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Stefan Kebekus 2025-04-21 09:39:41 +02:00
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commit 36843a3041
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@ -18,3 +18,4 @@ Quotientenvektorraums
.te .te
Erzeugendensystem Erzeugendensystem
Quotientenvektorräume Quotientenvektorräume
Repräsentantenniveau

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@ -6,3 +6,4 @@
{"rule":"UNPAIRED_BRACKETS","sentence":"^\\QFür jeden Index \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q bestimme den Hauptraum \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q zum Eigenwert \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q — Punkt \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q von Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q („Geometrische Bedeutung der algebraischen Multiplizität” ) sagt, wie das geht: der Hauptraum ist gegeben als \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"} {"rule":"UNPAIRED_BRACKETS","sentence":"^\\QFür jeden Index \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q bestimme den Hauptraum \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q zum Eigenwert \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q — Punkt \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q von Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q („Geometrische Bedeutung der algebraischen Multiplizität” ) sagt, wie das geht: der Hauptraum ist gegeben als \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}
{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QDieses Skript zur Vorlesung „Lineare Algebra II“ wird im Laufe des Sommersemester 2020 ständig weiter geschrieben.\\E$"} {"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QDieses Skript zur Vorlesung „Lineare Algebra II“ wird im Laufe des Sommersemester 2020 ständig weiter geschrieben.\\E$"}
{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QDieses Skript zur Vorlesung „Lineare Algebra II“ wird im Laufe des Sommersemester 2025 ständig weiter geschrieben.\\E$"} {"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QDieses Skript zur Vorlesung „Lineare Algebra II“ wird im Laufe des Sommersemester 2025 ständig weiter geschrieben.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QWir beweisen Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q nach einigen Vorbereitungen im Abschnitt ssec:pjnf.\\E$"}

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@ -23,10 +23,9 @@ auch eine Menge Videos auf
\href{https://www.youtube.com/results?search_query=jordansche+normalform}{YouTube}. \href{https://www.youtube.com/results?search_query=jordansche+normalform}{YouTube}.
\begin{defn}[Jordanblock] \begin{defn}[Jordanblock]
Es sei $k$ ein Körper, $λ ∈ k$ ein Körperelement und $n ∈ $ sei eine Es sei $k$ ein Körper, $λ ∈ k$ ein Körperelement und $n ∈ $ sei eine Zahl.
Zahl. Der \emph{$(n n)$-Jordanblock mit Wert $λ$ auf der Der \emph{$(n n)$-Jordanblock mit Wert $λ$ auf der
Diagonalen}\index{Jordanblock} ist die $(n n)$-Matrix $A = (a_{ij})$ Diagonalen}\index{Jordanblock} ist die $(n n)$-Matrix $A = (a_{ij})$ mit
mit
$$ $$
a_{ij} = a_{ij} =
\begin{cases} \begin{cases}
@ -63,10 +62,10 @@ auch eine Menge Videos auf
\end{bsp} \end{bsp}
\begin{defn}[Jordansche Normalform] \begin{defn}[Jordansche Normalform]
Es sei $k$ ein Körper und $n ∈ $ sei eine Zahl. Eine $n n$-Matrix Es sei $k$ ein Körper und $n ∈ $ sei eine Zahl. Eine $n n$-Matrix $A =
$A = (a_{ij})$ hat \emph{Jordansche Normalform}\index{Jordansche Normalform}, (a_{ij})$ hat \emph{Jordansche Normalform}\index{Jordansche Normalform}, falls
falls $A$ Blockgestalt hat, wobei auf der Diagonalen Jordanblöcke stehen und $A$ Blockgestalt hat, wobei auf der Diagonalen Jordanblöcke stehen und alle
alle anderen Blöcke gleich Null sind. anderen Blöcke gleich Null sind.
\end{defn} \end{defn}
\begin{bsp} \begin{bsp}
@ -108,11 +107,11 @@ auch eine Menge Videos auf
Das Ziel dieses Kapitels ist jetzt, den folgenden Satz zu beweisen. Das Ziel dieses Kapitels ist jetzt, den folgenden Satz zu beweisen.
\begin{satz}[Jordansche Normalform]\label{satz:JNF} \begin{satz}[Jordansche Normalform]\label{satz:JNF}%
Es sei $V$ ein endlich-dimensionaler Vektorraum über den komplexen Zahlen, und Es sei $V$ ein endlich-dimensionaler Vektorraum über den komplexen Zahlen, und
es sei $f ∈ \End(V)$ ein Endomorphismus. Dann gibt es eine angeordnete Basis es sei $f ∈ \End(V)$ ein Endomorphismus. Dann gibt es eine angeordnete Basis
$\mathcal{B}$ von $V$, sodass die darstellende Matrix $\Mat^B_B(f)$ $\mathcal{B}$ von $V$, sodass die darstellende Matrix $\Mat^B_B(f)$ Jordansche
Jordansche Normalform hat. Normalform hat.
\end{satz} \end{satz}
\begin{notation} \begin{notation}
@ -147,7 +146,7 @@ Warum die folgenden Definitionen? Schauen Sie sich \video{2-1} an.
\end{defn} \end{defn}
\begin{defn}[Nilpotente Matrizen] \begin{defn}[Nilpotente Matrizen]
Es sei $k$ ein Körper, es sei $n ∈ $ eine Zahl und $A$ eine $(n n)$-Matrix Es sei $k$ ein Körper, es sei $n ∈ $ eine Zahl und $A$ eine $( n n)$-Matrix
mit Werten in $k$. Nenne die Matrix $A$ mit Werten in $k$. Nenne die Matrix $A$
\emph{nilpotent}\index{nilpotent!Matrix}, falls seine Zahl $m ∈ $ existiert, \emph{nilpotent}\index{nilpotent!Matrix}, falls seine Zahl $m ∈ $ existiert,
sodass $A^m = A ⋯ A$ die Nullmatrix ist. Die kleinste solche Zahl $m$ heißt sodass $A^m = A ⋯ A$ die Nullmatrix ist. Die kleinste solche Zahl $m$ heißt
@ -166,7 +165,7 @@ Warum die folgenden Definitionen? Schauen Sie sich \video{2-1} an.
\begin{beobachtung} \begin{beobachtung}
Matrizen, die ähnlich zu einer nilpotenten Matrix sind, sind selbst nilpotent. Matrizen, die ähnlich zu einer nilpotenten Matrix sind, sind selbst nilpotent.
Genauer: Sei $A$ eine $(n n)$-Matrix und sei $S ∈ Gl(n, k)$, sodass $N := Genauer: Sei $A$ eine $(n n)$-Matrix und sei $S ∈ Gl(n, k)$, sodass $N :=
SAS^{-1}$ nilpotent ist mit Index $m$. Dann ist SAS^{-1}$ nilpotent ist mit Index $m$. Dann ist
$$ $$
0 = N^m = SAS^{-1} · SAS^{-1} · ⋯ · SAS^{-1} = SA^mS^{-1}. 0 = N^m = SAS^{-1} · SAS^{-1} · ⋯ · SAS^{-1} = SA^mS^{-1}.
@ -185,7 +184,7 @@ Warum die folgenden Definitionen? Schauen Sie sich \video{2-1} an.
\end{enumerate} \end{enumerate}
\end{bsp} \end{bsp}
\begin{defn}[Hauptraum eines Endomorphismus]\label{def:2-2-6} \begin{defn}[Hauptraum eines Endomorphismus]\label{def:2-2-6}%
Es sei $k$ ein Körper, es sei $V$ ein endlich-dimensionaler $k$-Vektorraum und Es sei $k$ ein Körper, es sei $V$ ein endlich-dimensionaler $k$-Vektorraum und
es sei $f ∈ \End(V)$. Gegeben $λ ∈ k$, dann betrachte es sei $f ∈ \End(V)$. Gegeben $λ ∈ k$, dann betrachte
$$ $$
@ -196,7 +195,7 @@ Warum die folgenden Definitionen? Schauen Sie sich \video{2-1} an.
\index{verallgemeinerter Eigenraum!Endomorphismus}. \index{verallgemeinerter Eigenraum!Endomorphismus}.
\end{defn} \end{defn}
\begin{defn}[Hauptraum einer Matrix]\label{def:2-2-6b} \begin{defn}[Hauptraum einer Matrix]\label{def:2-2-6b}%
Es sei $k$ ein Körper, es sei $A$ eine $(n n)$-Matrix. Gegeben $λ ∈ k$, Es sei $k$ ein Körper, es sei $A$ eine $(n n)$-Matrix. Gegeben $λ ∈ k$,
dann betrachte dann betrachte
$$ $$
@ -205,7 +204,7 @@ Warum die folgenden Definitionen? Schauen Sie sich \video{2-1} an.
$$ $$
wobei $\Id_{n n}$ die Einheitsmatrix bezeichnet. Man nennt dies den wobei $\Id_{n n}$ die Einheitsmatrix bezeichnet. Man nennt dies den
\emph{Hauptraum}\index{Hauptraum!Matrix} oder \emph{verallgemeinerten \emph{Hauptraum}\index{Hauptraum!Matrix} oder \emph{verallgemeinerten
Eigenraum zum Eigenwert $λ$}\index{verallgemeinerter Eigenraum!Matrix}. Eigenraum zum Eigenwert $λ$}\index{verallgemeinerter Eigenraum!Matrix}.
\end{defn} \end{defn}
\begin{beobachtung} \begin{beobachtung}
@ -263,7 +262,7 @@ und Eigenraum viel enger: Der Hauptraum erklärt die geometrische Bedeutung der
Beweis des Satzes wird dann in \video{3-1} beendet. Beweis des Satzes wird dann in \video{3-1} beendet.
\end{proof} \end{proof}
\begin{kor}\label{kor:2-2-11} \begin{kor}\label{kor:2-2-11}%
In Situation~\ref{sit:2-1-6} seien $λ_1, …, λ_k ∈ $ die Eigenwerte von $f$ In Situation~\ref{sit:2-1-6} seien $λ_1, …, λ_k ∈ $ die Eigenwerte von $f$
mit algebraischen Multiplizitäten $r_1, …, r_k$. Seien $W_1, …, W_k$ die mit algebraischen Multiplizitäten $r_1, …, r_k$. Seien $W_1, …, W_k$ die
zugehörenden Haupträume. Dann ist zugehörenden Haupträume. Dann ist
@ -296,8 +295,8 @@ und Eigenraum viel enger: Der Hauptraum erklärt die geometrische Bedeutung der
0 & & & A_k 0 & & & A_k
\end{pmatrix} \end{pmatrix}
$$ $$
wobei für jeden Index $i$ gilt: $A_i$ ist quadratische Matrix der Größe wobei für jeden Index $i$ gilt: $A_i$ ist quadratische Matrix der Größe $r_i
$r_i r_i$ und $A_i$ ist von der Form r_i$ und $A_i$ ist von der Form
$$ $$
A_i = λ_\Id_{r_i} + N_i, A_i = λ_\Id_{r_i} + N_i,
$$ $$
@ -306,8 +305,8 @@ und Eigenraum viel enger: Der Hauptraum erklärt die geometrische Bedeutung der
\begin{proof} \begin{proof}
Korollar~\ref{kor:2-2-11} sagt exakt, dass $\mathcal{B}$ eine Basis von $V$ Korollar~\ref{kor:2-2-11} sagt exakt, dass $\mathcal{B}$ eine Basis von $V$
ist. Die Blockgestalt von $\Mat^{\mathcal{B}}_{\mathcal{B}}(f)$ folgt aus ist. Die Blockgestalt von $\Mat^{\mathcal{B}}_{\mathcal{B}}(f)$ folgt aus
\ref{il:2-2-10-3}. Die Beschreibung \ref{il:2-2-10-3}. Die Beschreibung $A_i = λ_\Id_{r_i} +
$A_i = λ_\Id_{r_i} + (\text{nilpotent})$ ist \ref{il:2-2-10-5}. (\text{nilpotent})$ ist \ref{il:2-2-10-5}.
\end{proof} \end{proof}
@ -346,9 +345,9 @@ nächsten Abschnitt.
Wir betrachten das Problem „finde eine Basis, sodass die Matrix von $f$ Wir betrachten das Problem „finde eine Basis, sodass die Matrix von $f$
Jordansche Normalform hat“ jetzt also für nilpotente Endomorphismen. Jordansche Normalform hat“ jetzt also für nilpotente Endomorphismen.
\begin{situation}\label{sit:2-3-1} \begin{situation}\label{sit:2-3-1}%
Es sei $V$ ein endlich-dimensionaler Vektorraum über den komplexen Zahlen, Es sei $V$ ein endlich-dimensionaler Vektorraum über den komplexen Zahlen, $n
$n := \dim V$, und es sei $f ∈ \End(V)$ ein nilpotenter Endomorphismus. := \dim V$, und es sei $f ∈ \End(V)$ ein nilpotenter Endomorphismus.
\end{situation} \end{situation}
Das Ziel ist jetzt, eine Basis $\mathcal{B}$ zu finden, sodass Das Ziel ist jetzt, eine Basis $\mathcal{B}$ zu finden, sodass
@ -382,14 +381,14 @@ erreichen, dass $n_1 ≥ n_2 ≥ ⋯ ≥ n_l$ ist.
\end{itemize} \end{itemize}
\end{beobachtung} \end{beobachtung}
\begin{prop}\label{prop:2-3-4} \begin{prop}\label{prop:2-3-4}%
In Situation~\ref{sit:2-3-1} schreibe $V^p := \ker (f^p)$. Dann gilt In Situation~\ref{sit:2-3-1} schreibe $V^p := \ker (f^p)$. Dann gilt
Folgendes. Folgendes.
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item Wir haben Inklusionen $\{\vec{0}\} ⊆ V¹ ⊆ V² ⊆ ⋯ ⊆ V^{\dim V} = V$ \item Wir haben Inklusionen $\{\vec{0}\} ⊆ V¹ ⊆ V² ⊆ ⋯ ⊆ V^{\dim V} = V$
\item\label{il:2-3-4-2} Es gilt für alle $\vec{v} ∈ V$, dass \item\label{il:2-3-4-2} Es gilt für alle $\vec{v} ∈ V$, dass $\vec{v} ∈ V^p ⇔
$\vec{v} ∈ V^p ⇔ f(\vec{v}) ∈ V^{p-1}$. f(\vec{v}) ∈ V^{p-1}$.
\item\label{il:2-3-4-3} Setze $V⁰ = \{\vec{0}\}$. Dann gilt alle Indizes $p > \item\label{il:2-3-4-3} Setze $V⁰ = \{\vec{0}\}$. Dann gilt alle Indizes $p >
1$: Die Abbildung $f$ induziert eine injektive Abbildung zwischen den 1$: Die Abbildung $f$ induziert eine injektive Abbildung zwischen den
@ -428,10 +427,9 @@ kann.\sideremark{Vorlesung 4} Allerdings ist die Partition $(m_1, m_2, …)$ noc
nicht die, von der in Beobachtung~\ref{rem:2-3-2} die Rede war: Wir müssen erst nicht die, von der in Beobachtung~\ref{rem:2-3-2} die Rede war: Wir müssen erst
zur „dualen Partition“ übergehen. zur „dualen Partition“ übergehen.
\begin{defn}[Duale Partition]\label{def:dualePart} \begin{defn}[Duale Partition]\label{def:dualePart}%
\index{Partition!duale}\index{duale Partition}Es sein $n ∈ $ eine Zahl \index{Partition!duale}\index{duale Partition}Es sein $n ∈ $ eine Zahl und $P
und $P = (m_1, m_2, …)$ sei eine Partition von $n$. Gegeben einen Index $i$, = (m_1, m_2, …)$ sei eine Partition von $n$. Gegeben einen Index $i$, setze
setze
\[ \[
n_i := \# \{ j \:|\: m_j ≥ i \}. n_i := \# \{ j \:|\: m_j ≥ i \}.
\] \]
@ -439,9 +437,9 @@ zur „dualen Partition“ übergehen.
\end{defn} \end{defn}
\begin{bsp} \begin{bsp}
Es sei $n = 19$ und $P = (5, 5, 4, 2, 2, 1)$. Dann ist $P^* = (6, 5, 3, 3, 2)$ Es sei $n = 19$ und $P = (5, 5, 4, 2, 2, 1)$. Dann ist $P^* = (6, 5, 3, 3,
wieder eine Partition der Zahl 19. Abbildung~\vref{fig:part} veranschaulicht 2)$ wieder eine Partition der Zahl 19. Abbildung~\vref{fig:part}
den Zusammenhang. veranschaulicht den Zusammenhang.
\end{bsp} \end{bsp}
\begin{figure}[t] \begin{figure}[t]
@ -465,8 +463,8 @@ zur „dualen Partition“ übergehen.
\begin{bemerkung} \begin{bemerkung}
In der Situation von Definition~\ref{def:dualePart}, überlegen Sie sich, dass In der Situation von Definition~\ref{def:dualePart}, überlegen Sie sich, dass
$P^*$ wieder eine Partition von $n$ ist. Überlegen Sie sich auch, dass für $P^*$ wieder eine Partition von $n$ ist. Überlegen Sie sich auch, dass für
jede Partition $P$ die Gleichheit $(P^*)^* = P$ gilt. jede Partition $P$ die Gleichheit $(P^*)^* = P$ gilt. Abbildung~\ref{fig:part}
Abbildung~\ref{fig:part} kann ihnen dabei helfen. kann ihnen dabei helfen.
\end{bemerkung} \end{bemerkung}
\begin{prop}[Jordansche Normalform für nilpotente Endomorphismen]\label{prop:JNF}% \begin{prop}[Jordansche Normalform für nilpotente Endomorphismen]\label{prop:JNF}%
@ -536,9 +534,9 @@ zur „dualen Partition“ übergehen.
\paragraph{Schritt 1.2, Induktionsschritt, Konstruktion der $p$.ten Spalte} \paragraph{Schritt 1.2, Induktionsschritt, Konstruktion der $p$.ten Spalte}
Sei ein Index $p$ gegeben und sei die $(p+1)$.te Spalte schon konstruiert. Sei ein Index $p$ gegeben und sei die $(p+1)$.te Spalte schon konstruiert. Die
Die Vektoren aus der $(p+1)$.ten Spalte bezeichnen wir provisorisch mit Vektoren aus der $(p+1)$.ten Spalte bezeichnen wir provisorisch mit $\vec w_1,
$\vec w_1, …, \vec w_a$. Beachte, dass die Abbildung …, \vec w_a$. Beachte, dass die Abbildung
\[ \[
\overline{f} : \factor{V^{p+1}}{V^p}\factor{V^p}{V^{p-1}} \overline{f} : \factor{V^{p+1}}{V^p}\factor{V^p}{V^{p-1}}
\] \]
@ -574,10 +572,9 @@ zur „dualen Partition“ übergehen.
\paragraph{Schritt 2.2, Induktionsschritt} \paragraph{Schritt 2.2, Induktionsschritt}
Sei ein Index $p>1$ gegeben. Induktionsannahme: die Vektoren Sei ein Index $p>1$ gegeben. Induktionsannahme: die Vektoren $\vec{α}_1, …,
$\vec{α}_1, …, \vec{α}_a$ aus den ersten $(p-1)$ Spalten bilden eine Basis von \vec{α}_a$ aus den ersten $(p-1)$ Spalten bilden eine Basis von $V^{p-1}$.
$V^{p-1}$. Seien $\vec{β}_1, …, \vec{β}_b$ die Vektoren der $p$.ten Spalte Seien $\vec{β}_1, …, \vec{β}_b$ die Vektoren der $p$.ten Spalte und sei
und sei
\[ \[
W^p := \langle \vec{α}_1, …, \vec{α}_a, \vec{β}_1, …, \vec{β}_b \rangle W^p := \langle \vec{α}_1, …, \vec{α}_a, \vec{β}_1, …, \vec{β}_b \rangle
⊂ V^p ⊂ V^p
@ -595,8 +592,8 @@ zur „dualen Partition“ übergehen.
\[ \[
\ker γ = V^{p-1} \quad \text{und} \quad \dim W^p = m_p + \dim V^{p-1} = \dim V^p. \ker γ = V^{p-1} \quad \text{und} \quad \dim W^p = m_p + \dim V^{p-1} = \dim V^p.
\] \]
Also ist die Menge ein Erzeugendensystem. Weil sie aber genau Also ist die Menge ein Erzeugendensystem. Weil sie aber genau $(\dim
$(\dim V^p)$-viele Elemente enthält, muss es sich um eine Basis handeln. V^p)$-viele Elemente enthält, muss es sich um eine Basis handeln.
\paragraph{Schritt 3, Ende des Beweises} \paragraph{Schritt 3, Ende des Beweises}
@ -737,9 +734,11 @@ bleibt noch die Aufgabe, eine Jordanbasis konkret anzugeben.
hat. hat.
\end{enumerate} \end{enumerate}
Wie wir oben gesehen haben, ist $\mathcal{B} := \{ \vec{w}_{1,1}, …, Wie wir oben gesehen haben, ist
\vec{w}_{1,r_1}, \vec{w}_{2,1}, …, \vec{w}_{2,r_2}, …, \vec{w}_{k,1}, …, $$
\vec{w}_{k,r_k} \}$ dann eine Jordanbasis. \mathcal{B} := \{ \vec{w}_{1,1}, …, \vec{w}_{1,r_1}, \vec{w}_{2,1}, …, \vec{w}_{2,r_2}, …, \vec{w}_{k,1}, …, \vec{w}_{k,r_k} \}
$$
dann eine Jordanbasis.
\subsection{Beispiele} \subsection{Beispiele}

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@ -111,10 +111,9 @@
\section*{Vorbemerkung} \section*{Vorbemerkung}
Dieses Skript zur Vorlesung „Lineare Algebra II“ wird im Laufe des Dieses Skript zur Vorlesung „Lineare Algebra II“ wird ständig weiter
Sommersemester 2025 ständig weiter geschrieben. Sie finden die neueste Version geschrieben. Sie finden die neueste Version dieses Skripts immer auf der
dieses Skripts immer auf der \href{https://nextcloud.cplx.vm.uni-freiburg.de/index.php/s/anr7bxB4aEdabiz}{Nextcloud}.
\href{https://nextcloud.cplx.vm.uni-freiburg.de/index.php/s/L8gbP7PCeXQqtCx?path=\%2F}{NextCloud}.
Beim Schreiben werden uns ganz bestimmt ein paar Fehler unterlaufen. Falls Sie Beim Schreiben werden uns ganz bestimmt ein paar Fehler unterlaufen. Falls Sie
ein Problem entdecken oder sich nicht sicher sind, sprechen Sie einen ein Problem entdecken oder sich nicht sicher sind, sprechen Sie einen