itseasiassa niitä on äärettömän monta, koska x 4 on vapaa muuttuja. Siis span( v 1, v 2, v 3, v 4 ) = R 3 ja jokainen avaruuden R 3 vektori voidaan esittää äärettömän monella tavalla vektoreiden v 1, v 2, v 3 ja v 4 lineaarikombinaationa. LM1, Kesä /169

34 (b) Tarkastellaan yhtälöä x 1 v 1 + x 2 v 2 + x 3 v 3 + x 4 v 4 = w. Muokataan vastaavan yhtälöryhmän täydennetty matriisi joksikin porrasmatriisiksi: w w w w w 1 w w 1 + w 2 + w 3. Havaitaan, että yhtälöryhmällä on ratkaisu, jos ja vain jos w 1 + w 2 + w 3 = 0. Siten span( v 1, v 2, v 3, v 4 ) = { w R 3 w 1 + w 2 + w 3 = 0 } = { (x, y, z) R 3 x + y + z = 0 } eli origon kautta kulkeva taso, jonka yksi normaali on (1, 1, 1). LM1, Kesä /169

35 Jos w 1 + w 2 + w 3 = 0, niin vektori w voidaan esittää vektoreiden v 1, v 2, v 3 ja v 4 lineaarikombinaationa äärettömän monella tavalla, sillä x 3 ja x 4 ovat vapaita muuttujia. Erityisesti voidaan valita x 3 = 0 ja x 4 = 0 ja saadaan esitys w = w 2 v 1 + ( w 1 w 2 ) v 2. Näin ollen span( v 1, v 2, v 3, v 4 ) = span( v 1, v 2 ). LM1, Kesä /169

36 Havaintoja Edellisen esimerkin perusteella: Joskus osajono virittää saman aliavaruuden kuin alkuperäinen virittäjäjono ( v 1,..., v k ). Joskus aliavaruuden span( v 1,..., v k ) vektorit voidaan esittää usealla eri tavalla virittäjävektorien lineaarikombinaatioina. Miten löytää virittäjäjono, jossa ei ole turhia vektoreita? Miten löytää sellainen virittäjäjono, että kaikki aliavaruuden vektorit voidaan esittää tasan yhdellä tavalla virittäjävektorien lineaarikombinaatioina? LM1, Kesä /169