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Stefan Kebekus 2025-05-05 10:33:28 +02:00
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@ -19,3 +19,11 @@ Quotientenvektorraums
Erzeugendensystem Erzeugendensystem
Quotientenvektorräume Quotientenvektorräume
Repräsentantenniveau Repräsentantenniveau
Jordanscher
Matrixexponential
Matrixexponentials
Einsetzungsabbildung
Cayley-Hamilton
TFAE
Jordanblocks
Einsetzungsmorphismus

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@ -7,3 +7,6 @@
{"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$"} {"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QWir beweisen Satz \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q nach einigen Vorbereitungen im Abschnitt ssec:pjnf.\\E$"}
{"rule":"DE_COMPOUND_COHERENCY","sentence":"^\\QAls nächstes überlegen wir uns, wie die Potenzen von beliebigen Jordan-Blöcken ausrechnen.\\E$"}
{"rule":"KLEINSCHREIBUNG_KEIN_NAME","sentence":"^\\QIch wiederhole die Warnung aus „Lineare Algebra I“.\\E$"}
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qden Grad des Polynoms, in Formeln \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q.\\E$"}

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@ -626,8 +626,7 @@ zur „dualen Partition“ übergehen.
eine Basis des Quotientenraums $\factor{V^p}{V^{p-1}}$ bilden. Schreibe jetzt eine Basis des Quotientenraums $\factor{V^p}{V^{p-1}}$ bilden. Schreibe jetzt
die Vektoren die Vektoren
\[ \[
\overline{f}(\vec w_1), …, \overline{f}(\vec w_a), \vec v^p_1, …, \vec f(\vec w_1), …, f(\vec w_a), \vec v^p_1, …, \vec v^p_{m_p-a}
v^p_{m_p-a}
\] \]
in die $p$.te Spalte des Diagramms. Nach Punkt~\ref{il:2-3-4-2} von in die $p$.te Spalte des Diagramms. Nach Punkt~\ref{il:2-3-4-2} von
Proposition~\ref{prop:2-3-4} kommen alle diese Vektoren aus $V^p$. Proposition~\ref{prop:2-3-4} kommen alle diese Vektoren aus $V^p$.

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@ -78,14 +78,14 @@ macht die Formel kurz und in der Praxis gut berechenbar.
\end{lem} \end{lem}
\begin{proof}[Beweis als Übungsaufgabe] \begin{proof}[Beweis als Übungsaufgabe]
Schreibe wieder einmal $J(λ,n) = λ·\Id_{n n} + J(0,n)$ und Schreibe wieder einmal $J(λ,n) = λ·\Id_{nn} + J(0,n)$ und
\[ \[
J(λ,n)^p =\bigl( λ·\Id_{n n} + J(0,n) \bigr)^p J(λ,n)^p =\bigl( λ·\Id_{nn} + J(0,n) \bigr)^p
\] \]
Beachten Sie, dass die Matrizen $λ·\Id_{n n}$ und $J(0,n)$ kommutieren, Beachten Sie, dass die Matrizen $λ·\Id_{nn}$ und $J(0,n)$ kommutieren,
dass also die Gleichheit dass also die Gleichheit
\[ \[
λ·\Id_{n n}·J(0,n) = λ·J(0,n)·\Id_{n n} λ·\Id_{nn}·J(0,n) = λ·J(0,n)·\Id_{nn}
\] \]
gilt! Benutzen Sie das, um jetzt genau wie in der Analysis-Vorlesung die gilt! Benutzen Sie das, um jetzt genau wie in der Analysis-Vorlesung die
binomische Formel~\eqref{eq:binomi} per Induktion nach $p$ zu zeigen. binomische Formel~\eqref{eq:binomi} per Induktion nach $p$ zu zeigen.
@ -116,10 +116,10 @@ macht die Formel kurz und in der Praxis gut berechenbar.
\end{beobachtung} \end{beobachtung}
\begin{beobachtung}[Hohe Potenzen von komplexen Matrizen] \begin{beobachtung}[Hohe Potenzen von komplexen Matrizen]
Es sei $A$ eine beliebige quadratische $(n n)$-Matrix über den komplexen Es sei $A$ eine beliebige quadratische $(nn)$-Matrix über den komplexen
Zahlen. Wir wissen nach Kapitel~\ref{chapt:Jordan}, wie wir halbwegs effizient Zahlen. Wir wissen nach Kapitel~\ref{chapt:Jordan}, wie wir halbwegs
eine invertierbare Matrix $S ∈ GL_n()$ finden, so dass $B := S·A·S^{-1}$ effizient eine invertierbare Matrix $S ∈ GL_n()$ finden, sodass $B :=
Jordansche Normalform hat. Dann ist $A = S^{-1}·B·S$ und S·A·S^{-1}$ Jordansche Normalform hat. Dann ist $A = S^{-1}·B·S$ und
\[ \[
A^p = S^{-1}·B·\underbrace{S·S^{-1}}_{= \Id}·B·\underbrace{S·S^{-1}}_{= \Id}·B·S ⋯ S^{-1}·B·S = S^{-1}·B^p·S. A^p = S^{-1}·B·\underbrace{S·S^{-1}}_{= \Id}·B·\underbrace{S·S^{-1}}_{= \Id}·B·S ⋯ S^{-1}·B·S = S^{-1}·B^p·S.
\] \]
@ -131,9 +131,9 @@ macht die Formel kurz und in der Praxis gut berechenbar.
\subsection{Wiederholung} \subsection{Wiederholung}
In der Vorlesung Analysis haben Sie die Exponentialfunktion kennen gelernt, In der Vorlesung Analysis haben Sie die Exponentialfunktion kennengelernt,
\[ \[
\exp : , \quad t ↦ \sum_{n=0}^\frac{t^n}{n!} \exp : , \quad t ↦ \sum_{n=0}^\frac{t^n}{n!}.
\] \]
Wahrscheinlich kennen Sie auch schon die komplexe Exponentialfunktion und Wahrscheinlich kennen Sie auch schon die komplexe Exponentialfunktion und
wissen, dass für jede reelle Zahl $t$ gilt wissen, dass für jede reelle Zahl $t$ gilt
@ -148,30 +148,30 @@ Falls nicht, ist jetzt eine gute Gelegenheit, diese Dinge auf
Ich verallgemeinere die Exponentialfunktion jetzt, die Beweise in diesem Abschnitt Ich verallgemeinere die Exponentialfunktion jetzt, die Beweise in diesem Abschnitt
überlasse ich aber den Kollegen von der Analysis. Gegeben eine überlasse ich aber den Kollegen von der Analysis. Gegeben eine
$(n n)$-Matrix $A$ über den komplexen Zahlen, definiere ich $(nn)$-Matrix $A$ über den komplexen Zahlen, definiere ich
\[ \[
\exp(A) := \sum_{n=0}^\frac{1}{n!}·A^n. \exp(A) := \sum_{n=0}^\frac{1}{n!}·A^n.
\] \]
Dabei sei $A⁰$ stets die $(n n)$-Einheitsmatrix. Diese Reihe konvergiert Dabei sei $A⁰$ stets die $(nn)$-Einheitsmatrix. Diese Reihe konvergiert in
in dem Sinne, dass jeder einzelne der $$ vielen Matrixeinträge konvergiert -- dem Sinne, dass jeder einzelne der $$ vielen Matrixeinträge konvergiert --
natürlich lässt sich noch viel mehr sagen: absolute Konvergenz, Konvergenz in natürlich lässt sich noch viel mehr sagen: absolute Konvergenz, Konvergenz in
Operatornorm, …. Ich erhalte so eine Abbildung Operatornorm, …. Ich erhalte so eine Abbildung
\[ \[
\exp : \Mat_{n n}() → \Mat_{n n}(), \quad A ↦ \sum_{n=0}^\frac{1}{n!}·A^n \exp : \Mat_{nn}() → \Mat_{nn}(), \quad A ↦ \sum_{n=0}^\frac{1}{n!}·A^n,
\] \]
die in der Literatur oft Matrixexponential\index{Matrixexponential} genannt die in der Literatur oft Matrixexponential\index{Matrixexponential} genannt
wird. Sie finden weitere Erläuterungen und erste Beispiele bei wird. Sie finden weitere Erläuterungen und erste Beispiele bei
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Matrixexponential}{Wikipedia}. \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Matrixexponential}{Wikipedia}.
\begin{bsp} \begin{bsp}
Es sei $A$ eine komplexe $(n n)$-Diagonalmatrix, Es sei $A$ eine komplexe $(nn)$-Diagonalmatrix,
\[ \[
A = \begin{pmatrix} A = \begin{pmatrix}
λ_1 & & & 0 \\ λ_1 & & & 0 \\
& λ_2 & \\ & λ_2 & \\
& & \ddots \\ & & \ddots \\
0 & & & λ_n 0 & & & λ_n
\end{pmatrix} \end{pmatrix}.
\] \]
Dann ist Dann ist
\[ \[
@ -192,15 +192,14 @@ wird. Sie finden weitere Erläuterungen und erste Beispiele bei
\] \]
\end{bsp} \end{bsp}
Etwas Etwas weitergehende Beispiele finden Sie als
weitergehende Beispiele finden Sie als
\href{http://www.iam.uni-bonn.de/fileadmin/Mathphys/15SS_ODEs/06-matrixexponential.pdf}{Beispiel \href{http://www.iam.uni-bonn.de/fileadmin/Mathphys/15SS_ODEs/06-matrixexponential.pdf}{Beispiel
1.4. in diesem Seminarvortrag}. Ich nenne ohne Beweis einige Eigenschaften des 1.4. in diesem Seminarvortrag}. Ich nenne ohne Beweis einige Eigenschaften des
Matrixexponentials. Matrixexponentials.
\begin{fakt}[Elementare Fakten zum Matrixpotential] \begin{fakt}[Elementare Fakten zum Matrixpotential]
Es sei $n ∈ $ eine Zahl weiter seien $A$ und $B$ zwei komplexe Es sei $n ∈ $ eine Zahl weiter seien $A$ und $B$ zwei komplexe $(n
$(n n)$-Matrizen. n)$-Matrizen.
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item\label{il:3-2-3-1} Falls $A$ und $B$ kommutieren (falls also $AB=BA$ \item\label{il:3-2-3-1} Falls $A$ und $B$ kommutieren (falls also $AB=BA$
ist), dann gilt ist), dann gilt
@ -208,8 +207,8 @@ Matrixexponentials.
\exp(A+B)=\exp(A)·\exp(B). \exp(A+B)=\exp(A)·\exp(B).
\] \]
\item\label{il:3-2-3-2} Für jede invertierbare, komplexe $(n n)$-Matrix \item\label{il:3-2-3-2} Für jede invertierbare, komplexe $(nn)$-Matrix $S$
$S$ ist ist
\[ \[
\exp(S·A·S^{-1}) = S·\exp(A)·S^{-1} \eqno \qed \exp(S·A·S^{-1}) = S·\exp(A)·S^{-1} \eqno \qed
\] \]
@ -217,40 +216,40 @@ Matrixexponentials.
\end{fakt} \end{fakt}
\begin{beobachtung} \begin{beobachtung}
Wenn $A$ irgendeine komplexe $(n n)$-Matrix ist, dann kommutieren die Wenn $A$ irgendeine komplexe $(nn)$-Matrix ist, dann kommutieren die Matrizen
Matrizen $A$ und $-A$ offenbar. Also ist nach Punkt~\ref{il:3-2-3-1} $A$ und $-A$ offenbar. Also ist nach Punkt~\ref{il:3-2-3-1}
\[ \[
\Id_{n n} = \exp(0) = \exp \bigl(A+(-A) \bigr) = \exp(A) · \exp(-A). \Id_{nn} = \exp(0) = \exp \bigl(A+(-A) \bigr) = \exp(A) · \exp(-A).
\] \]
Es folgt, dass das Matrixexponential $\exp(A)$ für jede komplexe Es folgt, dass das Matrixexponential $\exp(A)$ für jede komplexe
$(n n)$-Matrix $A$ stets invertierbar ist, und dass $(nn)$-Matrix $A$ stets invertierbar ist, und dass $\exp(A)^{-1} = \exp(-A)$
$\exp(A)^{-1} = \exp(-A)$ gilt. gilt.
\end{beobachtung} \end{beobachtung}
Insgesamt sollten Sie mit den Beobachtungen aus Abschnitt~\ref{sec:hohePot} Insgesamt sollten Sie mit den Beobachtungen aus Abschnitt~\ref{sec:hohePot}
jetzt ganz gut in der Lage sein, beliebige Matrixexponentials auszurechnen. jetzt ganz gut in der Lage sein, beliebige Matrixexponentials auszurechnen.
\section{Lineare, homogene Differentialgleichungssysteme} \section{Lineare, homogene Differenzialgleichungssysteme}
\subsection{Erinnerung} \subsection{Erinnerung}
Sie haben lineare, homogene Differentialgleichungen wahrscheinlich schon in der Sie haben lineare, homogene Differenzialgleichungen wahrscheinlich schon in der
Schule kennen gelernt. Gegeben sind Zahlen $a$ und $y_0$ aus $$. Gesucht ist Schule kennengelernt. Gegeben sind Zahlen $a$ und $y_0$ aus $$. Gesucht ist
eine differenzierbare Funktion $y : $, so dass für alle $t ∈ $ eine differenzierbare Funktion $y : $, sodass für alle $t ∈ $ gilt: $y'(t)
gilt: $y'(t) = a·y(t)$. Außerdem soll $y(0) = y_0$ sein. Aus der Vorlesung = a·y(t)$. Außerdem soll $y(0) = y_0$ sein. Aus der Vorlesung Analysis wissen
Analysis wissen Sie, dass es nur eine solche Funktion gibt: Sie, dass es nur eine solche Funktion gibt:
$$ $$
y(t) = \exp(t·a)·y_0. y(t) = \exp(t·a)·y_0.
$$ $$
Dasselbe funktioniert genau so mit komplexen Zahlen. Dasselbe funktioniert genau so mit komplexen Zahlen.
\subsection{Lineare, homogene Differentialgleichungssysteme} \subsection{Lineare, homogene Differenzialgleichungssysteme}
Gegeben sei jetzt eine Zahl $n ∈ $, eine komplexe $(n n)$-Matrix $A$ Gegeben sei jetzt eine Zahl $n ∈ $, eine komplexe $(nn)$-Matrix $A$ und ein
und ein Vektor $\vec{y}_0^n$. Gesucht sind $n$ differenzierbare Vektor $\vec{y}_0^n$. Gesucht sind $n$ differenzierbare Funktionen $y_1$,
Funktionen $y_1$, …, $y_n : $, so dass für alle $t ∈ $ gilt: …, $y_n : $, sodass für alle $t ∈ $ gilt:
\[ \[
\begin{pmatrix} \begin{pmatrix}
y'_1(t) \\ y'_1(t) \\
@ -265,7 +264,7 @@ Funktionen $y_1$, …, $y_n : $, so dass für alle $t ∈ $ gilt:
y_2(t) \\ y_2(t) \\
\vdots \\ \vdots \\
y_n(t) y_n(t)
\end{pmatrix} \end{pmatrix}.
\] \]
Außerdem soll Außerdem soll
\[ \[
@ -279,8 +278,8 @@ Außerdem soll
\] \]
sein. sein.
\begin{fakt}[Lösungsformel für lineare, homogene Differentialgleichungssysteme]\label{fakt:3-3-1} \begin{fakt}[Lösungsformel für lineare, homogene Differentialgleichungssysteme]\label{fakt:3-3-1}%
Diese Problem hat genau eine Lösung. Die Funktionen $y_1$, …, $y_n$ sind Dieses Problem hat genau eine Lösung. Die Funktionen $y_1$, …, $y_n$ sind
gegeben als gegeben als
\[ \[
\begin{pmatrix} \begin{pmatrix}
@ -299,12 +298,12 @@ sein.
\end{bsp} \end{bsp}
\subsection{Differentialgleichungen höherer Ordnung} \subsection{Differenzialgleichungen höherer Ordnung}
Ich erkläre an einem Beispiel, wie man mit unseren Methoden eine Ich erkläre an einem Beispiel, wie man mit unseren Methoden eine
Differentialgleichung höherer Ordnung löst. Gegeben seien Zahlen $a$, $b$ und Differenzialgleichung höherer Ordnung löst. Gegeben seien Zahlen $a$, $b$ und
$c$ sowie $y_0$, $y'_0$ und $y''_0$. Gesucht ist eine Funktion $c$ sowie $y_0$, $y'_0$ und $y''_0$. Gesucht ist eine Funktion $y : $,
$y : $, so dass für alle $t ∈ $ gilt: sodass für alle $t ∈ $ gilt:
\begin{equation}\label{eq:3-3-2-1} \begin{equation}\label{eq:3-3-2-1}
y'''(t) = a·y(t)+b·y'(t)+c·y''(t). y'''(t) = a·y(t)+b·y'(t)+c·y''(t).
\end{equation} \end{equation}
@ -344,9 +343,9 @@ dieser Formulierung stellt sich \eqref{eq:3-3-2-1} wie folgt dar.
y_0 \\ y_0 \\
y'_0 \\ y'_0 \\
y''_0 y''_0
\end{pmatrix} \end{pmatrix}.
\] \]
Nach der Lösungsformel für lineare, homogene Differentialgleichungssysteme, Nach der Lösungsformel für lineare, homogene Differenzialgleichungssysteme,
Fakt~\ref{fakt:3-3-1}, können wir diese DGL jetzt aber lösen. Fakt~\ref{fakt:3-3-1}, können wir diese DGL jetzt aber lösen.
\begin{bsp} \begin{bsp}

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@ -18,9 +18,8 @@ In der Situation~\ref{sit:4-0-1} gibt es noch mehr Endomorphismen, zum Beispiel
f⁰ = \Id_V, \quad f², \quad f³, \quad\text{oder}\quad f⁵-7·f²+12·f-5·f⁰. f⁰ = \Id_V, \quad f², \quad f³, \quad\text{oder}\quad f⁵-7·f²+12·f-5·f⁰.
\] \]
Das funktioniert natürlich nicht nur mit den Polynomen $x⁰$, $$, $$ und Das funktioniert natürlich nicht nur mit den Polynomen $x⁰$, $$, $$ und
$x⁵-7·x²+12·x-5$ sondern ganz allgemein. Die passende Definition kommt $x⁵-7·x²+12·x-5$, sondern ganz allgemein. Die passende Definition kommt sofort,
sofort, aber zuerst erinnern wir uns an eine einige Definition zum Thema aber zuerst erinnern wir uns an eine einige Definitionen zum Thema „Polynome“.
``Polynome''.
\begin{defn}[Polynome] \begin{defn}[Polynome]
Gegeben einen Körper $k$, dann bezeichne mit $k[t]$ die Menge der Polynome mit Gegeben einen Körper $k$, dann bezeichne mit $k[t]$ die Menge der Polynome mit
@ -45,15 +44,15 @@ sofort, aber zuerst erinnern wir uns an eine einige Definition zum Thema
Es ist $+π·t- \sqrt{2}[t]$, aber nicht in $[t]$. Es ist $+π·t- \sqrt{2}[t]$, aber nicht in $[t]$.
\end{bsp} \end{bsp}
Ich wiederhole die Warnung aus ``Lineare Algebra I''. Wie wir in der Schule Ich wiederhole die Warnung aus „Lineare Algebra I“. Wie wir in der Schule
gelernt haben, liefert jedes Polynom $p(t) ∈ k[t]$ eine Abbildung $k → k$, gelernt haben, liefert jedes Polynom $p(t) ∈ k[t]$ eine Abbildung $k → k$, $λ ↦
$λ ↦ p(λ)$, die man oft irreführenderweise ebenfalls mit $p$ p(λ)$, die man oft irreführenderweise ebenfalls mit $p$ bezeichnet. Beachten
bezeichnet. Beachten Sie aber, dass Polynome zwar Abbildungen liefern, aber Sie aber, dass Polynome zwar Abbildungen liefern, aber keine Abbildungen sind!
keine Abbildungen sind! Wenn $𝔽_2$ der bekannte Körper mit zwei Elementen ist, Wenn $𝔽_2$ der bekannte Körper mit zwei Elementen ist, dann sind die Polynome
dann sind die Polynome $t$, $$, $$, … alle unterschiedlich (denn sie haben $t$, $$, $$, … alle unterschiedlich (denn sie haben ja unterschiedlichen
ja unterschiedlichen Grad). Die zugehörigen Abbildungen sind aber alle gleich. Grad). Die zugehörigen Abbildungen sind aber alle gleich. Insgesamt gibt es
Insgesamt gibt es unendliche viele Polynome, aber natürlich nur endlich viele unendliche viele Polynome, aber natürlich nur endlich viele Selbstabbildungen
Selbstabbildungen des endlichen Körpers $𝔽_2$. des endlichen Körpers $𝔽_2$.
\begin{defn}[Einsetzungsabbildung für Endomorphismen] \begin{defn}[Einsetzungsabbildung für Endomorphismen]
In Situation~\ref{sit:4-0-1} sei ein Polynom $p(t) = \sum_{i=0}^n a_i·tⁱ$ aus In Situation~\ref{sit:4-0-1} sei ein Polynom $p(t) = \sum_{i=0}^n a_i·tⁱ$ aus
@ -68,17 +67,16 @@ Selbstabbildungen des endlichen Körpers $𝔽_2$.
\] \]
genannt genannt
\emph{Einsetzungsabbildung}\index{Einsetzungsabbildung!Endomorphismen}. \emph{Einsetzungsabbildung}\index{Einsetzungsabbildung!Endomorphismen}.
Gegeben eine Zahl $n ∈ $, eine $(n n)$-Matrix $A$ mit Einträgen in Gegeben eine Zahl $n ∈ $, eine $(nn)$-Matrix $A$ mit Einträgen in $k$ und
$k$ und ein ein Polynom $p(t) ∈ k[t]$ definieren wir völlig analog eine ein Polynom $p(t) ∈ k[t]$ definieren wir völlig analog eine Matrix $p(A)$ und
Matrix $p(A)$ und eine eine \emph{Einsetzungsabbildung}\index{Einsetzungsabbildung!Matrizen} $s: k[t]
\emph{Einsetzungsabbildung}\index{Einsetzungsabbildung!Matrizen} \Mat(nn, k)$ durch $s(A) = p(A)$.
$s: k[t]\Mat(n n, k)$ durch $s(A) = p(A)$.
\end{defn} \end{defn}
\begin{beobachtung}[Einsetzungsabbildung bei ähnlichen Matrizen]\label{beob:4-0-6} \begin{beobachtung}[Einsetzungsabbildung bei ähnlichen Matrizen]\label{beob:4-0-6}%
Gegeben eine Zahl $n ∈ $, eine $(n n)$-Matrix $A$ mit Einträgen in Gegeben eine Zahl $n ∈ $, eine $(nn)$-Matrix $A$ mit Einträgen in $k$ und
$k$ und ein ein Polynom $p(t) ∈ k[t]$. Wenn wir noch eine invertierbare ein Polynom $p(t) ∈ k[t]$. Wenn wir noch eine invertierbare Matrix $S ∈
Matrix $S ∈ GL_n(k)$ haben, dann ist GL_n(k)$ haben, dann ist
\[ \[
p(S·A·S^{-1}) = S·p(A)·S^{-1}. p(S·A·S^{-1}) = S·p(A)·S^{-1}.
\] \]
@ -108,22 +106,22 @@ Nullstelle seines eigenen charakteristischen Polynoms ist. Wie cool ist das?
Wir bleiben in Situation~\ref{sit:4-0-1}. Dann wissen wir schon, dass $f$ eine Wir bleiben in Situation~\ref{sit:4-0-1}. Dann wissen wir schon, dass $f$ eine
Nullstelle von $χ_f$ ist. Wir fragen uns, ob es nicht noch ein einfacheres Nullstelle von $χ_f$ ist. Wir fragen uns, ob es nicht noch ein einfacheres
Polynom $p(t) ∈ k[t]$ gibt, so dass $p(f) = 0$ ist. Und nein, wir wollen nicht Polynom $p(t) ∈ k[t]$ gibt, sodass $p(f) = 0$ ist. Und nein, wir wollen nicht
das Nullpolynom betrachten. das Nullpolynom betrachten.
\begin{beobachtung}\label{beob:4-0-7} \begin{beobachtung}\label{beob:4-0-7}%
In Situation~\ref{sit:4-0-1}, wenn ein Polynom $p(t) ∈ k[t]$ gegeben ist mit In Situation~\ref{sit:4-0-1}, wenn ein Polynom $p(t) ∈ k[t]$ gegeben ist mit
$p(f) = 0$ und wenn $λ ∈ k \{0\}$ dann ist $q := λ·p$ auch wieder $p(f) = 0$ und wenn $λ ∈ k \{0\}$ dann ist $q := λ·p$ auch wieder ein
ein Polynom und $q(f) = 0$. Konsequenz: bei unserer Suche nach möglichst Polynom und $q(f) = 0$. Konsequenz: bei unserer Suche nach möglichst
einfachen Polynomen können wir immer annehmen, dass der Leitkoeffizient gleich einfachen Polynomen können wir immer annehmen, dass der Leitkoeffizient gleich
1 ist. 1 ist.
\end{beobachtung} \end{beobachtung}
\begin{beobachtung}\label{beob:4-0-8} \begin{beobachtung}\label{beob:4-0-8}%
In Situation~\ref{sit:4-0-1} seien $p_1(t)$ und $p_2(t) ∈ k[t]$ zwei In Situation~\ref{sit:4-0-1} seien $p_1(t)$ und $p_2(t) ∈ k[t]$ zwei
unterschiedliche Polynome mit $p_1(f) = p_2(f) = 0$. Angenommen, die Grade von unterschiedliche Polynome mit $p_1(f) = p_2(f) = 0$. Angenommen, die Grade
$p_1$ und $p_2$ seien gleich und beide Polynome seien normiert. Setzt von $p_1$ und $p_2$ seien gleich und beide Polynome seien normiert. Setzt $q
$q := p_1-p_2$. Dann gilt Folgendes. := p_1-p_2$. Dann gilt Folgendes.
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item Das Polynome $q$ ist nicht das Nullpolynom. \item Das Polynome $q$ ist nicht das Nullpolynom.
\item Es ist $q(f) = p_1(f) - p_2(f) = 0 - 0 = 0\End(V)$. \item Es ist $q(f) = p_1(f) - p_2(f) = 0 - 0 = 0\End(V)$.
@ -151,7 +149,7 @@ Diese Beobachtungen legen folgende Definition nahe.
Beobachtung~\ref{beob:4-0-7} und der Satz~\ref{satz:CayleyHamilton} von Beobachtung~\ref{beob:4-0-7} und der Satz~\ref{satz:CayleyHamilton} von
Cayley-Hamilton sagen, dass Minimalpolynome für jeden Endomorphismus und für Cayley-Hamilton sagen, dass Minimalpolynome für jeden Endomorphismus und für
jede quadratische Matrix existieren. Beobachtung~\ref{beob:4-0-8} sagt, dass jede quadratische Matrix existieren. Beobachtung~\ref{beob:4-0-8} sagt, dass
dies Minimalpolynome eindeutig bestimmt ist. das Minimalpolynom eindeutig bestimmt ist.
\end{bemerkung} \end{bemerkung}
\begin{bsp} \begin{bsp}
@ -162,9 +160,9 @@ Diese Beobachtungen legen folgende Definition nahe.
5 & 1 & 0 \\ 5 & 1 & 0 \\
0 & 5 & 0 \\ 0 & 5 & 0 \\
0 & 0 & 5 0 & 0 & 5
\end{pmatrix} \end{pmatrix}.
\] \]
Da die Matrix $A$ kein Vielfaches von $\Id_{3 3}$, ist das Da die Matrix $A$ kein Vielfaches von $\Id_{33}$, ist das
Minimalpolynom von $A$ ganz sicher nicht linear. Auf der anderen Seite ist Minimalpolynom von $A$ ganz sicher nicht linear. Auf der anderen Seite ist
\[ \[
A² = A² =
@ -172,9 +170,9 @@ Diese Beobachtungen legen folgende Definition nahe.
25 & 10 & 0 \\ 25 & 10 & 0 \\
0 & 25 & 0 \\ 0 & 25 & 0 \\
0 & 0 & 25 0 & 0 & 25
\end{pmatrix} \end{pmatrix}.
\] \]
Also ist $-10·A+25·\Id_{3 3} = 0$. Also ist Also ist $-10·A+25·\Id_{33} = 0$. Also ist
$p(t) =-10·t+25 = (t-5)²$ ein normiertes Polynom, das $A$ als Nullstelle $p(t) =-10·t+25 = (t-5)²$ ein normiertes Polynom, das $A$ als Nullstelle
hat. Das muss dann wohl das Minimalpolynom sein. hat. Das muss dann wohl das Minimalpolynom sein.
\end{bsp} \end{bsp}
@ -190,13 +188,13 @@ Diese Beobachtungen legen folgende Definition nahe.
Minimalpolynom. Minimalpolynom.
\end{beobachtung} \end{beobachtung}
Der folgenden Satz liefern eine erste Beschreibung des Minimalpolynoms. Der folgende Satz liefert eine erste Beschreibung des Minimalpolynoms.
\begin{satz}[Andere Polynome mit $f$ als Nullstelle] \begin{satz}[Andere Polynome mit $f$ als Nullstelle]
In Situation~\ref{sit:4-0-1} sei $p(t)$ das Minimalpolynom von $f$, und $q(t)$ In Situation~\ref{sit:4-0-1} sei $p(t)$ das Minimalpolynom von $f$, und $q(t)$
sei ein weiteres, nicht-verschwindendes Polynom, das $f$ als Nullstelle sei ein weiteres, nicht-verschwindendes Polynom, das $f$ als Nullstelle hat.
hat. Dann ist $q$ ein Vielfaches des Minimalpolynoms $p$. Das bedeutet: es Dann ist $q$ ein Vielfaches des Minimalpolynoms $p$. Das bedeutet: Es gibt
gibt ein Polynom $r(t)$, so dass $q(t) = r(t)·p(t)$ ist. ein Polynom $r(t)$, sodass $q(t) = r(t)·p(t)$ ist.
\end{satz} \end{satz}
\begin{proof} \begin{proof}
Ich führe einen Widerspruchsbeweis und nehme an, die Aussage sei falsch. Dann Ich führe einen Widerspruchsbeweis und nehme an, die Aussage sei falsch. Dann
@ -207,9 +205,9 @@ Der folgenden Satz liefern eine erste Beschreibung des Minimalpolynoms.
\item Der Grad von $q$ ist minimal unter den Graden aller Polynome, die $f$ \item Der Grad von $q$ ist minimal unter den Graden aller Polynome, die $f$
als Nullstelle haben und die kein Vielfaches von $p$ sind. als Nullstelle haben und die kein Vielfaches von $p$ sind.
\end{enumerate} \end{enumerate}
Dann ist ganz klar per Definition von ``Minimalpolynom'' $\deg q ≥ \deg Dann ist ganz klar per Definition von „Minimalpolynom“ $\deg q ≥ \deg p$. Es
p$. Es sei $d := \deg q - \deg p$. Man beachte, dass $t^d·p$ ebenfalls sei $d := \deg q - \deg p$. Man beachte, dass $t^d·p$ ebenfalls normiert ist
normiert ist und $f$ als Nullstelle hat. Also hat und $f$ als Nullstelle hat. Also hat
\[ \[
r(t) = q(t) - t^d·p(t) r(t) = q(t) - t^d·p(t)
\] \]
@ -220,8 +218,8 @@ Der folgenden Satz liefern eine erste Beschreibung des Minimalpolynoms.
\end{proof} \end{proof}
\begin{satz}[Nullstellen des Minimalpolynoms] \begin{satz}[Nullstellen des Minimalpolynoms]
Es sei $k$ eine Körper, $A$ eine $(n n)$-Matrix mit Werten in $k$ und Es sei $k$ ein Körper, $A$ eine $(nn)$-Matrix mit Werten in $k$ und $λ ∈ k$.
$λ ∈ k$. TFAE: TFAE:
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item Das Skalar $λ$ ist ein Eigenwert von $A$. \item Das Skalar $λ$ ist ein Eigenwert von $A$.
@ -239,7 +237,7 @@ Der folgenden Satz liefern eine erste Beschreibung des Minimalpolynoms.
vollständig beantworten. vollständig beantworten.
\begin{satz}[Beschreibung des Minimalpolynoms über $$] \begin{satz}[Beschreibung des Minimalpolynoms über $$]
Es sei $A$ eine $(n n)$-Matrix über den komplexen Zahlen. Bezeichne die Es sei $A$ eine $(nn)$-Matrix über den komplexen Zahlen. Bezeichne die
Eigenwerte von $A$ mit $λ_1$, …, $λ_d$ und schreibe für jeden Index $i$ Eigenwerte von $A$ mit $λ_1$, …, $λ_d$ und schreibe für jeden Index $i$
\[ \[
m_i := \text{Länge des längsten Jordanblocks zum Eigenwert } λ_i. m_i := \text{Länge des längsten Jordanblocks zum Eigenwert } λ_i.