LINEAARIALGEBRA A 2016 TOMI ALASTE EDITED BY T.M. FROM THE NOTES OF

Samankaltaiset tiedostot
Lineaarialgebra II P

pdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus Sisätuloavaruus Lineaarikuvaus Ominaisarvo 0-68

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III LINEAR ALGEBRA PART III

Avaruuden R n aliavaruus

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Ortogonaalisen kannan etsiminen

6. OMINAISARVOT JA DIAGONALISOINTI

(1.1) Ae j = a k,j e k.

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II LINEAR ALGEBRA PART II

LINEAARIALGEBRA. Harjoituksia/Exercises 2017 Valittuja ratkaisuja/selected solutions

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II LINEAR ALGEBRA PART II

Bijektio. Voidaan päätellä, että kuvaus on bijektio, jos ja vain jos maalin jokaiselle alkiolle kuvautuu tasan yksi lähdön alkio.

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II/PART II

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II/PART II

Insinöörimatematiikka D

LINEAARIALGEBRA. Harjoituksia/Exercises 2019 Valittuja ratkaisuja/selected solutions

Lineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.

Matriisiteoria Harjoitus 1, kevät Olkoon. cos α sin α A(α) = . sin α cos α. Osoita, että A(α + β) = A(α)A(β). Mikä matriisi A(α)A( α) on?

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Alkeismuunnokset matriisille, sivu 57

Sisätuloavaruudet. 4. lokakuuta 2006

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Kanta ja dimensio 1 / 23

Päättelyn voisi aloittaa myös edellisen loppupuolelta ja näyttää kuten alkupuolella, että välttämättä dim W < R 1 R 1

1 Avaruuksien ja lineaarikuvausten suora summa

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

Insinöörimatematiikka D

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /310

Demorastitiedot saat demonstraattori Markus Niskaselta Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/104

1. Normi ja sisätulo

Insinöörimatematiikka D

ominaisvektorit. Nyt 2 3 6

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

Kantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

6 Vektoriavaruus R n. 6.1 Lineaarikombinaatio

4. LINEAARIKUVAUKSET

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I LINEAR ALGEBRA PART I

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I LINEAR ALGEBRA PART I

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

9. Lineaaristen differentiaaliyhtälöiden ratkaisuavaruuksista

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

Matemaattinen Analyysi / kertaus

Tehtäväsarja I Kerrataan lineaarikuvauksiin liittyviä todistuksia ja lineaarikuvauksen muodostamista. Sarjaan liittyvät Stack-tehtävät: 1 ja 2.

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

{I n } < { I n,i n } < GL n (Q) < GL n (R) < GL n (C) kaikilla n 2 ja

Liittomatriisi. Liittomatriisi. Määritelmä 16 Olkoon A 2 M(n, n). Matriisin A liittomatriisi on cof A 2 M(n, n), missä. 1) i+j det A ij.

LINEAARIALGEBRA P. LUENTOMONISTE ja HARJOITUSTEHTÄVÄT

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Ominaisarvo ja ominaisvektori

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Ominaisarvoon 4 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax = 4x eli yhtälöryhmän x 1 + 2x 2 + x 3 = 4x 1 3x 2 + x 3 = 4x 2 5x 2 x 3 = 4x 3.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Insinöörimatematiikka D

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Johdatus lineaarialgebraan

Insinöörimatematiikka D

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

i=1 Näistä on helppo näyttää ominaisuudet (1)-(4). Ellei toisin mainita, käytetään R n :ssä

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

Hilbertin avaruudet, 5op Hilbert spaces, 5 cr

Yleiset lineaarimuunnokset

Ensi viikon luennot salissa X. Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/66

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Matriisilaskenta Luento 16: Matriisin ominaisarvot ja ominaisvektorit

HILBERTIN AVARUUKSISTA

Kanta ja Kannan-vaihto

3x + y + 2z = 5 e) 2x + 3y 2z = 3 x 2y + 4z = 1. x + y 2z + u + 3v = 1 b) 2x y + 2z + 2u + 6v = 2 3x + 2y 4z 3u 9v = 3. { 2x y = k 4x + 2y = h

Insinöörimatematiikka D

Kompaktien operaattoreiden spektraaliteoriasta

JAKSO 2 KANTA JA KOORDINAATIT

Insinöörimatematiikka D

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Ominaisarvo-hajoitelma ja diagonalisointi

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I. LM1, Kesä /218

Insinöörimatematiikka D

Transkriptio:

LINEAARIALGEBRA 83A 6 EDITED BY T.M. FROM THE NOTES OF TOMI ALASTE

SISÄLTÖ Sisältö Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus Sisätuloavaruus 3 Lineaarikuvaus 4 Ominaisarvo 34 5 Esimerkkejä 44

. Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus Määritelmä.. Epätyhjä joukko V on lineaariavaruus eli vektoriavaruus, jos seuraavat ehdot ovat voimassa:. Joukossa V on määritelty laskutoimitus + (toisin sanoen kaikilla alkioilla v, w V on olemassa yksikäsitteinen joukon V alkio v + w, jota sanotaan alkioiden v ja w summaksi), joka toteuttaa seuraavat laskulait: (a) u + (v + w) = (u + v) + w kaikilla u, v, w V (liitännäisyys). (b) v + w = w + v kaikilla v, w V (vaihdannaisuus). (c) On olemassa neutraalialkio V, jolle + v = v kaikilla v V. (d) Kaikilla v V on olemassa vasta-alkio v V, jolle v + ( v) =.. Joukossa V on määritelty reaaliluvulla (skalaarilla) kertominen (vasemmalta) (toisin sanoen kaikilla v V ja λ R on olemassa jokin yksikäsitteinen alkio λ v V ), jolla on seuraavat ominaisuudet: (a) (λμ) v = λ (μ v) kaikilla v V ja λ, μ R. (b) v = v kaikilla v V. 3. Yhteenlasku + ja reaaliluvulla kertominen toteuttavat seuraavat osittelulait: (a) λ (v + w) = λ v + λ w kaikilla v, w V ja λ R. (b) (λ + μ) v = λ v + μ v kaikilla v V ja λ, μ R. Edellisessä määritelmässä annettuja ehtoja sanotaan lineaariavaruuden aksioomeiksi ja joukon V alkioita voidaan kutsua vektoreiksi. Huomautus.. : (a) Yhteenlasku + on kuvaus + : V V V ja reaaliluvulla kertominen on kuvaus : R V V. (b) Määritelmän. vektoriavaruus on reaalinen vektoriavaruus. Olkoon K kunta. Jos skalaarilla kertominen on kuvaus : K V V, niin puhutaan K-kertoimisesta vektoriavaruudesta. Erikoistapauksena saadaan reaalinen vektoriavaruus, kun K = R, ja kompleksinen vektoriavaruus, kun K = C. (c) Yleensä kertolasku jätetään merkitsemättä, ts. λ v = λv. (d) MERKINTÄ: Asetetaan Esimerkki.3. : u v := u + ( v). ()

. Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus (a) Joukko R n, n Z + on vektoriavaruus, kun vektoreiden x = (x,..., x n ), y = (y,..., y n ) identtisyys, yhteenlasku ja reaaliluvulla kertominen määritellään komponenteittain: x = y x i = y i i =,..., n; () x + y = (x + y,..., x n + y n ); (3) λ x = (λx,..., λx n ). (4) Erityisesti R on vektoriavaruus. (b) Joukko M(k, n) = {A A on k n matriisi} on vektoriavaruus, kun se varustetaan tavallisella matriisien yhteenlaskulla ja reaaliluvulla kertomisella. (c) Olkoon F(R, R) = {f f : R R on kuvaus}. Määritellään kaikilla f, g F(R, R) ja λ R identtisyys, yhteenlasku ja reaaliluvulla kertominen seuraavasti: f = g, jos f(x) = g(x) (5) (f + g)(x) = f(x) + g(x) (6) (λ f)(x) = λf(x) (7) kaikilla x R. Tällöin F(R, R) on vektoriavaruus. Osoitetaan kohta c): Määritellään nollafunktio O asettamalla Tällöin O(x) = x R. (8) (O + f)(x) = O(x) + f(x) = + f(x) = f(x) x R, (9) joten funktioiden identtisyyden nojalla O + f = f. () Siten nollafunktio on neutraalialkio funktioavaruudessa. Osoitetaan kohta d): Määritellään f asettamalla ( f)(x) = f(x) x R. () 3

. Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus Tällöin (f + ( f))(x) = f(x) + ( f)(x) = joten funktioiden identtisyyden nojalla f(x) f(x) = = O(x) x R, () f + ( f) = O. (3) Siten f on alkion f vasta-alkio funktioavaruudessa. (d) Olkoot X epätyhjä joukko, V vektoriavaruus ja F(X, V ) = {f f : X V on kuvaus}. Määritellään yhteenlasku + ja kertolasku kuten (c)-kohdassa. Tällöin F(X, V ) on vektoriavaruus (todistus harjoitustehtävä). (e) Joukossa C(R, [, ]) = {f f : R [, ] on jatkuva funktio} (c)-kohdan operaatio + ei ole laskutoimitus. Nyt sin C(R, [, ]), mutta koska sin( π) + sin( π ) = / [, ], niin sin + sin / C(R, [, ]). (f) Olkoot V = {x R x }, + : V V V tavallinen reaalilukujen yhteenlasku ja määritellään : R V V asettamalla λ x = λ x. Tällöin aksioomat (a), (b), (c), a), (b) ja 3(a) ovat voimassa. Sen sijaan aksioomat (d) ja 3(b) eivät ole voimassa. Jos x V, x >, niin x + y > kaikilla y V, joten tällaisella alkiolla x ei ole vasta-alkiota joukossa V. Lisäksi ( + ( )) x = x = = x + x = x + ( ) x, kun x >, joten aksiooma 3(b) ei ole voimassa. Lause.4. Olkoon V vektoriavaruus. Tällöin (a) yhteenlaskun neutraalialkio on yksikäsitteinen; (b) vektorin vasta-alkio on yksikäsitteinen; (c) kaikilla v, w V on olemassa täsmälleen yksi x V, jolle v + x = w (toisin sanoen yhtälöllä v + x = w on yksikäsitteinen ratkaisu). 4

. Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus Lause.5. Olkoon V vektoriavaruus ja V sen nolla-alkio. Kaikilla v, w V ja, λ, μ R pätee (a) v = λ = ; (b) ( ) v = v; (c) ( v) = v; (d) (v + w) = v + ( w); (e) (λ v) = ( λ) v = λ ( v); (f) ( λ) ( v) = λ v; (g) λ (v + ( w)) = λ v + ( (λ w)); (h) (λ μ) v = λ v + ( (μ v)); (i) λ v = jos ja vain jos λ = tai v = ; (j) Jos λ v = λ w ja λ =, niin v = w; (k) Jos λ v = μ v ja v =, niin λ = μ. Todistetaan kohdan (a) tapaus: v =. Aluksi v = ( + ) v = v + v. (4) Lisätään vasta-alkio v yhtälön molemmille puolille, jolloin = v + ( v) = ( v + v) + ( v) = v + ( v v) = v. (5) Huomautus.6. Jätetään jatkossa kertomerkki pois, toisin sanoen merkitään lyhyesti λ v = λv. Induktiolla ja aksiooman (a) avulla voidaan osoittaa, että jos v,..., v n V, niin summa v +... + v n on riippumaton siitä, missä järjestyksessä yhteenlaskut suoritetaan. Esimerkiksi ((v + v ) + v 3 ) + v 4 = v + ((v + v 3 ) + v 4 ) = (v + v ) + (v 3 + v 4 ) =... Jätetään siis jatkossa summista sulut pois. Määritelmä.7. Vektoriavaruuden V epätyhjä osajoukko W on vektoriavaruuden V aliavaruus, jos se on suljettu yhteenlaskun ja reaaliluvulla kertomisen suhteen, toisin sanoen. W = ;. jos w, w W, niin w + w W ; 3. jos w W ja λ R, niin λw W. 5

. Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus Seuraava lause antaa hyvän tavan todeta joukko vektoriavaruudeksi: Osoitetaan se jonkin tunnetun vektoriavaruuden aliavaruudeksi. Lause.8. Joukko W V on vektoriavaruuden V aliavaruus jos ja vain jos W varustettuna avaruuden V yhteenlaskulla ja reaaliluvulla kertomisella on vektoriavaruus. Esimerkki.9. : (a) Joukot V ja {} ovat vektoriavaruuden V triviaalit aliavaruudet. (b) Joukko C(R, R) = {f f : R R on jatkuva kuvaus} on vektoriavaruuden F(R, R) aliavaruus. Perustelu: Koska nollakuvaus : R R on jatkuva, niin C(R, R) ja siten C(R, R) =. Jos f ja g ovat jatkuvia, niin f + g on jatkuva ja λf on jatkuva kaikilla λ R. (c) Olkoon Pol(R, R) = {f F(R, R) f(x) = a + a x +... + a n x n kaikilla x R joillekin n N ja a,..., a n R} eli Pol(R, R) on kaikkien polynomien joukko. Tällöin Pol(R, R) on vektoriavaruuksien C(R, R) ja F(R, R) aliavaruus. Olkoot k N ja Pol k (R, R) = {f Pol(R, R) polynomin f aste k}. Tällöin Pol k (R, R) on avaruuden Pol(R, R) aliavaruus. Saadaan siis aliavaruusketju Pol (R, R) Pol (R, R)... Pol k (R, R) Pol k+ (R, R)...... Pol(R, R) C(R, R) F(R, R). HUOM: Olkoon K kunta. Yleensä K-kertoimisten polynomien joukolle käytetään merkintää K[x] = {f(x) f(x) = a + a x +... + a n x n joillekin n N ja a,..., a n K}. Kun polynomien yhteen- ja kertolasku määritellään tavanomaisesti, niin saadaan polynomirengas (K[x], +, ), 6

. Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus missä nolla- ja ykköspolynomit ovat (x) = + x + x +..., (x) = + x + x +... Edelleen vakiopolynomille a(x) = a + x + x +... voidaan käyttää lyhennysmerkintää a. Määritelmä.. Olkoon V vektoriavaruus. Vektori v V on vektoreiden v,..., v n V lineaarikombinaatio, jos on olemassa luvut λ,..., λ n R siten, että n v = λ i v i. i= Avaruuden V epätyhjän osajoukon S lineaarinen verho S koostuu kaikista joukon S lineaarisista kombinaatioista, toisin sanoen S R = S = {u V u = n λ i v i i= joillekin n N, v,..., v n S ja λ,..., λ n R}. Esimerkki.. Koska f Pol (R, R) täsmälleen silloin, kun on olemassa sellaiset a, a R, että f(x) = a + a x kaikilla x R, niin Pol (R, R) =, x. Yleisemmin Pol k (R, R) =, x,..., x k. Lause.. Olkoot V vektoriavaruus ja S V epätyhjä. Tällöin (a) S on avaruuden V aliavaruus. (b) Jos S W ja W on avaruuden V aliavaruus, niin S W. Määritelmä.3. Olkoot V vektoriavaruus ja S V epätyhjä. Joukko S on lineaarisesti riippuva, jos on olemassa äärellisen monta alkiota s,..., s n S ja sellaiset luvut λ,..., λ n R, että λ i = jollain i n ja n λ i s i =. Muulloin S on lineaarisesti vapaa eli lineaarisesti riippumaton. ESIM: on lineaarisesti riippuva, koska i= {} =. 7

. Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus Huomautus.4. Joukko S on lineaarisesti vapaa jos ja vain jos sen jokainen äärellinen epätyhjä osajoukko on lineaarisesti riippumaton, toisin sanoen ehdosta n λ i s i = seuraa, että i= λ = λ =... = λ n = kaikilla joukon S äärellisillä osajoukoilla {s,..., s n }. Esimerkki.5. : (a) Joukko {(x), x, x } Pol (R, R) on lineaarisesti riippumaton. Perustelu: Olkoot λ, λ, λ R sellaiset, että λ (x) + λ x + λ x = (x) kaikilla x R. Valitaan x =, jolloin saadaan λ + + =, eli λ =. Valitaan x = ja x =, jolloin saadaan λ + λ = λ = λ + λ = λ =. Siis λ = λ = λ =. (b) Joukko {, x,..., x k } Pol k (R, R) on lineaarisesti riippumaton. (c) Joukko {, x,..., x k,...} Pol(R, R) on lineaarisesti riippumaton. Perustelu: Olkoot p,..., p n {, x,..., x k,...}. Olkoon l = max{polynomin p i aste i =,..., n}. Tällöin {p,..., p n } {, x,..., x l }, joten {p,..., p n } on lineaarisesti riippumaton (b)-kohdan ja Huomautuksen.4 nojalla. (d) Joukko {, sin, cos } C(R, R) on lineaarisesti riippuva, sillä kaikilla x R. sin x + cos x = = (x) Määritelmä.6. Vektoriavaruuden V epätyhjä osajoukko S on avaruuden V kanta, jos (a) S on lineaarisesti riippumaton, ja 8

. Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus (b) S = V. Vektoriavaruus V on äärellisulotteinen, jos sillä on olemassa äärellinen kanta. Myös {} on äärellisulotteinen. Muulloin V on ääretönulotteinen. Jos avaruuden V kannassa on n alkiota, missä n N, niin avaruuden V dimensio on n. Tätä merkitään dim V = n. Jos V = {}, niin dim V =. Muulloin dim V =. Lause.7 (Hamelin kantalause). Jokaisella vektoriavaruudella V = {} on olemassa kanta. Jos V on äärellisulotteinen, niin jokaisessa kannassa on yhtä monta alkiota. Huomautus.8. Olkoon V vektoriavaruus. (a) Lauseen.7 nojalla vektoriavaruuden V dimensio on hyvin määritelty. (b) Jos dim V = n jollain n N, niin jokainen sellainen avaruuden V osajoukko, jossa on vähintään n + alkiota, on lineaarisesti riippuva (todistus harjoitustehtävä). (c) Jos dim V = n jollain n N, niin jokainen lineaarisesti riippumaton avaruuden V osajoukko S, jossa on n alkiota, on avaruuden V kanta (todistus harjoitustehtävä). (d) Jos V on vektoriavaruus, W on avaruuden V aliavaruus ja S on avaruuden W kanta, niin on olemassa sellainen avaruuden V kanta T, että S T. (Tapauksen dim V = n jollain n N todistus harjoitustehtävä. Yleisesti tämän todistaminen vaatii Zornin Lemmaa.) Erityisesti dim W dim V. Esimerkki.9. : (a) Koska {, x,..., x n } on avaruuden Pol n (R, R) eräs kanta (ks. Esimerkit. ja.5 (b)), niin dim Pol n (R, R) = n+. Koska {, x, x,..., x k,...} Pol(R, R) on lineaarisesti riippumaton (ks. Esimerkki.5 (c)), niin dim Pol(R, R) =. Huomautuksen.8 (d) nojalla saadaan dim C(R, R) = = dim F(R, R). (b) Laske dim S, kun S = { + x, + x, + x 3x } Pol (R, R). Ratkaisu: Tutkitaan, onko joukko S lineaarisesti riippumaton. Nyt a( + x) + b( + x ) + c( + x 3x ) = (a + b c) + (a + c)x + (b 3c)x = 9

. Sisätuloavaruus Esimerkin.5 (b)-kohdan nojalla saadaan a + b c = a + c = a + c = a + c = b 3c = b 3c = a = c b = 3c c R. (Ensimmäisessä kohdassa viimeinen yhtälö on vähennetty ensimmäisestä.) Koska yllä olevalla yhtälöryhmällä on epätriviaali ratkaisu, esim. a =, b = 3, c =, niin S on lineaarisesti riippuva. Tästä nähdään, että polynomi + x 3x on lineaarikombinaatio polynomeista + x ja + x, joten S = + x, + x. Joukko { + x, + x } on lineaarisesti riippumaton, sillä a( + x) + b( + x ) = (a + b) + ax + bx = a = ja b =. Näin ollen dim S =. Lause.. Olkoot V äärellisulotteinen vektoriavaruus ja S = {v,..., v n } avaruuden V kanta. Tällöin jokaisella v V on yksikäsitteinen esitys kannan S suhteen, toisin sanoen on olemassa yksikäsitteiset luvut λ,..., λ n R, joille v = n λ i v i. i= Todistus. Luennolla. Huomautus.. Lauseen. antamia lukuja λ i sanotaan vektorin v koordinaateiksi kannassa S. Sisätuloavaruus Määritelmä.. Olkoon V vektoriavaruus. Kuvaus ( ) : V V R on sisätulo, jos kaikilla v, w, u V ja λ R pätee (a) (v w) = (w v) (symmetrisyys); (b) (v + w u) = (v u) + (w u); (c) (λv w) = λ (v w);

. Sisätuloavaruus (d) (v v) >, kun v = (positiividefiniittisyys). Sisätuloavaruus on pari (V, ( )), missä V on vektoriavaruus ja ( ) on sisätulo avaruudessa V. Vektoreiden v ja w sisätulolle (v w) käytetään yleisesti merkintää v w ja puhutaan pistetulosta. Huomautus.. : (a) Sisätulo ( ) jätetään yleensä merkitsemättä ja puhutaan yksinkertaisesti sisätuloavaruudesta V. (b) Sisätulon ehdot (b) ja (c) sanovat, että sisätulo on lineaarinen ensimmäisen argumentin suhteen. (c) Jos V on kompleksinen vektoriavaruus, niin sisätulo määritellään kuten yllä, paitsi ehto (a) korvataan seuraavalla ehdolla: (v w) = (w v) kaikilla v, w V, missä z on luvun z C kompleksikonjugaatti (z = x + iy, z = x iy). (d) Olkoon v V. Tällöin ( v) = ( v) (b) = ( v) =. Erityisesti (v v) kaikilla v V. Lisäksi (v v) = jos ja vain jos v =. Esimerkki.3. : (a) Pistetulo x y = n i= x iy i on sisätulo avaruudessa R n (harjoitustehtävä). (b) Kuvaus : R 4 R 4 R, missä x y = x y + x y + x 3 y 3 + x 4 y 4 kaikilla vektoreilla x, y R 4, ei ole sisätulo. Kun v = (,,, ), niin v v = <, joten ehto (d) ei ole voimassa. (c) Vektoriavaruuteen C([a, b], R) = {f : [a, b] R f on jatkuva}, missä a < b, saadaan sisätulo asettamalla kaikilla f, g C([a, b], R). Todistus. Luennolla. (f g) = b a f(t)g(t)dt

. Sisätuloavaruus (d) Esimerkin (c) kuvaus ei ole sisätulo avaruudessa F([a, b], R), sillä funktiolle, kun x = a f(x) =, kun x ]a, b] pätee f F([a, b], R) ja f =, mutta (f f) = b a f (t)dt =. Määritelmä.4. Olkoon V vektoriavaruus. Kuvaus : V R on normi, jos. v kaikilla v V ;. v = jos ja vain jos v = ; 3. λv = λ v kaikilla v V ja λ R; 4. v + w v + w kaikilla v, w V (kolmioepäyhtälö). Normiavaruus on pari (V, ), missä V on vektoriavaruus ja on normi avaruudessa V. Kuten sisätuloavaruuksien yhteydessä, jätetään normi yleensä merkitsemättä ja puhutaan yksinkertaisesti normiavaruudesta V. Lause.5. Olkoon V sisätuloavaruus. Määritellään kuvaus : V R asettamalla v = v v = (v v) kaikilla v V. Tällöin on normi, jolle pätee Cauchy-Schwarzin epäyhtälö kaikilla v, w V. v w v w (6) Todistus. Kirjoitetaan z := w v (v w)w. Tällöin z w = w v w (v w)w w = (v w)( w w ) =.

. Sisätuloavaruus Siten w 4 v = w v w v = (z + (v w)w) (z + (v w)w) = z z + (v w)z w + (v w) w w = z + v w w v w w. Tästä saadaan w v v w ja edelleen 6. Huomautus.6. : (a) Tasossa R vektorin (x, y) R normi (Lause.5) on (x, y) = (x, y) (x, y) = x + y, joten se on tavallinen vektorin pituus (vrt. Pythagoraan lause). (b) Jos v, w =, niin Cauchy-Schwarzin epäyhtälön nojalla (v w). v w Voidaan siis määritellä vektorien v ja w välinen kulma α kaavasta Olkoot v, w R. Tällöin cos α = (v w) v w. v w = (v w v w) = v + w (v w) = v + w cos α v w. Tämä on kosinilause. (Tässä v w on vektorien v ja w välinen etäisyys, vrt. Euklidinen Topologia, d(v, w) = v w.) (c) Sisätuloavaruudessa käytetään sisätulon antamaa normia ellei erityisesti toisin mainita. Määritelmä.7. Sisätuloavaruuden V vektorit v, w V ovat ortogonaaliset eli kohtisuorassa toisiaan vastaan, jos (v w) = Tällöin merkitään v w. Epätyhjä joukko T V on ortogonaalinen, jos v w kaikilla v, w T, joilla v = w. Epätyhjä joukko T V on ortonormaali, jos se on ortogonaalinen ja v = kaikilla v T. 3

. Sisätuloavaruus Esimerkki.8. : (a) Tason R joukko {(, ), (, 5)} on ortogonaalinen, sillä ((, ) (, 5)) = ( ) + 5 =. (b) Joukko {e,..., e n } R n on ortonormaali, sillä kaikilla i = j pätee (e i e j ) = +... + +... + + +... + = ja (e i e i ) = +... + +... + =. Siis e i e j, kun i = j, ja e i = kaikilla i =,..., n. (c) Avaruuden R 3 osajoukko ei ole ortogonaalinen, sillä S = {(,, ), (,, ), (,, )} ((,, ) (,, )) = + + = =. Erityisesti S ei ole ortonormaali. (d) Olkoot f, g C([, ], R), missä C([, ], R) on varustettu Esimerkin.3 sisätulolla, f(x) = x ja g(x) = kaikilla x [, ]. Lasketaan funktioiden f ja g välinen kulma α. Koska (f g) = f = g = f(x)g(x)dx = f(x) dx = g(x) dx = niin cos α = = 3, eli α = π (= 6 3 ). 3 xdx =, x dx = 3, ja dx =, Lause.9. Olkoot V sisätuloavaruus, S V ortogonaalinen ja oletetaan, että / S. Tällöin S on lineaarisesti riippumaton. Erityisesti ortonormaali joukko on lineaarisesti riippumaton. Todistus. Tutkitaan joukon S äärellistä osajoukkoa J := {s,..., s n }. Asetetaan lineaarikombinaatio nollaksi: a s +... + a n s n =. 4

. Sisätuloavaruus Ottamalla sisätulo vektorin s kanssa saadaan a s s +... + a n s s n = s a s s = mutta s s > sisätulon aksiomin d nojalla, joten a =. Edetään induktiolla tulokseen a =... = a n =, joka todistaa joukon J lineaarisen vapauden. Edelleen huomautuksen.4 nojalla S on lineaarisesti vapaa. Määritelmä.. Sisätuloavaruuden V osajoukko S on avaruuden V ortogonaalinen/ortonormaali kanta, jos S on ortogonaalinen/ortonormaali ja avaruuden V kanta. Esimerkki.. : (a) Avaruuden R n luonnollinen kanta {e,..., e n } on ortonormaali kanta. (b) Joukko {(, ), (, )} R on ortogonaalinen, sillä ((, ) (, )) = + ( ) =. Lauseen.9 nojalla se on lineaarisesti riippumaton. Koska joukossa S on kaksi vektoria, niin S on avaruuden R ortogonaalinen kanta (Huomautus.8 (c)). Koska (, ) = = (, ), niin S ei ole avaruuden R ortonormaali kanta. Joukosta S kuitenkin saadaan ortonormaali kanta normittamalla sen vektorit sopivasti. Siis S = { (, ), (, )} on avaruuden R ortonormaali kanta. (c) Polynomit 3, x ja 45 8 (x ) muodostavat avaruuden Pol 3 (R, R) ortonormaalin kannan, kun sisätulona (osoitus harjoitustehtävä) on (p q) = kaikilla p, q Pol (R, R). Perustelu: Nyt ( ) 3 x = p(x)q(x)dx 3 xdx = 3 / x = ja vastaavasti ( ) ( 45 8 (x ) 3 45 3 ) = x 8 (x 3 ) =. 5

. Sisätuloavaruus Siis polynomit ovat ortogonaaliset. Lisäksi ( ) ( ) = = dx = = ja vastaavasti 3 45 x = 8 (x 3 ) =. Näin ollen annetut polynomit ovat ortonormaaleja. Lauseen.9 nojalla joukko S = { 3 45, x, 8 (x 3 )} on lineaarisesti riippumaton. Koska dim Pol (R, R) = 3, niin S on avaruuden Pol (R, R) kanta. Lause.. Oletetaan, että S = {v,..., v n } on sisätuloavaruuden V ortogonaalinen kanta. Tällöin vektorin v V koordinaatit kannassa S saadaan kaavasta λ i = v i v v i v i (7) kaikilla i n. Erityisesti jos S on ortonormaali, niin λ i = v i v. Todistus. Vektorilla v on kannassa {v,..., v n } esitys Ottamalla sisätulo v i v = josta saadaan väite (7). Esimerkki.3. : v = λ v +... + λ n v n. λ v i v +... + λ i v i v i +... + λ n v i v n = λ i v i v i. (a) Edellisen lauseen perusteella vektorin (, ) koordinaatit kannassa { (, ), (, )} (Esimerkki. (b)) ovat ( λ = (, ) ( ), ) = ja λ = ( (, ) (, ) ) Siis (, ) = (, ) (, ). = 6

. Sisätuloavaruus (b) Polynomin x koordinaatit Esimerkin. (c) kannassa ovat ( ) x = x dx = 3, ( ) 3 3 x x = x3 dx =, ja ( ) 45 x 8 (x 45 3 ) = x 4 8 3 x dx = ( 45 8 5 ) 8 = 9 45. Siten x = 3 8 45 + 45 8 (x 3 ). Lause.4. Oletetaan, että S = {v,..., v n } on sisätuloavaruuden V ortonormaali kanta. Tällöin kaikilla v, w V pätee Parsevalin yhtälö (v w) = n (v v i ) (v i w). i= Erityisesti v = n (v v i ) = n i= missä luvut λ i ovat vektorin v koordinaatit. Lause.5. Olkoot V sisätuloavaruus ja {v,..., v k } V lineaarisesti riippumaton. Tällöin on olemassa sellainen ortogonaalinen joukko {w,..., w k } V, että i= w,..., w k = v,..., v k. (8) λ i 7

. Sisätuloavaruus Todistus. Asetetaan w = v, w = v v w w w w w 3 = v 3 v 3 w w w w v 3 w w w w... w k = v k v k w k w k w k w k... v k w w w w. Tällöin esimerkiksi w w = v w v w w w w w =, w 3 w = v 3 w v 3 w w w w w v 3 w w w w w = v 3 w v 3 w =. Yleisemmin induktiolla. Olkoon l. Induktio-oletus: Olkoot w i w j = aina, kun l > i > j. Induktioaskel: Lasketaan sisätulo w l w i = v l w i... v l w i w i w i w i w i... =. Huomautus.6. : Menetelmää, jolla Lause.5 todistettiin, kutsutaan Gram-Schmidtin ortogonalisointimenetelmäksi. Seuraus.7. Jokaisella äärellisulotteisella sisätuloavaruudella V = {} on ortonormaali kanta. Seuraus.8. Olkoot V äärellisulotteinen sisätuloavaruus ja S V ortonormaali. Tällöin on olemassa sellainen avaruuden V ortonormaali kanta T, että S T. 8

. Sisätuloavaruus Huomautus.9. : Seuraus.7 ei päde ääretönulotteisissa sisätuloavaruuksissa. Esimerkki.. : (a) Tarkastellaan avaruuden R 4 vektoreita v = (,,, ), v = (5,,, ) ja v 3 = ( 3, 3,, 3). Etsitään aliavaruudelle H = v, v, v 3 ortonormaali kanta. Valitaan w = v = (,,, ), w = v (v w ) (w w ) w = (5,,, ) 5 + (,,, ) + + + = (4,,, ), ja w 3 = v 3 (v 3 w ) (w w ) w (v 3 w ) (w w ) w = v 3 6 + 6 6 + 4 + + 4 w 3 + 3 + + 3 4 = (,,, ). Koska w 3 =, niin {v, v, v 3 } on lineaarisesti riippuva. Ylläolevasta nähdään, että vektori v 3 on lineaarikombinaatio vektoreista v ja v, joten H = v, v. Nyt {v, v } on lineaarisesti riippumaton, joten {w, w } on avaruuden H ortogonaalinen kanta. Normittamalla vektorit saadaan ortonormaali kanta {u, u }, missä u = w w = (,,, ) ja u = w w = 4 (4,,, ) = ( 6, 6,, w ). 6 (b) Etsi ortonormaali kanta aliavaruudelle V =, sin C([, π], R) kun sisätulona on (f g) = π f(x)g(x)dx. 9

3. Lineaarikuvaus Ratkaisu: Gram-Schmidtin menetelmällä w = ja (sin x ) w = sin x = sin x ( ) π/ cos x = sin x + π = sin x π. π sin x dx π dx Siis {, sin x } on avaruuden V ortogonaalinen kanta. Normitetaan π sen alkiot: joten u = π, ja sillä Siis π sin xdx = (w w ) = π joten joukko {, π π 4 π (w w ) = π π π dx = π, ( sin x ) dx = π (sin x 4π sin x + 4π ) dx = π 8 π + 4 π = π 4 π, sin xdx = u = π 4 π π sin 4 } x {{ + cos x } dx = π. = ( sin x ), π ( sin x π) } on avaruuden V ortonormaali kanta. 3 Lineaarikuvaus Määritelmä 3.. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia. Kuvaus L : V W on lineaarinen eli L on lineaarikuvaus, jos

3. Lineaarikuvaus (a) L(v + w) = L(v) + L(w) kaikilla v, w V, ja (b) L(λv) = λl(v) kaikilla v V ja λ R. Huomautus 3.. Lineaarikuvauksen argumentin ympäriltä jätetään usein sulut pois, toisin sanoen merkitään Lv = L(v). Esimerkki 3.3. : (a) Olkoon A M(k, n). Kuvaus f A : R n R k, f A (x) = Ax kaikilla x R n, missä x tulkitaan n -matriisiksi (vrt. Lin.Alg.) on lineaarinen, sillä f A (x + y) = A(x + y) = Ax + Ay = f A (x) + f A (y), ja f A (λx) = A(λx) = λax = λf A (x) kaikilla x, y R n ja λ R matriisitulon ominaisuuksien nojalla (ks. Lin.Alg.). (b) Kuvaus L : R R on lineaarinen jos ja vain jos on olemassa α R siten, että L(x) = αx kaikilla x R. Todistus. Luennolla. (c) Kuvaus f : R R, f(x) = 3x 3 x x kaikilla x = (x, x ) R, ei ole lineaarinen, sillä f((, )) = 3 8 8 = 6 = = f(, ). (d) Identtinen kuvaus Id : V V, Id(v) = v kaikilla v V, on lineaarinen. Samoin nollakuvaus : V W, (v) = kaikilla v V, on lineaarinen kaikilla vektoriavaruuksilla V ja W. (e) Olkoon C (R, R) = {f C(R, R) : f C(R, R)}. Tällöin C (R, R) on avaruuden C(R, R) aliavaruus ja derivaattakuvaus D : C (R, R) C(R, R), D(f) = f kaikillaf C(R, R), on lineaarinen, koska D(f + g) = (f + g) = f + g = D(f) + D(g) ja D(λf) = (λf) = λf = λf = λd(f) kaikilla f, g C (R, R) ja λ R. Lause 3.4. Olkoot V ja W vektoriavaruuksia sekä L : V W lineaarinen. Tällöin L() = (9)

3. Lineaarikuvaus ja ( k ) L λ i v i = i= kaikilla k N, λ,..., λ k R ja v..., v k V. Todistus. Luennolla. k λ i L(v i ) () Lause 3.5. Olkoot V ja W vektoriavaruuksia T, L : V W lineaarikuvauksia ja S avaruuden V kanta. Tällöin T = L jos ja vain jos T s = Ls kaikilla s S. Todistus. Luennolla. Määritelmä 3.6. Olkoot V ja W vektoriavaruuksia sekä L : V W lineaarinen. Kuvauksen L ydin eli kernel on i= Ker L = N (L) = L ({}) = {v V : Lv = } ja kuvajoukko eli image eli arvojoukko on Im L = R(L) = L(V ) = {w W : w = Lv jollakin v V }. Lause 3.7. Olkoot V ja W vektoriavaruuksia, V V ja W W aliavaruuksia ja L : V W lineaarikuvaus. Tällöin L(V ) W ja L (W ) V ovat aliavaruuksia. Erityisesti Ker L V ja Im L W ovat aliavaruuksia ja Esimerkki 3.8. : dim Ker L dim V, dim Im L dim W. (a) Kuvaus L : R 3 R, L(x, y, z) = (x, y + z) on lineaarinen (harjoitustehtävä). Määrätään sen ydin ja arvojoukko. Nyt (x, y, z) N (L) (, ) = L(x, y, z) = (x, y + z) x = z = y. () Siis N (L) = {(, t, t) R 3 : t R} = {t(,, ) : t R} = (,, ). Arvojoukko R(L) = R, sillä kaikilla b = (b, b ) R on x = b L(x, y, z) = (x, y + z) = (b, b ) y + z = b.

3. Lineaarikuvaus Valitsemalla x = b, y = b ja z = saadaan L(b, b, ) = (b, b ). Joukko H = {(, t) : t R} on avaruuden R aliavaruus. Nyt L (H) = {(x, y, z) R 3 : L(x, y, z) = (, t) jollekin t R} = {(x, y, z) R 3 : (x, y + z) = (, t) jollekin t R} = {(x, y, z) R 3 : x = ja y + z = t jollekin t R} = {(, s, t s) R 3 : t, s R} = {(, s, s ) R 3 : s, s R} = {s(,, ) + s (,, ) : s, s R} = (,, ), (,, ) = yz-taso. (b) Olkoon D : Pol (R, R) Pol (R, R) derivaattakuvaus. Tällöin Arvojoukko on N (D) = {p Pol (R, R) : p = } = {c Pol (R, R) : c R} = Pol (R, R) = vakiopolynomit. R(D) = {Dp : p Pol (R, R)} = {D(a + a x + a x ) : a, a, a R} = {a + a x : a, a R} = {a + bx : a, b R} = Pol (R, R). Kuvaus f : A B on INJEKTIO: f(a ) = f(a ) a = a ; SURJEKTIO: f(a) = B; BIJEKTIO=INJEKTIO+SURJEKTIO. Lause 3.9. Olkoot V, W ja U vektoriavaruuksia sekä L : V W ja S : W U lineaarikuvauksia. Tällöin (a) yhdistetty kuvaus S L : V U on lineaarinen; (b) jos L on bijektio, niin L : W V on lineaarinen. 3

3. Lineaarikuvaus Todistus. Kohta b. Koska L : V W on bijektio, niin L : W V ja LL = L L = Id. Olkoot w, w W, tällöin sellaiset v, v V, että w = Lv, w = Lv. Siispä L (w + w ) = L (Lv + Lv ) = L L(v + v ) = v + v = L w + L w ; L (λw) = L (λlv) = L L(λv) = λv = λl w. Lause 3.. Olkoot V ja W vektoriavaruuksia sekä L : V W lineaarikuvaus. Tällöin L on injektio jos ja vain jos Ker L = {}. Todistus. : Olkoon L injektio. Valitaan x Ker L, tällöin Lx = = L. Siten x = ja edelleen Ker L = {}. : Olkoon Ker L = {}. Asetetaan Lx = Ly. Tällöin L(x y) =, joten x y Ker L = {} x y = x = y. Lause 3. (Dimensiolause). Olkoot V äärellisulotteinen vektoriavaruus, W vektoriavaruus ja L : V W lineaarinen. Tällöin Todistus. Olkoot dim V = dim Ker L + dim Im L. () dim V = n, dim Ker L = k, Ker L = v,..., v k. 4

3. Lineaarikuvaus Täydennetään joukko v,..., v k avaruuden V :n kannaksi, jolloin V = v,..., v k, v k+,..., v n, v k+,..., v n / Ker L. Määrätään kuva-avaruus Im L = L( v,..., v n ) = {L(a v +... + a n v n a,..., a n R} = {a Lv +... + a n Lv n a,..., a n R} = {a k+ Lv k+ +... + a n Lv n a,..., a n R}. Osoitetaan vielä, että {Lv k+,..., Lv n } on lineaarisesti vapaa. Asetetaan lineaarikombinaatio nollaksi a k+ Lv k+ +... + a n Lv n = L(a k+ v k+ +... + a n v n ) = a k+ v k+ +... + a n v n Ker L a k+ v k+ +... + a n v n = b v +... + b k v k b v +... + b k v k + ( a k+ )v k+ +... + ( a n )v n =. Kantana joukko {v,..., v k, v k+,..., v n } on lineaarisesti vapaa, joten b =... = b k = a k+ =... = a n =. Siten {Lv k+,..., Lv n } on lineaarisesti vapaa ja kuva-avaruuden dimensioksi saadaan dim Im L = n k. Seuraus 3.. Olkoot V ja W vektoriavaruuksia siten, että V on äärellisulotteinen, ja L : V W lineaarinen. Tällöin seuraavat väitteet ovat tosia: (a) Jos L on injektio, niin dim V dim W. (b) Jos L on surjektio, niin dim V dim W. (c) Jos L on bijektio, niin dim V = dim W. 5

3. Lineaarikuvaus Todistus. Aluksi k := dim Ker L n := dim V, n k = dim Im L dim W. a) kohta. Nyt Ker L = {}, joten b) kohta. Nyt Im L = W, joten k = n k = n dim W. c) kohta seuraa kohdista a+b. n k = m := dim W n = m + k m. dim W n dim W. Seuraus 3.3. Olkoot V ja W äärellisulotteisia vektoriavaruuksia siten, että niiden dimensiot ovat samat, ja olkoon L : V W lineaarinen. Tällöin seuraavat väitteet ovat yhtäpitäviä: (a) L on bijektio. (b) L on injektio. (c) L on surjektio. Esimerkki 3.4. : (a) Kuvaus L : R 3 R, L(x, y, z) = (y z, x z), on lineaarinen (harjoitustehtävä). Määrätään kuvauksen L ydin: y = z L(x, y, z) = (y z, x z) = (, ) x = z z R. Siis N (L) = {(x, y, z) R 3 : x = y = z, z R} = {s(,, ) : s R} = (,, ), 6

3. Lineaarikuvaus joten dim N (L) =. Erityisesti N (L) = {}, joten L ei ole injektio. Dimensiolauseen nojalla 3 = + dim R(L), joten dim R(L) = = dim R. Siten R(L) = R eli L on surjektio. (b) Tarkastellaan derivaattakuvausta D : Pol n (R, R) Pol n (R, R). Koska Dp = p = jos ja vain jos p(x) = c kaikilla x R jollekin c R (eli p on vakiopolynomi), niin N (D) =. Näin ollen dim N (D) =. Dimensiolauseen nojalla dim P ol n (R, R) = n + = + dim R(D), joten dim R(D) = n < dim P ol n (R, R). Näin ollen D ei ole surjektio. Esimerkki 3.5. : Olkoon {e, e } avaruuden R luonnollinen kanta. Onko olemassa lineaarikuvausta L : R R, jolle Le = e + e ja Le = e e? Olkoon (x, y) R. Jos tällainen L on olemassa, niin L(x, y) = L(xe + ye ) = xle + yle = x(e + e ) + y(e e ) = = (x + y)e + (x y)e = (x + y, x y). Siis L(x, y) = (x + y, x y) kaikilla (x, y) R ja tämä kuvaus on lineaarinen (harjoitustehtävä). Lause 3.6. Olkoot V ja W vektoriavaruuksia sekä S = {v,... v n }, n N, avaruuden V kanta. Valitaan jokaiselle i =,..., n jokin w i W. Tällöin on olemassa yksikäsitteinen lineaarikuvaus L : V W, jolle Lv i = w i kaikilla i =,..., n. Esimerkki 3.7. : Olkoon L : R R, L(x, x ) = (x + x, x x ) kaikilla (x, x ) R. Kun ajatellaan avaruuden R alkiot pystyvektoreiksi, saadaan matriisiyhtälö [ ] [ ] [ ] x + x x Lx = =. x x x Pisteen x = (x [, x ]) kuva lineaarikuvauksessa [ L voidaan ] siis laskea kertomalla x -matriisi -matriisilla A =. Huomaa, että matriisin A x [ ] [ ] ensimmäinen sarake = Le ja toinen sarake = Le. 7

3. Lineaarikuvaus MERKINTÄ: Olkoon v = {v,..., v n } avaruuden V kanta. Koordinaattikuvaus [.] v kuvaa vektorin v kantaesityksen pystyvektoriksi eli matriisin sarakkeeksi seuraavasti [v] v = [ n λ i v i ] v = i= Koordinaattikuvaus on lineaarinen bijektio ja siten vektori ja sen koordinaateista muodostettu pystyvektori/sarake voidaan samaistaa. Lause 3.8. Olkoot V n-ulotteinen vektoriavaruus, W m-ulotteinen vektoriavaruus ja L : V W lineaarikuvaus. Olkoot v = {v,..., v n } jokin avaruuden V kanta ja w = {w,..., w m } jokin avaruuden W kanta. Olkoot kantavektoreitten kuvat annettu λ. λ n v. Lv = a w +... + a m w m,... Lv n = a n w +... + a mn w m kannassa w = {w,..., w m }. Tällöin on olemassa yksikäsitteinen m n-matriisi A = [a ij ], jonka avulla kuvauksen L arvot voidaan laskea kertolaskuna A [v] v = [Lv] w = eli a... a n λ.. = μ. a m... a mn missä v = n i= λ iv i ja Lv = m j= μ jw j. λ n v μ m w 8

μ = a λ +... + a n λ n... 3. Lineaarikuvaus Todistus. Lasketaan n Lv = L( λ i v i ) = i= n λ i Lv i = i= λ (a w +... + a m w m )+... λ n (a n w +... + a mn w m ) = (a λ +... + a n λ n )w +... (a m λ +... + a mn λ n )w m. Täten μ m = a m λ +... + a mn λ n. Määritelmä 3.9. Olkoot V ja W äärellisulotteisia vektoriavaruuksia, K avaruuden V kanta, S avaruuden W kanta ja L : V W lineaarikuvaus. Lauseen 3.8 antama matriisi A on kuvausta L vastaava matriisi kannoissa K ja S. Tällöin käytetään merkintää Mat(L; K, S). Huomautus 3.. : (a) Matriisin Mat(L; K, S) j:s sarake muodostuu kantavektorin v j kuvan Lv j koordinaateista kannassa S. (b) Lineaarikuvausta vastaa yksikäsitteinen matriisi ja matriisin avulla voidaan määritellä lineaarikuvaus. On siis olemassa bijektio kaikkien lineaaristen kuvauksien L : V W ja kaikkien n k-matriisien välillä; tämä bijektio on F (L) = Mat(L; K, S). Kuvaus F riippuu valituista kannoista K ja S. Esimerkki 3.. : (a) Olkoon L : R R, L(x, y) = (x+y, x+y) kaikilla (x, y) R. Valitaan avaruuteen R kannat K = {(, ), (, )} ja S = {(, ), (, )}. Lasketaan matriisit Mat(L; K, K), Mat(L; K, S), Mat(L; S, K) ja Mat(L; S, S). 9

3. Lineaarikuvaus Mat(L;K,K): Etsitään kantavektorien (, ) ja (, ) kuvien koordinaatit kannassa K. Ensin L(, ) = (, ) = (, ) + (, ), [ ] joten ensimmäinen sarake on. Sitten L(, ) = (, ) = (, ) + (, ), [ ] joten toinen sarake on myös. Siis Mat(L;K,S): Mat(L; K, K) = [ L(, ) = ((, )) = (, ) + (, ), [ ] joten ensimmäinen sarake on. L(, ) = (, ) = (, ) + (, ), [ ] joten toinen sarake on myös. Siis Mat(L;S,K): Mat(L; K, S) = [ L(, ) = (, ) = (, ) = (, ) + (, ), [ ] joten ensimmäinen sarake on. L(, ) = (, ) = (, ) = (, ) + (, ), ] ].. 3

3. Lineaarikuvaus [ ] joten toinen sarake on. Siis [ ] Mat(L; S, K) =. Mat(L;S,S): L(, ) = (, ) = (, ) + (, ), [ ] joten ensimmäinen sarake on. L(, ) = (, ) = (, ) + (, ), [ ] joten toinen sarake on. Siis (b) Etsitään matriisia [ ] Mat(L; S, S) =. 3 Mat(L; K, S) = 4 vastaava lineaarikuvaus, kun kannat K ja S ovat K = {(, ), (, )} ja S = {(,, ), (,, ), (,, )}. Koska kyseessä on 3 -matriisi, niin on L : R R 3. Etsitään vektorin (x, y) R koordinaatit kannassa K: a(, ) + b(, ) = (x, y) a b = x, b = y a = x y b = y. Siis (x, y) = (x y, y) K. Nyt vektorin L(x, y) koordinaatit kannassa S saadaan kertolaskusta 3 [ ] 3x 4y x y [L(x, y)] S = = x y. y 4 x y 3

3. Lineaarikuvaus Siten L(x, y) = (3x 4y)(,, ) + (x y)(,, ) + ( x y)(,, ) = (x 6y, x 3y, 4x 5y). (c) Lasketaan matriisi Mat(Id, K, S), missä Id : R R on tason R identiteettikuvaus, K = {(, ), (, )} ja S = {(, ), (, )}. Nyt Id(, ) = (, ) = (, ) (, ), [ ] joten ensimmäinen sarake on. Lisäksi joten toinen sarake on Siis Id(, ) = (, ) = (, ) + (, ), [ ] Mat(Id; K, S) =. [ ] [ ] =. Erityisesti identtisen kuvauksen matriisi ei aina ole identtinen matriisi. (d) Olkoon L : R R, L(x, y) = (x y, x+y). Tällöin L on lineaarinen. Lasketaan Mat(L; K, S), missä K ja S ovat kuten kohdassa (c). Nyt joten L(, ) = (, ) = (, ) + (, ), L(, ) = (, ) = (, ) + (, ), [ ] Mat(L; K, S) =. Siis identtinen matriisi ei aina vastaa identtistä kuvausta. (e) Tarkastellaan derivaattakuvausta D : Pol 3 (R, R) Pol (R, R). Valitaan avaruuden Pol 3 (R, R) kannaksi K = {, x, x, x 3 } ja avaruuden Pol (R, R) kannaksi S = {, x, x }. Lasketaan Mat(D; K, S). 3

3. Lineaarikuvaus Koska D = = + x + x, niin. sarake on, Dx = = + x + x, niin. sarake on, Dx = x = + x + x, niin 3. sarake on, ja Dx 3 = 3x = + x + 3 x, niin 4. sarake on. 3 Siten Nyt esimerkiksi Mat(D; K, S) =. 3 D( + x + x + x 3 ) = Mat(D; K, S) = = + x + 3 x. 3 Lause 3.. Olkoot V, W ja U äärellisulotteisia vektoriavaruuksia, L, M : V W ja T : W U lineaarikuvauksia sekä K avaruuden V kanta, S avaruuden W kanta ja R avaruuden U kanta. Tällöin (a) Mat(L + M; K, S) = Mat(L; K, S) + Mat(M; K, S) (b) Mat(λL; K, S) = λmat(l; K, S) kaikilla λ R. (c) Mat(T L; K, R) = Mat(T ; S, R)Mat(L; K, S). (d) Kuvaus L on bijektio jos ja vain jos matriisi Mat(L; K, S) on kääntyvä. Jos L on bijektio, niin Mat(L ; S, K) = Mat(L; K, S). 33

4. Ominaisarvo Seuraus 3.3. Olkoot L : V W lineaarikuvaus, dim V = dim W < sekä K, K avaruuden V kantoja ja S, S avaruuden W kantoja. Tällöin det Mat(L; K, S ) = det Mat(L; K, S ) = Esimerkki 3.4. Valitaan avaruuden Pol 3 (R, R) kannaksi K = {, x, x, x 3 }. Olkoot D : Pol 3 (R, R) Pol 3 (R, R) derivaattakuvaus ja L = D + D, missä D = D D. Lasketaan Mat(L, K, K). Esimerkin 3. nojalla Siten Mat(D; K, K) = 3. Mat(L; K, K) = Mat(D ; K, K) + Mat(D, K, K) = Mat(D; K, K)Mat(D; K, K) + Mat(D; K, K) 6 = + 3 6 = 3. 4 Ominaisarvo Olkoot K kunta, V vektoriavaruus K:n yli ja L : V V lineaarinen kuvaus. Kysymys: Milloin lineaarikuvauksen L : V V matriisi Mat(L; v, v) on diagonaalinen, toisin sanoen λ... λ Mat(L; v, v) =....?... λ n 34

4. Ominaisarvo Vastaus: Jos löytyy avaruuden V kanta v = {v,..., v n } ja λ,..., λ n K, joille Lv i = λ i v i kaikilla i =,..., n. Määritelmä 4.. Olkoot K kunta, V vektoriavaruus K:n yli ja L : V V lineaarinen kuvaus. Luku λ K on kuvauksen L ominaisarvo, jos löytyy sellainen v V {}, että Lv = λv. (3) Tällöin v on ominaisarvoon λ liittyvä ominaisvektori. Ominaisarvoon λ liittyvä ominaisavaruus on V λ (L) = {v V : Lv = λv} (toisin sanoen kaikkien ominaisvektorien sekä vektorin muodostama joukko). Huomautus 4.. : (a) Useimmiten K = C tai K = R kuten seuraavissa esimerkeissä. (b) Jos v on ominaisvektori, niin kv on ominaisvektori kaikilla k K {}. Käytetään jatkossa identiteettikuvaukselle Id : V merkintää I. Siis I(x) = x kaikilla x V. V yksinkertaisempaa Lause 4.3. Olkoon λ lineaarikuvauksen L : V V ominaisarvo. Tällöin ja siten avaruuden V aliavaruus. Todistus: v V λ (L) Lv = λv Esimerkki 4.4. : (a) Tarkastellaan kuvausta V λ (L) = Ker (L λi) (4) (L λi)v = v Ker (L λi). (5) L : R R L(x, y) = (x + y, y) kaikilla (x, y) R. Nyt L(, ) = (, ) = (, ), joten on kuvauksen L ominaisarvo ja (, ) on ominaisarvoa vastaava ominaisvektori. Lisäksi L(, ) = (, ) = (, ), joten myös on ominaisarvo 35

4. Ominaisarvo ominaisvektorinaan (, ). Muita ominaisarvoja ei ole: L(x, y) = λ(x, y) (x + y, y) = (λx, λy) x + y = λx y = λy (6) Jos λ = ja λ =, niin toisesta yhtälöstä saadaan (ehdosta λ = ) y = ja sitten ensimmäisestä yhtälöstä saadaan (ehdosta λ = ) x =. Näin ollen λ ei ole kuvauksen L ominaisarvo. (b) Olkoon L : R R, L(x, y) = ( y, x) kaikilla (x, y) R. Tällöin λx + y =, (x, y) = λ(x, y) ( y, x) = (λx, λy) λy x =. Jos λ =, niin saadaan x = y =, joten ei ole kuvauksen L ominaisarvo. Olkoon λ =. Kerrotaan toinen yhtälö luvulla λ ja lisätään tähän ensimmäinen yhtälö. Tällöin saadaan ( + λ )y =. Siis y = ja sitten x =, joten λ ei ole kuvauksen L ominaisarvo. Kuvauksella L ei siis ole reaalisia ominaisarvoja. Kuvauksella on kompleksiset ominaisarvot i = e iπ/ ja i = e iπ/, jotka vastaavat kiertoja ±9 vastapäivään/myötäpäivään. (c) Olkoon C (R, R) = C k (R, R), k= missä C k (R, R) = {f C(R, R) : f (k) C(R, R)} ja f (k) on funktion f k:s derivaatta. Olkoon D : C (R, R) C (R, R) derivaattakuvaus. Etsitään kuvauksen D ominaisarvot: Df = λf f (x) = λf(x) kaikilla x R f(x) = Ce λx kaikilla x R, missä C R. Siten jokainen λ R on kuvauksen D ominaisarvo ja funktio f(x) = Ce λx, missä C =, on sitä vastaava ominaisvektori. Lause 4.5. Olkoon V vektoriavaruus. Lineaarikuvauksen L : V V erisuuriin ominaisarvoihin liittyvät ominaisvektorit ovat lineaarisesti riippumattomia. 36

4. Ominaisarvo Todistus. Olkoot λ = μ ominaisarvoja ja x, y = vastaavat ominaisvektorit, jolloin Lx = λx, (7) Ly = μy. Asetetaan lineaarikombinaatio nollaksi eli ax + by =, a, b K, L(ax + by) = L alx + bly = aλx + bμy = aλx + μ( ax) = (λ μ)ax = ax = a = by = b =. (8) Seuraus 4.6. Olkoon V n-ulotteinen vektoriavaruus ja L : V V lineaarikuvaus. Tällöin kuvauksella L on korkeintaan n erisuurta ominaisarvoa. Jos kuvauksella L on n erisuurta ominaisarvoa λ,..., λ n, niin vastaavat ominaisvektorit muodostavat avaruuden V kannan K ja λ... λ Mat(L; K, K) =........ λ n Todistus. Matriisin Mat(L; K, K) j:s sarake muodostuu kantavektorin v j kuvan Lv j = λ j v j = v +... + λ j v j +... + v n (9) koordinaateista,..., λ j,,..., kannassa K = {v,..., v n }. Määritelmä 4.7. Olkoot V n-ulotteinen vektoriavaruus ja L : V V lineaarikuvaus. Kuvaus L on diagonalisoituva, jos on olemassa sellainen avaruuden V kanta K, että Mat(L; K, K) on diagonalisoituva. Huomautus 4.8. Seuraus 4.6 antaa riittävän ehdon diagonalisoituvuudelle. Tämä ehto ei ole kuitenkaan välttämätön, sillä esimerkiksi I : V V on diagonalisoituva (Mat(I; K, K) = I jokaiselle avaruuden V kannalle K), mutta kuvauksella I on vain yksi ominaisarvo, nimittäin. 37

4. Ominaisarvo Määritelmä 4.9. Olkoot V n-ulotteinen vektoriavaruus, K avaruuden V kanta ja L : V V lineaarinen. Olkoon A = Mat(L; K, K). Lineaarikuvauksen L (ja matriisin A) karakteristinen polynomi on Huomautus 4.. : p L (λ) = det (A λi). (3) (a) Jos λ on kuvauksen L ominaisarvo, niin löytyy vektori v V {}, jolle Lv = λv eli (L λi)v =. Tällöin L λi ei ole kääntyvä, joten = det Mat(L λi) = det (A λi). (3) Siten λ on karakteristisen polynomin p L (λ) nollakohta. Tämä päättely voidaan myös kääntää, joten λ on lineaarikuvauksen L ominaisarvo jos ja vain jos p L (λ) =. (3) (b) Olkoot V n-ulotteinen vektoriavaruus, K ja S avaruuden V kantoja ja L : V V lineaarinen. On olemassa kannanvaihtomatriisi C = C(S, K), jolle Mat(L; S, S) = C Mat(L; K, K)C (33) Lause 4.. Lineaarikuvauksen L : V V karakteristinen polynomi on riippumaton avaruuden V kannan valinnasta. Esimerkki 4.. : (a) Olkoon L : R R, L(x, y) = ( x + y, x + y) kaikilla (x, y) R. Määrätään tämän kuvauksen ominaisarvot ja ominaisavaruudet. [ ] Kuvauksen L matriisi luonnollisessa kannassa on A =, joten karakteristinen polynomi on [ ] λ p A (λ) = det = ( λ)( λ) = λ. λ Ominaisarvot ovat yhtälön λ = ratkaisut: λ = ±. Vastaavat 38

4. Ominaisarvo ominaisavaruudet saadaan yhtälöistä L(x, y) = x + y = x (x, y) x + y = y Siis y = ( + )x; L(x, y) = x + y = x (x, y) x + y = y y = ( )x. (34) V = {(x, y) R y = ( + )x} = (, + ) ja V = {(x, y) R y = ( )x} = (, ) Nyt K = {(, + ), (, )} on avaruuden R kanta ja [ ] Mat(L; K, K) =. (b) Olkoon lineaarikuvauksen L : R 3 R 3 matriisi luonnollisen kannan suhteen A = 3. 3 Määrätään kuvauksen L ominaisarvot ja ominaisavaruudet. Nyt λ p A (λ) = det 3 λ 3 λ = ( λ)((3 λ) + ) + ( (3 λ)) = ( λ)((3 λ) ). Nyt p A (λ) = jos ja vain jos λ =, λ = 4 tai λ =, joten ominaisarvot ovat ja 4. 39

4. Ominaisarvo Ominaisavaruudet: x y + z = x L(x, y, z) = (x, y, z) 3y z = y x + y + 3z = z Siis x = y = z ja x y + z = 4x L(x, y, z) = 4(x, y, z) 3y z = 4y x + y + 3z = 4z V (L) = {(x, y, z) R 3 x = y = z} = (,, ), x = y = z. (35) V 4 (L) = {(x, y, z) R 3 x = y = z} = (,, ). (36) Määritelmä 4.3. Olkoot V äärellisulotteinen vektoriavaruus ja L : V V lineaarinen. Olkoot λ kuvauksen L ominaisarvo ja A kuvauksen L matriisi. Jos λ on polynomin p A (λ) m-kertainen juuri eli p A (λ) = (λ λ ) m q(λ), missä q(λ) on polynomi ja q(λ ) =, niin ominaisarvon λ algebrallinen kertaluku on m. Ominaisarvon λ geometrinen kertaluku on Ker (L λ I). Alue Lauseesta 4.4 alkaen Huomautukseen 4.3 asti ei kuulu koealueeseen. Lause 4.4. Olkoot V n-ulotteinen vektoriavaruus ja L : V V lineaarinen. Tällöin kuvauksen L ominaisarvolle λ pätee λ :n geometrinen kertaluku λ :n algebrallinen kertaluku. Huomautus 4.5. Esimerkissä 4. (b) nähtiin, että ominaisarvot geometrinen kertaluku voi olla aidosti pienempi kuin algebrallinen kertaluku. Lause 4.6. Olkoot V äärellisulotteinen vektoriavaruus ja L : V V diagonalisoituva lineaarikuvaus. Tällöin kuvauksen L jokaisen ominaisarvon geometrinen kertaluku on sama kuin sen algebrallinen kertaluku. Edellisen lauseen väite pätee myös kääntäen, jos V on kompleksikertoiminen vektoriavaruus (jolloin myös ominaisarvot voivat olla kompleksilukuja). 4

4. Ominaisarvo Määritelmä 4.7. Olkoot (V, ( )) ja (W, ) äärellisulotteisia sisätuloavaruuksia sekä L : V W lineaarinen. Kuvauksen L adjungaatti on lineaarikuvaus L : W V, jolle pätee kaikilla v V ja w W. (L w v) = w Lv Lause 4.8. Olkoot V ja W äärellisulotteisia sisätuloavaruuksia kuten Määritelmässä 4.7. Lineaarikuvauksella L : V W on olemassa yksikäsitteinen adjungaatti. Lisäksi L = L. Lause 4.9. Olkoot (V, ( )) ja (W, ) äärellisulotteisia sisätuloavaruuksia, K avaruuden V ortonormaali kanta, S avaruuden W ortonormaali kanta ja L : V W lineaarinen. Tällöin Mat(L ; S, K) = Mat(L; K, S) T. Jos V ja W ovat kompleksikertoimisia avaruuksia, niin tällöin Mat(L ; S, K) = Mat(L; K, S) T. Määritelmä 4.. Olkoot V äärellisulotteinen sisätuloavaruus ja L : V V lineaarinen. Kuvaus L on itseadjungoituva eli symmetrinen, jos L = L. Lause 4.. Olkoon L : V V äärellisulotteisen sisätuloavaruuden V itseadjungoituva lineaarikuvaus. Tällöin kuvauksen L eri ominaisarvoihin liittyvät ominaisvektorit ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. Lause 4. (Spektraalilause). Olkoon L : V V äärellisulotteisen sisätuloavaruuden V itseadjungoituva lineaarikuvaus. Tällöin avaruudella V on ortonormaali kanta, joka muodostuu kuvauksen L ominaisvektoreista. Huomautus 4.3. Lineaarikuvauksen L : V V, missä dim V <, ominaisarvojen joukkoa kutsutaan kuvauksen L spektriksi, ja sitä merkitään δ(l). 4

4. Ominaisarvo Kohtisuorat Projektiot Geometrinen lähestymistapa Tässä osiossa tarkastelemme Euklidista avaruutta R n ja sen aliavaruuksia. Määritelmä 4.4. Olkoon V avaruuden R n aliavaruus ja K = {v,..., v k } avaruuden V ortonormaali kanta. Vektorin u R n kohtisuora projektio aliavaruudelle V on k P V (u) = (u v j ) v j. Esimerkki 4.5. a) Tarkastellaan avaruuden R 3 aliavaruutta j= V = {(x, y, ) : x, y R}. Tällöin P V (x, y, z) = (x, y, ) kaikilla (x, y, z) R 3. (Luennolla) b) Tarkastellaan avaruuden R aliavaruuksia V = {(x, x) : x R} ja W = {(x, x) : x R}. Tällöin P V (u) = ((x+y)/, (x+y)/) ja P W (u) = ((x y)/, ( x+y)/) kaikilla u = (x, y) R. (Luennolla) Lause 4.6. Olkoon V avaruuden R n aliavaruus ja u R n. (i) u V jos ja vain jos P V (u) = u. (ii) Vektori u P V (u) on kohtisuorassa aliavaruutta V vastaan. (iii) Epäyhtälö u P V (u) u v on tosi kaikilla v V. Lisäksi tässä epäyhtälössä on yhtäsuuruus jos ja vain jos v = P V (u). (iv) Epäyhtälö P V (u) u on tosi kaikilla u R n. Lisäksi tässä epäyhtälössä on yhtäsuuruus jos ja vain jos u V. Todistus. Luennolla. Määritelmä 4.7. Avaruuden R n epätyhjän osajoukon S kohtisuora komplementti on joukko S = {u R n : (u v) = kaikilla v S}. Lause 4.8. Jos S on avaruuden R n epätyhjä osajoukko, niin S on avaruuden R n aliavaruus. 4

4. Ominaisarvo Todistus. Luennolla. Lause 4.9. Olkoon V avaruuden R n aliavaruus. Tällöin jokaiselle vektorille u R n on olemassa yksikäsitteiset vektorit v V ja w V siten, että u = v + w. Todistus. Luennolla. Esimerkki 4.3. Olkoon L : R R, L(x, y) = (y, x) kaikilla (x, y) R. Tällöin L = P V P W, missä V ja W ovat ominaisarvoja ja vastaavia ominaisavaruuksia. (Luennolla) Lause 4.3 (Spektraalilause II). Olkoon L : R n R n itseadjungoitu kuvaus ja olkoon {v,..., v n } kuvauksen L ominaisarvoista koostuva avaruuden R n ortonormaali kanta. Olkoot λ j ominaisvektoria v j vastaava ominaisarvo ja P j kohtisuora projektio avaruudelta R n avaruudelle v j. Tällöin L = n λ j P j. j= Todistus. Luennolla. Hitunen algebraa Määritelmä 4.3. Lineaarinen kuvaus L : R n R n on idempotentti jos ja vain jos L = L. Tässä siis L = L L. Lause 4.33. (i) Jos V on avaruuden R n aliavaruus, niin kuvaus P V on itseadjungoitu idempotentti. (ii) Jos L : R n R n on itseadjungoitu idempotentti, niin R(L) = {u R n : Lu = u} ja N (L) = R(L). Lisäksi L = P R(L). Todistus. Luennolla. Lause 4.34. Olkoot P ja Q avaruuden R n projektioita. Seuraavat väitteet ovat tosia: (i) P Q on projektio jos ja vain jos P Q = QP. (ii) P + Q on projektio jos ja vain jos R(P ) R(Q). (iii) P Q on projektio P Q = Q QP = Q. 43

5. Esimerkkejä 5 Esimerkkejä Esimerkki 5.. (Harjoitustehtävä 5.) Olkoon W = {x = (x, y, z) R 3 : x y + z = }. Osoita, että W on vektoriavaruuden R 3 aliavaruus. Ratkaisu: Osoitetaan, että aliavaruusaksiomit. W = ;. jos w, w W, niin w + w W ; 3. jos w W ja λ R, niin λw W ; ovat voimassa:. Koska = (,, ) W, niin W = ;. Olkoot w = (x, y, z ), w = (x, y, z ) W. Tällöin x y + z = x y + z = w + w = (x + x, y + y, z + z ), ja (x + x ) (y + y ) + (z + z ) = x y + z + x y + z =, (37) joten w + w W ; 3. Olkoot w = (x, y, z) W ja λ R, tällöin x y + z = joten λw W. ja λw = (λx, λy, λz), (λx) (λy) + (λz) = λ(x y + z) =, (38) Esimerkki 5.. (Harjoitustehtävä 5.) Osoita, että tavallinen pistetulo, toisin sanoen n x y = x i y i (39) kaikilla x = (x,..., x n ), y = (y,..., y n ) R n, määrittelee sisätulon avaruuteen R n. Ratkaisu: Osoitetaan, että sisätulon aksiomit i= 44

5. Esimerkkejä. x y = y x (symmetrisyys);. (x + v) y = x y + v y; 3. (λx) y = λx y; 4. x x >, kun x = (positiividefiniittisyys). ovat voimassa (laskemalla):. x y = n i= x iy i = n i= y ix i = y x ;. (x+v) y = (x +v,..., x n +v n ) (y,..., y n ) = n i= (x i +v i )y i = n i= x iy i + n i= v iy i = x y + v y ; 3. (λx) y = n i= (λx i)y i = λ n i= x iy i = λx y ; 4. Koska, x =, niin x k =, joten x x = n i= x i x k >. Esimerkki 5.3. (Harjoitustehtävä 36.) Lineaarikuvaus L : R 3 R kuvaa avaruuden R 3 luonnolliset kantavektorit e, e ja e 3 vektoreiksi (, ), (, ) ja (, 3).. Laske Lx, kun x = (x, y, z) = xe + ye + ze 3 R 3. Ratkaisu: Lx = L(xe + ye + ze 3 ) = xle + yle + zle 3 =. Määrää Ker L. Ratkaisu: Asetetaan x(, ) + y(, ) + z(, 3) = (x + y + z, x + 3z). (4) Lx = (x + y + z, x + 3z) = (, ) x = 3z, y = z, z R x = ( 3z, z, z) = z( 3,, ) Ker L = {x R 3 Lx = } = {x R 3 x = z( 3,, ), z R} = ( 3,, ). (4) 3. Onko L injektio? Ratkaisu: 45

5. Esimerkkejä Koska Ker L = ( 3,, ) = {}, (4) niin L ei ole injektio. 4. Määrää dim Ker L ja dim Im L (käytä dimensiokaavaa ()). Ratkaisu: Tuloksen (4) nojalla dim Ker L = ja dimensiokaavan () nojalla dim V = dim R 3 = dim Ker L + dim Im L 3 = + dim Im L dim Im L =. (43) 5. Onko L surjektio? Koska dim Im L = ja Im L on maaliavaruuden R aliavaruus, niin Im L = R. Siten L on surjektio. 6. Onko L bijektio? Vastaus: EI. 7. Määrää L:n matriisi M(L, E 3, E ) luonnollisten kantojen E 3 = {e, e, e 3 } R 3 ja E = {e, e } R suhteen. Ratkaisu: Esitetään kantavektoreitten e, e, e 3 kuvat, maaliavaruuden kannassa E = {e, e }: Le = L(,, ) = (, ) = e + e, Le = L(,, ) = (, ) = e + e, Le 3 = L(,, ) = (, 3) = e + 3 e. (44) Tällöin Lauseen 3.8 mukaan kuvauksen L matriisi saadaan kääntämällä kuvavektoreitten (44) koordinaattiesitykset pystyvektoreiksi ja asettamalla ne matriisin sarakkeiksi: M(L, E 3, E ) = Esimerkki 5.4. (Harjoitustehtävä 39.) ( 3 ) = ( a a a 3 a a a 3 ) (45) Määritellään L : R 3 R 3, asettamalla L(x) = L(x, x, x 3 ) = (x + x + x 3, x + x, x ) kaikilla x R 3. 46

5. Esimerkkejä. Osoita, että L on lineaarinen. Ratkaisu: L(x) = L(x, x, x 3 ) = (x + x + x 3, x + x, x ) = joten x (,, ) + x (,, ) + x 3 (,, ) := x f + x f + x 3 f 3, (46) L(x + y) = L((x, x, x 3 ) + (y, y, y 3 )) =. Määrää Ker L. Ratkaisu: Asetetaan L(x + y, x + y, x 3 + y 3 ) = (x + y )f + (x + y )f + (x 3 + y 3 )f 3 = x f + x f + x 3 f 3 + y f + y f + y 3 f 3 = Lx + Ly; Lx = (x + x + x 3, x + x, x ) = (,, ) x = x = x 3 = x = (,, ) L(λx) =... = λlx. (47) Ker L = {x R 3 Lx = } = {} =. (48) 3. Onko L injektio? Ratkaisu: Koska Ker L = {}, (49) niin L on injektio. 4. Määrää dim Ker L ja dim Im L (käytä dimensiokaavaa ()). Ratkaisu: Tuloksen (49) nojalla dim Ker L = ja dimensiokaavan () nojalla dim V = dim R 3 = dim Ker L + dim Im L 3 = + dim Im L dim Im L = 3. (5) 47

5. Esimerkkejä 5. Onko L surjektio? Koska dim Im L = 3 ja Im L on maaliavaruuden R 3 aliavaruus, niin Im L = R 3. Siten L on surjektio. 6. Onko L bijektio? Vastaus: On. 7. Määrää L:n matriisi M(L, E 3, E 3 ) luonnollisen kannan E 3 = {e, e, e 3 } R 3 suhteen. Ratkaisu: Esitetään kantavektoreitten e, e, e 3 kuvat, maaliavaruuden kannassa E 3 = {e, e, e 3 }: Le = L(,, ) = e + e + e 3, Le = L(,, ) = e + e + e 3, Le 3 = L(,, ) = e + e + e 3. (5) Tällöin Lauseen 3.8 mukaan kuvauksen L matriisi saadaan kääntämällä kuvavektoreitten (44) koordinaattiesitykset pystyvektoreiksi ja asettamalla ne matriisin sarakkeiksi: a a a 3 M(L, E 3, E 3 ) = = a a a 3 (5) a 3 a 3 a 33 8. Laske matriisin M(L, E 3, E 3 ) determinantti. Ratkaisu det M(L, E 3, E 3 ) = =. (53) 48