Matikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/210

Transkriptio

1 Matikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/210

2 Lineaarialgebra (muut ko) p. 2/210 Operaatiot Vektoreille u = (u 1,u 2 ) ja v = (v 1,v 2 ) Yhteenlasku: u+v = (u 1 +v 1,u 2 +v 2 ) Skalaarilla kertominen (a R): au = (au 1,au 2 ) Kommutatiivisuus Assosiatiivisuus u+v = v+u (u+v)+w = u+(v+w)

3 Lineaarialgebra (muut ko) p. 3/210 Pituus ja sisätulo Vektorin u = (u 1,u 2 ) R 2 pituus u = u 2 1 +u2 2 Vektorien u = (u 1,u 2 ) ja v = (v 1,v 2 ) sisätulo Pituudelle ax = a x (u,v) = u v = u 1 v 1 +u 2 v 2. Muistetaan, että u 2 = (u,u).

4 Lineaarialgebra (muut ko) p. 4/210 Sisätulo Sisätulon ominaisuuksia (s.3) (u,u) 0 (u,u) = 0 u = 0 (u,v) = (v,u) (u+v,w) = (u,w)+(v,w). (au,v) = a(u,v), a R.

5 Lineaarialgebra (muut ko) p. 5/210 Sisätulo Sisätulon ominaisuuksia (s.3) (u,u) 0 (u,u) = 0 u = 0 (u,v) = (v,u) (u+v,w) = (u,w)+(v,w). (au,v) = a(u,v), a R. Myös (u,v+w) = (u,v)+(u,w) ja(u v,w) = (u,w) (v,w).

6 Lineaarialgebra (muut ko) p. 6/210 Avaruusvektorit, s. 4 Avaruusvektorien joukko R 3 = {(x,y,z) x,y,z R}. Vektoreille u = (u 1,u 2,u 3 ) ja v = (v 1,v 2,v 3 ) operaatiot Yhteenlasku: u+v = (u 1 +v 1,u 2 +v 2,u 3 +v 3 ) Skalaarilla kertominen (a R): au = (au 1,au 2,au 3 )

7 Lineaarialgebra (muut ko) p. 7/210 Avaruusvektorit Avaruusvektoreille u = (u 1,u 2,u 3 ) ja v = (v 1,v 2,v 3 ) aiemmat tulokset (1.3) (1.7) toimivat myös R 3 :ssa, kun määritellään u = u 2 1 +u2 2 +u2 3 ja (u,v) = u 1 v 1 +u 2 v 2 +u 3 v 3.

8 Lineaarialgebra (muut ko) p. 8/210 Suorat Suoran L standardiesitys L : x x 0 a = y y 0 b = z z 0 c missä P = (x 0,y 0,z 0 ) on jokin L:n piste ja s = (a,b,c) (0,0,0) on suoran suuntavektori P

9 Lineaarialgebra (muut ko) p. 9/210 Suorat Suoran L standardiesitys L : x x 0 a = y y 0 b = z z 0 c missä P = (x 0,y 0,z 0 ) on jokin L:n piste ja s = (a,b,c) (0,0,0) on suoran suuntavektori P s

10 Lineaarialgebra (muut ko) p. 10/210 Parametriesitys Suoran L koordinaattimuotoinen parametriesitys x = x 0 +ta y = y 0 +tb z = z 0 +tc (t R)

11 Lineaarialgebra (muut ko) p. 11/210 Parametriesitys Suoran L koordinaattimuotoinen parametriesitys x = x 0 +ta y = y 0 +tb z = z 0 +tc t = 1 (t R) P ts vektoreina r = r 0 +ts, t R.

12 Lineaarialgebra (muut ko) p. 12/210 Parametriesitys Suoran L koordinaattimuotoinen parametriesitys x = x 0 +ta y = y 0 +tb z = z 0 +tc (t R) P t = 2 ts vektoreina r = r 0 +ts, t R.

13 Lineaarialgebra (muut ko) p. 13/210 Erikoistapaukset (standardiesitys) Tapaus c = 0: L : Tapaus b = c = 0: x x 0 a = y y 0 b, z = z 0 L : y = y 0, z = z 0

14 Lineaarialgebra (muut ko) p. 14/210 Tasot Tason piste P = (x 0,y 0,z 0 ) ja normaalivektori n = (a,b,c) (0,0,0). Tason T koordinaattimuotoinen esitys T : ax+by +cz = d missä d = ax 0 +by 0 +cz 0.

15 Lineaarialgebra (muut ko) p. 15/210 Mitä yhtälöryhmälle saa tehdä? 1) Yhtälön voi kertoa vakiolla 0 2) Yhtälön voi lisätä toiseen vakiolla kerrottuna 3) Yhtälöiden järjestystä voi vaihtaa

16 Lineaarialgebra (muut ko) p. 16/210 n-ulotteinen avaruus, s.9 Vektorien joukko R n = {(x 1,x 2,...,x n ) x 1,x 2,...,x n R}. Vektoreille u = (u 1,u 2,...,u n ) ja v = (v 1,v 2,...,v n ) operaatiot Yhteenlasku: u+v = (u 1 +v 1,u 2 +v 2,...,u n +v n ) Skalaarilla kertominen (a R): au = (au 1,au 2,...,au n )

17 Lineaarialgebra (muut ko) p. 17/210 n-ulotteinen avaruus, s.9 Vektoreille u = (u 1,u 2,...,u n ) ja v = (v 1,v 2,...,v n ) aiemmat tulokset (1.3) (1.7) toimivat myös R n :ssa, kun määritellään u = u 2 1 +u u2 n ja (u,v) = u 1 v 1 +u 2 v 2 + +u n v n.

18 Lineaarialgebra (muut ko) p. 18/210 MATRIISIT: Johdanto (k = 20) { 2x+3y = 0 4x+ky = 0 Ratkaisuja 1, kun 2 k 3 4 0, Ratkaisuja, kun 2 k 3 4 = 0 (eli k = 6).

19 Lineaarialgebra (muut ko) p. 18/210 MATRIISIT: Johdanto (k = 7) { 2x+3y = 0 4x+ky = 0 Ratkaisuja 1, kun 2 k 3 4 0, Ratkaisuja, kun 2 k 3 4 = 0 (eli k = 6).

20 Lineaarialgebra (muut ko) p. 18/210 MATRIISIT: Johdanto { 2x+3y = 1 4x+ky = 5 Ratkaisuja 1, kun 2 k 3 4 0,

21 Lineaarialgebra (muut ko) p. 18/210 MATRIISIT: Johdanto { 2x+3y = 1 4x+ky = 5 Ei ratkaisuja, kun 2 k 3 4 = 0, eli k = 6.

22 Lineaarialgebra (muut ko) p. 19/210 MATRIISIT: Johdanto Kertoimista "matriisi" ( k ) ja "determinantti" k = 2 k 3 4

23 Lineaarialgebra (muut ko) p. 20/210 MATRIISIT: Johdanto Kertoimista "matriisi" ( k ) ja "determinantti" k = 2k 3 4 "vakiot"pystyvektorina ( 1 5 )

24 Lineaarialgebra (muut ko) p. 21/210 MATRIISIT: Johdanto Yleistyykö edellinen tarkastelu? Entä kun tuntemattomia ja yhtälöitä eri määrä? Onko yhtälöryhmää, jossa tarkalleen 17 ratkaisua?

25 Lineaarialgebra (muut ko) p. 22/210 Matriiseista Samaa tyyppiä olevat m n-matriisit voidaan laskea yhteen A+B Nollamatriisi O = (0) m n Transponointi A T ( ) T =

26 Lineaarialgebra (muut ko) p. 23/210 Matriisien tulo, s. 13 Matriisien A = (a ij ) m s ja B = (b ij ) s n tulo on AB = (u ij ) m n missä kaikilla i, j. u ij = a i1 b 1j +a i2 b 2j + +a is b sj

27 Lineaarialgebra (muut ko) p. 24/210 Matriisien tulo Matriisitulo ( ) 2 2 ( ) 2 3 =

28 Lineaarialgebra (muut ko) p. 25/210 Matriisien tulo Matriisitulo ( ) 2 2 ( ) 2 3 = ( )

29 Lineaarialgebra (muut ko) p. 26/210 Matriisien tulo Matriisitulo ( ) 2 2 ( ) 2 3 = ( )

30 Lineaarialgebra (muut ko) p. 27/210 Matriisien tulo Yleensä ei KOMMUTOI AB BA

31 Lineaarialgebra (muut ko) p. 28/210 Matriisien tulo Kaikkien m n-matriisien joukko M m n

32 Lineaarialgebra (muut ko) p. 29/210 Laskusääntöjä, s. 18 skalaari r R (AB)C = A(BC) A(B +C) = AB +AC (A+B)C = AC +BC r(ab) = A(rB)

33 Lineaarialgebra (muut ko) p. 30/210 Johdanto yhtälöryhmiin Tutkitaan ratkaisuja 5x + y + t = 1 3x y + 2z t = 2 x + y z = 0

34 Lineaarialgebra (muut ko) p. 31/210 Johdanto yhtälöryhmiin Tutkitaan ratkaisuja 5x 1 + x 2 + x 4 = 1 3x 1 x 2 + 2x 3 x 4 = 2 x 1 + x 2 x 3 = 0

35 Lineaarialgebra (muut ko) p. 32/210 Johdanto yhtälöryhmiin Tutkitaan ratkaisuja 5x 1 + x 2 + x 4 = 1 3x 1 x 2 + 2x 3 x 4 = 2 x 1 + x 2 x 3 = 0 Tästä matriisit , x 1 x 2 x 3 x 4, 1 2 0

36 Lineaarialgebra (muut ko) p. 33/210 Johdanto yhtälöryhmiin, s.16 Tutkitaan ratkaisuja 5x 1 + x 2 + x 4 = 1 3x 1 x 2 + 2x 3 x 4 = 2 x 1 + x 2 x 3 = 0 Tästä matriisit , 1 } 1 1 {{ 0 } kerroinmatriisi x 1 x 2 x 3 x 4, }{{} tuntemattomat }{{} vakiot

37 Lineaarialgebra (muut ko) p. 34/210 Esimerkiksi { 2x + 3y = 1 4x + 5y = 3

38 Lineaarialgebra (muut ko) p. 35/210 Esimerkiksi { 2x 1 + 3x 2 = 1 4x 1 + 5x 2 = 3

39 Lineaarialgebra (muut ko) p. 36/210 Esimerkiksi { 2x 1 + 3x 2 = 1 4x 1 + 5x 2 = 3 A = ( ) x = ( x 1 x 2 ) c = ( 1 3 ) Matriisikielellä Ax = c

40 Lineaarialgebra (muut ko) p. 37/ Lineaariset yhtälöryhmät Monisteessa (2.3) a 11 x 1 + a 12 x a 1n x n = c 1 a 21 x 1 + a 22 x a 2n x n = c 2... a m1 x 1 + a m2 x a mn x n = c m

41 Lineaarialgebra (muut ko) p. 38/210 Matriisien avulla Ax = c, missä A = a 11 a a 1n a 12 a a 2n , a m1 a m2... a mn ja x = x 1 x 2. c = c 1 c 2. x n c m

42 Lineaarialgebra (muut ko) p. 39/210 Homogeenisuus Yhtälöryhmä on homogeeninen, jos Monisteessa (2.5) a 11 x 1 + a 12 x a 1n x n = 0 a 21 x 1 + a 22 x a 2n x n = 0... a m1 x 1 + a m2 x a mn x n = 0 eli matriisimuodossa Ax = 0. Muutoin epähomogeeninen

43 Lineaarialgebra (muut ko) p. 40/210 Esimerkiksi Epähomogeeninen { 2x 1 + 3x 2 = 1 4x 1 + 5x 2 = 3 Homogeeninen { 2x 1 + 3x 2 = 0 4x 1 + 5x 2 = 0

44 Lineaarialgebra (muut ko) p. 41/210 Yhtälöryhmistä Olkoon x 0 yksittäisratkaisu epähomogeeniselle yhtälöryhmälle Ax = c. Silloin sen kaikki ratkaisut ovat muotoa x = x 0 +y missä y on homogeenisen yhtälöryhmän Ax = 0 kaikki ratkaisut.

45 Lineaarialgebra (muut ko) p. 42/210 Tulon transponointi (AB) T = B T A T Matriisi on symmetrinen, jos järjestys! A T = A Identiteettimatriisi I = I n = Neliömatriisille A: AI = IA = A

46 Lineaarialgebra (muut ko) p. 43/210 Matriisin potenssi Kun kokonaisluku k 1 A k = A A A }{{} k Lisäksi A 0 = I

47 Lineaarialgebra (muut ko) p. 44/210 Matriisiyhtälöistä (s. 20) Matriisiyhtälöitä voidaan käsitellä kuten reaalilukuyhtälöitä, kunhan ei käytetä jakolaskua eikä kommutatiivisuutta Ei siis voi yleensä supistaa AB = AC B = C

48 Lineaarialgebra (muut ko) p. 45/210 Käänteismatriisi Määritelmä neliömatriisin A käänteismatriisille eli EI MERKITÄ 1 A vaana 1 Ei aina olemassa, esim A = AB = BA = I AA 1 = A 1 A = I ( ).

49 Lineaarialgebra (muut ko) p. 46/210 Säännöllisyys A on säännöllinen, jos A 1 on olemassa.

50 Lineaarialgebra (muut ko) p. 47/210 Säännöllisyys A on säännöllinen, jos A 1 on olemassa. Jos matriisin A = ( a b c d ) kertoimille ad bc 0, niin A 1 = 1 ad bc ( d b c a )

51 Lineaarialgebra (muut ko) p. 48/210 Laskusääntöjä Olkoot A ja B säännöllisiä matriiseja: (AB) 1 = B 1 A 1 (A T ) 1 = (A 1 ) T

52 Lineaarialgebra (muut ko) p. 49/210 Laskusääntöjä Olkoot A ja B matriiseja, missä pystyrivien avulla B = (b 1 b k ). Silloin kertolasku AB = (Ab 1 Ab k )

53 Lineaarialgebra (muut ko) p. 50/ Matriisien kertominen lohkomuodossa Lohkominen ( A B C D )( 1 0 a b 0 1 c d A B C D ) = ( ( I A O I ) AA +BC AB +BD CA +DC CB +DD ) Esimerkiksi ( I A O I )( A O I B ) = ( O AB I B )

54 Lineaarialgebra (muut ko) p. 51/210 Determinantti Neliömatriisille A: det(a) = a 11 a a 1n a 21 a a 2n a n1 a n2... a nn = kaikki permutaatiot(j 1,j 2,...,j n ) sign(j 1,j 2,...,j n )a 1j1 a 2j2...a njn

55 Lineaarialgebra (muut ko) p. 52/210 2-rivinen determinantti a b c d = ad cb

56 Lineaarialgebra (muut ko) p. 53/210 Perusominaisuuksia, s. 26 1) 2) a ca 1k... a 1n a ca 2k... a 2n a n1... ca nk... a nn det(a T ) = det(a) = c a a 1k... a 1n a a 2k... a 2n a n1... a nk... a nn vastaavasti vaakariville

57 Lineaarialgebra (muut ko) p. 54/210 Perusominaisuuksia, s. 27 3) a a 1k +b 1k... a 1n a a 2k +b 2k... a 2n a n1... a nk +b nk... a nn = a a 1k... a 1n a a 2k... a 2n a n1... a nk... a nn + a b 1k... a 1n a b 2k... a 2n a n1... b nk... a nn vastaavasti vaakariville

58 Lineaarialgebra (muut ko) p. 55/210 Perusominaisuuksia, s. 27 4) Jos pysty- tai vaakarivi on nollarivi, niin det(a) = 0. 5) Jos kaksi samaa pystyriviä (tai kaksi samaa vaakariviä), niin det(a) = 0. 6) Jos kaksi vaakariviä (tai kaksi pystyriviä) vaihdetaan keskenään, niin determinantti muuttuu vastaluvukseen. a 11 a a 1n a 21 a a 2n a n1 a n2... a nn = a 21 a a 2n a 11 a a 1n a n1 a n2... a nn

59 Lineaarialgebra (muut ko) p. 56/210 Perusominaisuuksia, s. 27 7) c + a a 1h... a 1k... a 1n a a 2h... a 2k... a 2n a n1... a nh... a nk... a nn = a a 1h... a 1k +ca 1h... a 1n a a 2h... a 2k +ca 2h... a 2n a n1... a nh... a nk +ca nh... a nn vastaavasti vaakariville

60 Lineaarialgebra (muut ko) p. 57/210 Tulon determinantti det(ab) = det(a) det(b) Jos A on säännöllinen, niin det(a 1 ) = 1 det(a)

61 Lineaarialgebra (muut ko) p. 58/210 Alkion komplementti Matriisin alkion a ij komplementti C ij = ( 1) i+j det(a ij ) missä A ij saatu poistamalla matriisista A vaakarivi i ja pystyrivi j. Deteminantin rivikehitelmät (vaakariville) det(a) = a i1 C i1 + +a in C in

62 Lineaarialgebra (muut ko) p. 59/210 Alkion komplementti Matriisin alkion a ij komplementti C ij = ( 1) i+j det(a ij ) missä A ij saatu poistamalla matriisista A vaakarivi i ja pystyrivi j. Deteminantin rivikehitelmät (vaakariville) ( = ) ( ) ( )

63 Lineaarialgebra (muut ko) p. 60/210 Alkion komplementti Matriisin alkion a ij komplementti C ij = ( 1) i+j det(a ij ) missä A ij saatu poistamalla matriisista A vaakarivi i ja pystyrivi j. Deteminantin rivikehitelmät (vaakariville) det(a) = a i1 C i1 + +a in C in = n a ik C ik k=1 ja pystyriville det(a) = n a kj C kj k=1

64 Lineaarialgebra (muut ko) p. 61/210 Käänteismatriisin kaava Matriisin A liittomatriisi adj(a) = (C ij ) T Jos A on säännöllinen, niin A 1 = 1 det(a) (C ij) T A on säännöllinen det(a) 0

65 Lineaarialgebra (muut ko) p. 62/210 Cramerin sääntö Jos yhtälöryhmän Ax = c kerroinmatriisi A on säännöllinen, niin sillä on yksikäsitteinen ratkaisu x j = det(a j) det(a) missä x = x 1 x 2. x n ja A j saadaan korvaamalla j:s pystyrivi c:llä

66 Lineaarialgebra (muut ko) p. 63/210 Ristitulo, s. 34 Tarkastelussa vain R 3 Olkoon u = (u 1,u 2,u 3 ) R 3 v = (v 1,v 2,v 3 ) R 3 u v = (C 11,C 12,C 13 ).

67 Lineaarialgebra (muut ko) p. 64/210 Ristitulo, s. 34 Tarkastelussa vain R 3 Olkoon u = (u 1,u 2,u 3 ) R 3 u v = v = (v 1,v 2,v 3 ) R 3 u 2 u 3 u 1 u 3 u 1 u 2,, v 2 v 3 v 1 v 3 v 1 v 2. }{{}}{{}}{{} C 11 C 12 C 13

68 Lineaarialgebra (muut ko) p. 65/210 Ristitulo Eli (u,u v) = u 1 C 11 +u 2 C 12 +u 3 C 13 ( ) u 2 u 3 = u 1 v 2 v 3 +u u 1 u 3 2 v 1 v 3 +u 3 u 1 u 2 v 1 v 2 ja samoin (v,u v) = v 1 C 11 +v 2 C 12 +v 3 C 13 ( ) u 2 u 3 = v 1 v 2 v 3 +v u 1 u 3 u 1 u 2 2 +v 3 v 1 v 3 v 1 v 2 Johtavat determinantteihin (kehittämällä 1. vaakarivi) u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3 u 1 u 2 u 3 u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3 v 1 v 2 v 3

69 Lineaarialgebra (muut ko) p. 66/210 Ristitulo Eli (u,u v) = u 1 C 11 +u 2 C 12 +u 3 C 13 ( ) u 2 u 3 = u 1 v 2 v 3 +u u 1 u 3 2 v 1 v 3 +u 3 u 1 u 2 v 1 v 2 ja samoin (v,u v) = v 1 C 11 +v 2 C 12 +v 3 C 13 ( ) u 2 u 3 = v 1 v 2 v 3 +v u 1 u 3 u 1 u 2 2 +v 3 v 1 v 3 v 1 v 2 Johtavat determinantteihin (kehittämällä 1. vaakarivi) u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3 u 1 u 2 u 3 = 0 = u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3 v 1 v 2 v 3

70 Lineaarialgebra (muut ko) p. 67/210 Ristitulo Siis u (C 11,C 12,C 13 ) = 0 v (C 11,C 12,C 13 ) = 0

71 Lineaarialgebra (muut ko) p. 68/210 Muistisääntö Ristitulo (vain R 3 :ssa) Vektoreille u = (u 1,u 2,u 3 ) ja v = (v 1,v 2,v 3 ) u v = i j k u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3 Jos u ja v eivät nollavektoreita ja α on niiden välinen kulma, niin u v = u v sinα. Vertaa (1.4): (u,v) = u v cosα. u u v ja v u v

72 Lineaarialgebra (muut ko) p. 69/210 Muistisääntö Ristitulo (vain R 3 :ssa) Vektoreille u = (u 1,u 2,u 3 ) ja v = (v 1,v 2,v 3 ) u v = Ei kommutatiivinen i j k u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3 u v = v u Ei myöskään assosiatiivinen eli yleensä u (v w) (u v) w.

73 Lineaarialgebra (muut ko) p. 70/210 Skalaarikolmitulo Skalaarikolmitulo vektoreille u = (u 1,u 2,u 3 ), v = (v 1,v 2,v 3 ) ja w = (w 1,w 2,w 3 ): u (v w) = u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3 w 1 w 2 w 3 Vektorien määräämän suuntaissärmiön (kts. kuva alla) tilavuus saadaan itseisarvosta u (v w) u w v

74 Lineaarialgebra (muut ko) p. 71/210 Aliavaruus Aliavaruudelle U R n kolme ehtoa: 1) U 2) u,v U u+v U 3) a R, u U au U.

75 Lineaarialgebra (muut ko) p. 72/210 Aliavaruus Aliavaruudelle U R n kolme ehtoa: 1) U 2) u,v U u+v U 3) a R, u U au U.

76 Lineaarialgebra (muut ko) p. 73/210 Aliavaruus Aliavaruudelle U R n kolme ehtoa: 1) U 2) u,v U u+v U 3) a R, u U au U. 0 kuuluu aina aliavaruuteen! U = {x R n Ax = 0} on R n :n aliavaruus Triviaalit aliavaruudet: {0} ja R n.

77 Lineaarialgebra (muut ko) p. 74/210 Ratkaisuavaruus (Lause 4.1.8) Lineaarisen homogeenisen yhtälöryhmän a 11 x 1 + a 12 x a 1n x n = 0 a 21 x 1 + a 22 x a 2n x n = 0... a n1 x 1 + a n2 x a nn x n = 0 ratkaisut x = x 1. x n muodostavat aliavaruuden (ns. ratkaisuavaruuden)

78 Lineaarialgebra (muut ko) p. 75/210 Ratkaisuavaruus (Lause 4.1.8) Lineaarisen homogeenisen yhtälöryhmän Ax = 0 ratkaisut x = x 1. x n muodostavat aliavaruuden (ns. ratkaisuavaruuden)

79 Lineaarialgebra (muut ko) p. 76/210 AliavaruudetR 3 :ssa {0} origon kautta kulkevat suorat origon kautta kulkevat tasot R 3

80 Lineaarialgebra (muut ko) p. 77/210 Viritetty aliavaruus vektorien x 1,x 2,...,x k R n lineaarikombinaatio vektorien virittämä aliavaruus c 1 x 1 +c 2 x c k x k L(x 1,x 2,...,x k ) = {c 1 x 1 +c 2 x c k x k c 1,c 2,...,c k R}

81 Lineaarialgebra (muut ko) p. 78/210 Viritetty aliavaruus vektorien x 1,x 2,...,x k R n lineaarikombinaatio vektorien virittämä aliavaruus c 1 x 1 +c 2 x c k x k L(x 1,x 2,...,x k ) = {c 1 x 1 +c 2 x c k x k c 1,c 2,...,c k R} Esimerkiksi a(1,1)+b(1,0) ja L((1,1),(1,0)) sisältää mm. vektorit (0,0),(1,1),(1,0),(2,1),(0,1),( 2,0),...

82 Lineaarialgebra (muut ko) p. 79/210 Matriisien avulla Pystyrivien lineaarikombinaatio A = (a 1 a 2... a n ) Ac = c 1 a 1 + +c n a n

83 Lineaarialgebra (muut ko) p. 80/210 Matriisien avulla matriisin pystyriveille A = (a 1 a 2... a n ) m n Lause 4.2.8: neliömatriisille L(a 1,a 2,...,a n ) = {Ac c R n } L(a 1,a 2,...,a n ) = R n A on säännöllinen

84 Lineaarialgebra (muut ko) p. 81/210 Matriisien avulla matriisin pystyriveille A = (a 1 a 2... a n ) m n Lause 4.2.8: neliömatriisille L(a 1,a 2,...,a n ) = {Ac c R n } L(a 1,a 2,...,a n ) = R n A on säännöllinen Esimerkiksi L((1,1),(1,0)) = R 2, sillä

85 Lineaarialgebra (muut ko) p. 82/210 Johdanto: Lineaarinen riippumattomuus Olkoot x = (1,1,0) ja y = ( 2, 2,0). Näille lineaarikombinaatioina 0 x+0 y = (0,0,0) 2 x+1 y = (0,0,0) 20 x+10 y = (0,0,0).

86 Lineaarialgebra (muut ko) p. 83/210 Lineaarinen riippumattomuus Lineaarinen riippuvuus c 1 x c m x m = 0 missä jokin c j 0 Lineaarinen riippumattomuus c 1 x c m x m = 0 = c 1 = c 2 =... = c m = 0

87 Lineaarialgebra (muut ko) p. 84/210 Matriisien avulla Lause : Neliömatriisin A = (a 1 a 2... a n ) pystyriveille: Pystyrivit ovat lin. riippumattomia A on säännöllinen

88 Lineaarialgebra (muut ko) p. 85/210 Lineaarinen riippumattomuus Lause sanoo: Vektorit ovat lineaarisesti riippuvia jokin niistä saadaan muiden lineaarikombinaationa x j = c 1 x 1 + +c j 1 x j 1 +c j+1 x j+1 + +c m x m

89 Lineaarialgebra (muut ko) p. 86/210 Lineaarinen riippumattomuus Kaksi vektoria ovat lineaarisesti riippuvia toinen on toisen skalaarimonikerta Varoitus: ei toimi useammalla vektorilla: (1,1,0),(1,0,0),(0,1,0) vaikka t (1,0,0) (0,1,0) s (1,0,0) (1,1,0) r (0,1,0) (1,1,0) kaikilla t,r,s R, niin silti lin. riippuvuus (1,1,0) = (1,0,0)+(0,1,0)

90 Lineaarialgebra (muut ko) p. 87/210 Johdanto: kanta Jokainen vektori lin.kombinaationa? (x,y) = c 1 (2,2)

91 Lineaarialgebra (muut ko) p. 88/210 Johdanto: kanta Jokainen vektori lin.kombinaationa? (x,y) = c 1 (2,2)

92 Lineaarialgebra (muut ko) p. 89/210 Johdanto: kanta Jokainen vektori lin.kombinaationa: (x,y) = c 1 (2,2)+c 2 ( 4,2) = 12 0

93 Lineaarialgebra (muut ko) p. 90/210 Johdanto: kanta Jokainen vektori lin.kombinaationa: (x,y) = c 1 (2,2)+c 2 ( 4, 4)

94 Lineaarialgebra (muut ko) p. 91/210 Johdanto: kanta Jokainen vektori lin.kombinaationa (yksikäsitteisesti): (1, 2) = 1 2 (2,2) 1 2 ( 4,2)+0 (1, 2) (1, 2) = 0 (2,2)+0 ( 4,2)+1 (1, 2)

95 Lineaarialgebra (muut ko) p. 92/210 Kanta Vektorit u 1,...,u k muodostavat aliavaruuden U kannan, jos (i) ovat lineaarisesti riippumattomia, (ii) virittävät koko U:n.

96 Lineaarialgebra (muut ko) p. 93/210 Kanta Vektorit u 1,...,u k muodostavat aliavaruuden U kannan, jos (i) ovat lineaarisesti riippumattomia eli c 1 u 1 + +c m u k = 0 c 1 = = c k = 0, (ii) virittävät koko U:n eli L(u 1,...,u k ) = {c 1 u 1 + +c k u k c 1,...,c k R} = U.

97 Lineaarialgebra (muut ko) p. 94/210 Kannan merkitys Yksikäsitteinen kantaesitys vektorille u U R 4 :n luonnollinen kanta u = c 1 u 1 + +c k u k. {e 1,e 2,e 3,e 4 } = Jos U = R n, niin determinantit käteviä, mutta U R n eivät yleensä sovellu.

98 Lineaarialgebra (muut ko) p. 95/210 Kannan merkitys Yksikäsitteinen kantaesitys vektorille u U R 4 :n luonnollinen kanta u = c 1 u 1 + +c k u k. {e 1,e 2,e 3,e 4 } = {(1,0,0,0),(0,1,0,0),(0,0,1,0),(0,0,0,1)}. Jos U = R n, niin determinantit käteviä, mutta U R n eivät yleensä sovellu.

99 Lineaarialgebra (muut ko) p. 96/210 Perusominaisuuksia s. 45 1) Jokaisella aliavaruudella U on kanta. 2) Jokaisessa U:n kannassa on sama määrä vektoreita. 3) Lineaarisesti riippumaton U:n joukko {u 1,...,u k } voidaan täydentää U:n kannaksi {u 1,...,u k,u k+1,...u m }. 4) Jos L(u 1,...,u t ) = U, niin tästä saadaan kanta U:lle jättämällä ylimääräiset pois (kunnes lin. riippumaton).

100 Lineaarialgebra (muut ko) p. 97/210 Dimension ominaisuuksia s. 46 Olkoot U,V R n aliavaruuksia: 1) dimu n 2) Jos U V, niin dimu dimv. 3) Jos U V, niin dimu < dimv. 4) Jos u 1,...,u k U ja k < dimu, niin eivät viritä U:ta. 5) Jos u 1,...,u k U ja k > dimu, niin ovat lineaarisesti riippuvia.

101 Lineaarialgebra (muut ko) p. 98/210 Dimension ominaisuuksia s. 46 6) Vektorit u 1,...,u k U muodostavat kannan, jos kaksi seuraavista voimassa: (i) u 1,...,u k ovat lineaarisesti riippumattomia, (ii) U = L(u 1,...,u k ), (ii) k = dimu.

102 Lineaarialgebra (muut ko) p. 99/210 Dimension ominaisuuksia s. 46 7) Olkoon u 1,...,u k kanta U:lle ja vektoreiden v 1,...,v k U kantaesitykset v j = k a ij u i (j = 1,...,k). i=1 Vektorit v 1,...v k muodostavat kannan, jos on säännöllinen. A = (a ij ) k k

103 Lineaarialgebra (muut ko) p. 100/210 Tunnettuja dimensioita Aliavaruuden U R n dimensio dim U = kantavektoreiden lukumäärä Koko avaruudelle dimr n = n. Tasolle (origon kautta) T R 3 dimt = 2. Suoralle (origon kautta) L R 3 diml = 1.