Compare commits

..

No commits in common. "3f631e4eafb494efd642f4d82cf19e6cbb460a8e" and "37b91c5e0259983d51eb34fad6d7c79416223689" have entirely different histories.

6 changed files with 186 additions and 224 deletions

View File

@ -60,31 +60,3 @@ Determinanten-Multiplikationssatz
Komplexifizierung Komplexifizierung
komplexifizierten komplexifizierten
komplexifizierte komplexifizierte
Quadriken
Quadrik
Grund-Quadriken
Vereinfachungsschritten
Koniken
Perge
Hyperbelbahnen
Konik
Auxerre
Loviscach
psycho-akustisches
SciKit
Funktionalgleichung
Schönhage-Strassen-Algorithmus
Schönhage
Strassen
Thurstone
Allport
Odbert
kulturstabile
Stryker
Gallup-Test
OCEAN-Modell
PCA
massebehafteter
Sylvester
Hurwitz-Kriteriums
Hurwitz-Kriterium

View File

@ -1,2 +1 @@
KARDINALZAHLEN KARDINALZAHLEN
DE_COMPOUND_COHERENCY

View File

@ -54,6 +54,3 @@
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qder von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q stabilisiert wird“.\\E$"} {"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qder von \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q stabilisiert wird“.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QRechnen Sie nach, dass für alle \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q die Gleichung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\QProd.\\E$"} {"rule":"GERMAN_SPELLER_RULE","sentence":"^\\QRechnen Sie nach, dass für alle \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q die Gleichung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\QProd.\\E$"}
{"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qin \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\QStandardskalarprodukt Folgern Sie mithilfe von Beispiel \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q messerscharf, dass die Abbildung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q genau dann selbstadjungiert ist, wenn \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q eine symmetrische oder Hermitesche Matrix ist.\\E$"} {"rule":"UPPERCASE_SENTENCE_START","sentence":"^\\Qin \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\QStandardskalarprodukt Folgern Sie mithilfe von Beispiel \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q messerscharf, dass die Abbildung \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q genau dann selbstadjungiert ist, wenn \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q eine symmetrische oder Hermitesche Matrix ist.\\E$"}
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\QWie kommt man auf die Zahl „fünf“?.\\E$"}
{"rule":"DOPPELTE_SATZZEICHEN","sentence":"^\\Q… und weiter?.\\E$"}
{"rule":"GERMAN_WORD_REPEAT_BEGINNING_RULE","sentence":"^\\QDie Skalare \\E(?:Dummy|Ina|Jimmy-)[0-9]+\\Q sind alle reell.\\E$"}

View File

@ -1,2 +0,0 @@
{"rule":"ADMIT_ENJOY_VB","sentence":"^\\QConverting risks to be represented as those to factor loadings (or multipliers) provides assessments and understanding beyond that available to simply collectively viewing risks to individual 30-500 buckets.\\E$"}
{"rule":"MORFOLOGIK_RULE_EN_US","sentence":"^\\QConverting risks to be represented as those to factor loadings (or multipliers) provides assessments and understanding beyond that available to simply collectively viewing risks to individual 30-500 buckets.\\E$"}

View File

@ -4,21 +4,21 @@
\chapter{Hauptachsentransformation} \chapter{Hauptachsentransformation}
\sideremark{Vorlesung 16}Dieser Abschnitt passt eigentlich gar nicht in das \sideremark{Vorlesung 16}Dieser Abschnitt passt eigentlich gar nicht in das
Kapitel „Euklidische und Hermitesche Vektorräume“, denn hier geht es nicht um Kapitel ``Euklidische und Hermitesche Vektorräume'', denn hier geht es nicht um
reelle oder komplexe Vektorräume mit Skalarprodukt, sondern um reelle oder reelle oder komplexe Vektorräume mit Skalarprodukt, sondern um reelle oder
komplexe Vektorräume mit Skalarprodukt mit einer beliebigen symmetrischen oder komplexe Vektorräume mit Skalarprodukt mit einer beliebigen symmetrischen oder
Hermiteschen Form, die nicht notwendigerweise ein Skalarprodukt ist. Hermiteschen Form, die nicht notwendigerweise ein Skalarprodukt ist.
Funktioniert die Methode von Gram-Schmidt dann immer noch? Die Antwort ist: Funktioniert die Methode von Gram-Schmidt dann immer noch? Die Antwort ist:
„fast“. Durch eine geeignete Abwandlung der Methode erhalten wir den folgenden ``fast''. Durch eine geeignete Abwandlung der Methode erhalten wir den
Satz: die Matrix einer symmetrischen oder Hermiteschen Form lässt sich immer in folgenden Satz: die Matrix einer symmetrischen oder Hermiteschen Form lässt sich
besonders einfache Gestalt bringen! immer in besonders einfache Gestalt bringen!
\begin{satz}[Satz über die Hauptachsentransformation]\label{satz:11-0-1}% \begin{satz}[Satz über die Hauptachsentransformation]\label{satz:11-0-1}
Es sei $V$ ein endlich-dimensionaler Vektorraum über $k=$ oder über $k=$ und Es sei $V$ ein endlich-dimensionaler Vektorraum über $k=$ oder über $k=$ und
es sei $s: V V → k$ eine symmetrische oder Hermitesche Form. Weiter sei es sei $s: V V → k$ eine symmetrische oder Hermitesche Form. Weiter sei
$\mathcal{A}$ eine angeordnete Basis von $V$ und $A = \Mat_{\mathcal{A}}(s)$ $\mathcal{A}$ eine angeordnete Basis von $V$ und $A = \Mat_{\mathcal{A}}(s)$
die zugehörende Matrix. Dann gibt es eine Basis $\mathcal{B} ⊂ V$, sodass die zugehörende Matrix. Dann gibt es eine Basis $\mathcal{B} ⊂ V$, so
Folgendes gilt. dass Folgendes gilt.
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item Die Matrix $B := \Mat_{\mathcal{B}}(s)$ ist diagonal, \item Die Matrix $B := \Mat_{\mathcal{B}}(s)$ ist diagonal,
\[ \[
@ -27,7 +27,7 @@ besonders einfache Gestalt bringen!
λ_1 && 0\\ λ_1 && 0\\
&\ddots\\ &\ddots\\
0 && λ_n 0 && λ_n
\end{pmatrix}. \end{pmatrix}
\] \]
\item Die Koordinatenwechselmatrix \item Die Koordinatenwechselmatrix
@ -42,20 +42,20 @@ besonders einfache Gestalt bringen!
\end{proof} \end{proof}
\begin{notation}[Hauptachsen und Hauptachsentransformation] \begin{notation}[Hauptachsen und Hauptachsentransformation]
In der Situation von Satz \ref{satz:11-0-1} schreibe $\mathcal B = \{ In der Situation von Satz~\ref{satz:11-0-1} schreibe
\vec{v}_1, …, \vec{v}_n\}$. Dann nennt man die von den Vektoren $\vec{v}_$ $\mathcal B = \{ \vec{v}_1, …, \vec{v}_n\}$. Dann nennt man die von den
aufgespannten 1-dimensionalen Untervektorräume von $V$ die Vektoren $\vec{v}_{}$ aufgespannten 1-dimensionalen Untervektorräume
\emph{Hauptachsen}\index{Hauptachsen} von $s$. Den Wechsel von der Basis von $V$ die \emph{Hauptachsen}\index{Hauptachsen} von $s$. Den Wechsel von
$\mathcal{A}$ zur Basis $\mathcal{B}$ bezeichnet man als der Basis $\mathcal{A}$ zur Basis $\mathcal{B}$ bezeichnet man als
\emph{Hauptachsentransformation}\index{Hauptachsentransformation}. \emph{Hauptachsentransformation}\index{Hauptachsentransformation}.
\end{notation} \end{notation}
Der Satz über die Hauptachsentransformation und sein (konstruktiver!) Beweis Der Satz über die Hauptachsentransformation und sein (konstruktiver!) Beweis
haben viele Anwendungen. Wir stellen hier lediglich fest, dass der Satz ein haben viele Anwendungen. Wir stellen hier lediglich fest, dass das Satz ein
sehr bequemes Kriterium dafür liefert, dass eine gegebene Form positiv definit sehr bequemes Kriterium dafür liefert, dass eine gegebene Form positiv definit
ist. ist.
\begin{kor}[Kriterium für positive Definitheit]\label{cor:11-0-3}% \begin{kor}[Kriterium für positive Definitheit]\label{cor:11-0-3}
In der Situation von Satz~\ref{satz:11-0-1} sind folgende Aussagen äquivalent. In der Situation von Satz~\ref{satz:11-0-1} sind folgende Aussagen äquivalent.
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item Die Form $s$ ist positiv definit. \item Die Form $s$ ist positiv definit.
@ -63,44 +63,40 @@ ist.
\end{enumerate} \end{enumerate}
\end{kor} \end{kor}
Die Aussage „Alle Eigenwerte von $A$ sind größer als Null“ ist sinnvoll, weil Die Aussage ``Alle Eigenwerte von $A$ sind größer als Null'' ist sinnvoll, weil
wir nach Satz~\ref{satz:11-0-1} ja schon wissen, dass alle Eigenwerte reell wir nach Satz~\ref{satz:11-0-1} ja schon wissen, dass alle Eigenwerte reell
sind. sind.
\begin{proof}[Beweis von Korollar~\ref{cor:11-0-3}] \begin{proof}[Beweis von Korollar~\ref{cor:11-0-3}]
Wir wissen bereits, dass eine Basis $\mathcal{B}$ existiert, sodass $B = Wir wissen bereits, dass eine Basis $\mathcal{B}$ existiert, sodass
\Mat_{\mathcal{B}}(s)$ diagonal ist und dieselben Eigenwerte $λ_i$ wie $A$ $B = \Mat_{\mathcal{B}}(s)$ diagonal ist und dieselben Eigenwerte $λ_i$ wie
hat. Es ist aber klar, dass die durch $B$ definierte Form auf $^n$ bzw. $A$ hat. Es ist aber klar, dass die durch $B$ definierte Form auf $^n$
$^n$ positiv definit ist genau dann, wenn alle diese Eigenwerte $λ_i$ größer bzw. $^n$ positiv definit ist genau dann, wenn alle diese Eigenwerte $λ_i$
als Null sind. größer als Null sind.
\end{proof} \end{proof}
Korollar~\ref{cor:11-0-3} sagt insbesondere, dass die Eigenschaft alle Korollar~\ref{cor:11-0-3} sagt insbesondere, dass die Eigenschaft ``alle
Eigenwerte von $A$ sind größer als Null“ nicht von der Wahl der Basis $\mathcal Eigenwerte von $A$ sind größer als Null'' nicht von der Wahl der Basis
A$ abhängt\footnote{Vielleicht sind Sie an dieser Stelle ein wenig verwirrt, $\mathcal A$ abhängt\footnote{Vielleicht sind Sie an dieser Stelle ein wenig
weil Sie meinen „Die Eigenwerte einer Matrix hängen doch sowieso nie von der verwirrt, weil Sie meinen ``Die Eigenwerte einer Matrix hängen doch sowieso
Wahl der Basis ab.“ Überlegen Sie sich aber, was Sie mit „einer Matrix“ meinen. nie von der Wahl der Basis ab.'' Überlegen Sie sich aber, was Sie mit ``einer
Vielleicht denken Sie an den Fall, wo man einen Endomorphismus eines Matrix'' meinen. Vielleicht denken Sie an den Fall, wo man einen
Vektorraumes hat, eine Basis wählt und dann die Matrix des Endomorphismus Endomorphismus eines Vektorraumes hat, eine Basis wählt und dann die Matrix
betrachtet. Dann hängen die Eigenwerte tatsächlich nicht von der Wahl der Basis des Endomorphismus betrachtet. Dann hängen die Eigenwerte tatsächlich nicht
ab. Hier machen wir aber etwas ganz Anderes: wir betrachten nicht die Matrix von der Wahl der Basis ab. Hier machen wir aber etwas ganz Anderes: wir
eines Endomorphismus, sondern die Matrix einer Form.}. Der folgende Satz betrachten nicht die Matrix eines Endomorphismus, sondern die Matrix einer
verallgemeinert diese Beobachtung: auch wenn $s$ nicht unbedingt positiv definit Form.}. Der folgende Satz verallgemeinert diese Beobachtung: auch wenn $s$
ist, hängt die Wahl der positiven/negativen Eigenwerte nicht von der Wahl der nicht unbedingt positiv definit ist, hängt die Wahl der positiven/negativen
Basis ab. Der Satz~\ref{satz:11-0-5} heißt „Trägheitssatz“, weil er in der Eigenwerte nicht von der Wahl der Basis ab. Der Satz~\ref{satz:11-0-5} heißt
klassischen Mechanik, wo es um die Bewegung massebehafteter (=träger) starrer ``Trägheitssatz'', weil er in der klassischen Mechanik, wo es um die Bewegung
Körper geht, eine besondere Rolle spielt. Ich komme im folgenden Kapitel noch massebehafteter (=träger) starrer Körper geht, eine besondere Rolle spielt. Ich
einmal auf diesen Punkt zurück. komme im folgenden Kapitel noch einmal auf diesen Punkt zurück.
\begin{satz}[Trägheitssatz von \begin{satz}[Trägheitssatz von Sylvester\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/James_Joseph_Sylvester}{James Joseph Sylvester} (* 3. September 1814 in London; † 15. März 1897 in Londen) war ein britischer Mathematiker. Er war der erste gläubige Jude, der zum Studium in Cambridge zugelassen wurde. }]\label{satz:11-0-5}
Sylvester\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/James_Joseph_Sylvester}{James Es sei $V$ ein endlich-dimensionaler Vektorraum über $k=$ oder über $k=$ und
Joseph Sylvester} (* 3.~September 1814 in London; † 15.~März 1897 in London) es sei $s: V V → k$ eine symmetrische oder Hermitesche Form. Weiter seien
war ein britischer Mathematiker. Er war der erste gläubige Jude, der zum $\mathcal{A}_1, \mathcal{A}_2 ⊂ V$ zwei angeordnete Basen mit zugehörenden
Studium in Cambridge zugelassen wurde.}]\label{satz:11-0-5} Es sei $V$ ein Matrizen $A_{} = \Mat_{\mathcal{A}_{}}(s)$. Dann gilt folgendes.
endlich-dimensionaler Vektorraum über $k=$ oder über $k=$ und es sei $s: V
V → k$ eine symmetrische oder Hermitesche Form. Weiter seien $\mathcal{A}_1,
\mathcal{A}_2 ⊂ V$ zwei angeordnete Basen mit zugehörenden Matrizen $A_• =
\Mat_{\mathcal{A}_}(s)$. Dann gilt Folgendes.
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item Die Anzahlen der positiven Eigenwerte von $A_1$ und $A_2$ sind gleich. \item Die Anzahlen der positiven Eigenwerte von $A_1$ und $A_2$ sind gleich.
@ -117,16 +113,16 @@ einmal auf diesen Punkt zurück.
Der Trägheitssatz von Sylvester stellt sicher, dass folgende Definition sinnvoll ist. Der Trägheitssatz von Sylvester stellt sicher, dass folgende Definition sinnvoll ist.
\begin{defn}[Index und Signatur]\label{def:11-0-5}% \begin{defn}[Index und Signatur]\label{def:11-0-5}
Es sei $V$ ein endlich-dimensionaler Vektorraum über $k=$ oder über $k=$ und Es sei $V$ ein endlich-dimensionaler Vektorraum über $k=$ oder über $k=$ und
es sei $s: V V → k$ eine symmetrische oder Hermitesche Form. Die Anzahl der es sei $s: V V → k$ eine symmetrische oder Hermitesche Form. Dann nennt man
positiven Eigenwerte wird als \emph{Index von $s$}\index{Index einer Form} wird die Anzahl der positiver Eigenwerte als \emph{Index von $s$}\index{Index
bezeichnet. Die Differenz einer Form} bezeichnet. Die Differenz
\[ \[
\text{Anzahl positiver Eigenwerte - Anzahl negativer Eigenwerte} \text{Anzahl positiver Eigenwerte - Anzahl negativer Eigenwerte}
\] \]
wird die \emph{Signatur von $s$}\index{Signatur einer Form} genannt. Der wird die \emph{Signatur von $s$}\index{Signatur einer
Untervektorraum Form} genannt. Der Untervektorraum
\[ \[
V⁰_s := \{ \vec{v} ∈ V \:|\: s(\vec{v}, \vec{w}) = 0 \text{ für alle } V⁰_s := \{ \vec{v} ∈ V \:|\: s(\vec{v}, \vec{w}) = 0 \text{ für alle }
\vec{w} ∈ V \} ⊆ V \vec{w} ∈ V \} ⊆ V
@ -168,7 +164,7 @@ Matrix positive definit ist.
\end{pmatrix} \end{pmatrix}
\Mat(m m, k). \Mat(m m, k).
\] \]
Dann gilt: Die Matrix $A$ ist genau dann positiv definit, wenn für alle $m$ Dann gilt: die Matrix $A$ ist genau dann positiv definit, wenn für alle $m$
gilt, dass $\det A_m > 0$ ist. gilt, dass $\det A_m > 0$ ist.
\end{satz} \end{satz}
\begin{proof} \begin{proof}
@ -186,11 +182,11 @@ Hurwitz-Kriteriums. Zum Beispiel
In Klausuren und mündlichen Prüfungen sehe ich immer wieder Studenten, die das In Klausuren und mündlichen Prüfungen sehe ich immer wieder Studenten, die das
Hurwitz-Kriterium falsch anwenden, wenn gezeigt werden soll, dass eine Matrix Hurwitz-Kriterium falsch anwenden, wenn gezeigt werden soll, dass eine Matrix
\emph{negativ} definit ist. Setzten Sie sich \emph{sofort} hin und zeigen Sie \emph{negativ} definit ist. Setzten Sie sich \emph{sofort} hin und zeigen Sie
mithilfe eines Gegenbeispiels, dass die Aussage „die Matrix $A$ ist genau dann mit Hilfe eines Gegenbeispiels, dass die Aussage ``die Matrix $A$ ist genau
negativ definit, wenn für alle $m$ gilt, dass $\det A_m < 0$ ist“ einfach dann negativ definit, wenn für alle $m$ gilt, dass $\det A_m < 0$ ist''
nicht stimmt. Bonusfrage: Natürlich kann man das Hurwitz-Kriterium verwenden, einfach nicht stimmt. Bonusfrage: natürlich kann man das Hurwitz-Kriterium
um eine Matrix auf negative Definitheit zu testen. Wie muss ich das richtig verwenden, um eine Matrix auf negative Definitheit zu testen. Wie muss ich
machen? das richtig machen?
\end{bemerkung} \end{bemerkung}
% !TEX root = LineareAlgebra2 % !TEX root = LineareAlgebra2

View File

@ -4,14 +4,14 @@
\chapter{Anwendungen} \chapter{Anwendungen}
\sideremark{Vorlesung 17}Haben Sie schon einmal nachts wach im Bett gelegen, \sideremark{Vorlesung 17}Haben Sie schon einmal nachts wach im Bett gelegen,
weil Sie unbedingt eine symmetrische Matrix mithilfe eines orthogonalen weil Sie unbedingt eine symmetrische Matrix mit Hilfe eines orthogonalen
Basiswechsels diagonalisieren wollten? Drängt es Sie, die Koeffizienten von Basiswechsels diagonalisieren wollten? Drängt es Sie, die Koeffizienten von
Linearkombinationen mithilfe von Skalarprodukten auszurechnen? Linearkombinationen mit Hilfe von Skalarprodukten auszurechnen?
Die Begriffe und Methoden des laufenden Kapitels über Euklidische und Die Begriffe und Methoden des laufenden Kapitels über ``Euklidische und
Hermitesche Vektorräume haben enorm viele Anwendungen. Tatsächlich handelt es Hermitesche Vektorräume'' haben enorm viele Anwendungen. Tatsächlich handelt es
sich bei vielen der heißen Themen zu „Machine Learning“, „Collective sich bei vielen der heißen Themen zu ``Machine Learning'', ``Collective
Intelligence“ oder „Artificial Intelligence“ um relativ einfache Methoden der Intelligence'' oder ``Artificial Intelligence'' um relativ einfache Methoden der
linearen Algebra, die bei unserem Stand der Debatte sehr gut verstehen können -- linearen Algebra, die bei unserem Stand der Debatte sehr gut verstehen können --
schauen Sie sich bei \href{https://www.kaggle.com}{kaggle} um, wo es eine schauen Sie sich bei \href{https://www.kaggle.com}{kaggle} um, wo es eine
unendliche Menge von hervorragenden Tutorials, Erklärvideos, Projektvorschlägen unendliche Menge von hervorragenden Tutorials, Erklärvideos, Projektvorschlägen
@ -26,9 +26,9 @@ machen, können aber nicht sinnvoll geprüft werden.
\section{Reelle Quadriken} \section{Reelle Quadriken}
Die erste „Anwendung“ ist immer noch ziemlich theoretisch und stammt mindestens Die erste ``Anwendung'' ist immer noch ziemlich theoretisch und stammt
aus der hellenistischen Antike, also etwa der Zeit Alexander des Großen. mindestens aus der hellenistischen Antike, also etwa der Zeit Alexander des
Vielleicht war die Sache aber auch schon zu babylonischer Zeit bekannt, Großen. Vielleicht war die Sache aber auch schon zu babylonischer Zeit bekannt,
\href{https://www.ams.org/notices/200809/tx080901076p.pdf}{wo Mathematik eine \href{https://www.ams.org/notices/200809/tx080901076p.pdf}{wo Mathematik eine
große Rolle spielte}. Es geht um folgende Situation. große Rolle spielte}. Es geht um folgende Situation.
@ -50,14 +50,14 @@ große Rolle spielte}. Es geht um folgende Situation.
Wir stellen in diesem Kapitel die Frage, was wir über die Geometrie von reellen Wir stellen in diesem Kapitel die Frage, was wir über die Geometrie von reellen
Quadriken sagen können. Es ist klar, dass das Bild einer Quadrik unter einer Quadriken sagen können. Es ist klar, dass das Bild einer Quadrik unter einer
linearen Abbildung oder Translation wieder eine Quadrik ist. Deshalb fragen wir lineare Abbildung oder Translation wieder eine Quadrik ist. Deshalb fragen wir
genauer: Wie sieht $Q$ aus nach geeigneter Wahl von Koordinaten und nach genauer: Wie sieht $Q$ aus nach geeigneter Wahl von Koordinaten und nach
Translationen? Wir formulieren die Frage präziser und führen die folgende Translationen? Wir formulieren die Frage präziser und führen die folgende
Notation ein. Notation ein.
\begin{defn}[Affine Abbildung]\label{def:12-1-3}% \begin{defn}[Affine Abbildung]\label{def:12-1-3}
Es sei $k$ ein Körper und $V, W$ zwei $k$-Vektorräume. Eine Abbildung $Φ : V Es sei $k$ ein Körper und $V, W$ zwei $k$-Vektorräume. Eine Abbildung
→ W$ heißt \emph{affin}\index{affine Abbildung}, falls es eine lineare $Φ : V → W$ heißt \emph{affin}\index{affine Abbildung}, falls es eine lineare
Abbildung $φ : V → W$ und einen Vektor $\vec{w} ∈ W$ gibt, so dass für alle Abbildung $φ : V → W$ und einen Vektor $\vec{w} ∈ W$ gibt, so dass für alle
$\vec{v} ∈ V$ die Gleichung $Φ(\vec{v}) = φ(\vec{v}) + \vec{w}$ gilt. $\vec{v} ∈ V$ die Gleichung $Φ(\vec{v}) = φ(\vec{v}) + \vec{w}$ gilt.
\end{defn} \end{defn}
@ -73,23 +73,23 @@ Damit können wir unsere Frage präzise formulieren.
\begin{frage} \begin{frage}
Gegeben sei Situation~\ref{sit:12-1-1}. Gibt es dann eine bijektive, affine Gegeben sei Situation~\ref{sit:12-1-1}. Gibt es dann eine bijektive, affine
Abbildung $Φ : ^n → ^n$, sodass das Bild von $Q$ unter der Abbildung $Φ$ Abbildung $Φ : ^n → ^n$, so dass das Bild von $Q$ unter der
eine Quadrik von besonders einfacher Gestalt ist? Gibt es eine (kleine) Abbildung $Φ$ eine Quadrik von besonders einfacher Gestalt ist? Gibt es
Mengen von „Grund-Quadriken“ aus denen alle anderen durch affine eine (kleine) Mengen von ``Grund-Quadriken'' aus denen alle anderen durch
Transformation (wie zum Beispiel: Translation, Drehung, Streckung, affine Transformation (wie zum Beispiel: Translation, Drehung, Streckung,
Verschiebung, …) entstehen? Verschiebung, …) entstehen?
\end{frage} \end{frage}
Die Antwort ist natürlich „ja“, aber Sie haben ja zum Glück noch nicht weiter Die Antwort ist natürlich ``ja'', aber Sie haben ja zum Glück noch nicht weiter
nach vorn geblättert. Sie kennen ähnliche Fragen aus der Schule. Bei der nach vorn geblättert. Sie kennen ähnliche Fragen aus der Schule. Bei der
Diskussion der Kongruenz von Dreiecken betrachtet man Dreiecke statt Quadriken Diskussion der Kongruenz von Dreiecken betrachtet man Dreiecke statt Quadriken
und abstandserhaltende Abbildungen statt affiner Abbildungen. und abstandserhaltende Abbildungen statt affiner Abbildungen.
\subsection{Vereinfachung von quadratischen Gleichungen} \subsection{Vereinfachung von Quadratischen Gleichungen}
Wir bleiben in Situation~\ref{sit:12-1-1} und werden jetzt eine Reihe von Wir bleibe in Situation~\ref{sit:12-1-1} und werden jetzt eine Reihe von
bijektiven, affinen Abbildungen finden, so dass die Gleichung (der Bilder von) bijektiven, affinen Abbildungen finden, so dass die Gleichung (der Bilder von)
$Q$ immer einfacher wird. Wie immer gibt es viel Material im Internet; ein $Q$ immer einfacher wird. Wie immer gibt es viel Material im Internet; ein
Student wies mich auf Student wies mich auf
@ -127,13 +127,13 @@ Witz ist aber, dass wir die symmetrische Matrix $A$ diagonalisieren können!
Wir wissen: es existiert eine orthogonale $nn$-Matrix $W$, so dass die Wir wissen: es existiert eine orthogonale $nn$-Matrix $W$, so dass die
Produktmatrix $W^t·A·W$ diagonal ist. Es sei $Q^{(1)}$ das Bild von $Q$ unter Produktmatrix $W^t·A·W$ diagonal ist. Es sei $Q^{(1)}$ das Bild von $Q$ unter
der bijektiven linearen Abbildung $\vec{x} ↦ W^{-1}·\vec{x}$. Dann gilt für der bijektiven linearen Abbildung $\vec{x} ↦ W^{-1}·\vec{x}$. Dann gilt
alle $\vec{x}^n$: für alle $\vec{x}^n$:
\begin{align*} \begin{align*}
\vec{x} ∈ Q^{(1)} & ⇔ W·\vec{x} ∈ Q \\ \vec{x} ∈ Q^{(1)} & ⇔ W·\vec{x} ∈ Q \\
& ⇔ f(W·\vec{x}) = 0 \\ & ⇔ f(W·\vec{x}) = 0 \\
& ⇔ (W·\vec{x})^t·A·(W·\vec{x}) + 2 \vec{b} · (W·\vec{x}) + f_0 = 0 \\ & ⇔ (W·\vec{x})^t·A·(W·\vec{x}) + 2 \vec{b} · (W·\vec{x}) + f_0 = 0 \\
&\vec{x}^{\:t}·(W^t·A·W)·\vec{x} + 2 (\vec{b}·W)·\vec{x} + f_0 = 0. &\vec{x}^{\:t}·(W^t·A·W)·\vec{x} + 2 (\vec{b}·W)·\vec{x} + f_0 = 0
\end{align*} \end{align*}
Wir erkennen zum einen, dass die Bildmenge $Q^{(1)}$ wieder eine Quadrik ist. Wir erkennen zum einen, dass die Bildmenge $Q^{(1)}$ wieder eine Quadrik ist.
Die Gleichung $f^{(1)}$ der Quadrik $Q^{(1)}$ ist besonders einfach, weil es Die Gleichung $f^{(1)}$ der Quadrik $Q^{(1)}$ ist besonders einfach, weil es
@ -169,9 +169,8 @@ gilt für alle $\vec{x} ∈ ^n$:
\vec{x} ∈ Q^{(2)} & ⇔ φ^{-1}(\vec{x}) ∈ Q^{(1)} \\ \vec{x} ∈ Q^{(2)} & ⇔ φ^{-1}(\vec{x}) ∈ Q^{(1)} \\
&\sum_{i=1}^r &\sum_{i=1}^r
a^{(1)}_\left(x_i-\frac{b^{(1)}_i}{a^{(1)}_i} a^{(1)}_\left(x_i-\frac{b^{(1)}_i}{a^{(1)}_i}
\right)² + 2 · \sum_{i=1}^r b^{(1)}_\left(x_i-\frac{b^{(1)}_i}{a^{(1)}_i} \right)\\ \right)² + 2 · \sum_{i=1}^r b^{(1)}_\left(x_i-\frac{b^{(1)}_i}{a^{(1)}_i} \right) + 2·\sum_{i=r+1}^n b^{(1)}_i·x_i + c^{(1)} = 0 \\
& \qquad + 2·\sum_{i=r+1}^n b^{(1)}_i·x_i + c^{(1)} = 0 \\ &\sum_{i=1}^r a^{(1)}_i·x_i² + 2·\sum_{i=r+1}^n b^{(1)}_i·x_i + d^{(1)} = 0
&\sum_{i=1}^r a^{(1)}_i·x_i² + 2·\sum_{i=r+1}^n b^{(1)}_i·x_i + d^{(1)} = 0.
\end{align*} \end{align*}
Die Bildmenge $Q^{(2)}$ ist also wieder eine Quadrik, gegeben durch ein Polynom Die Bildmenge $Q^{(2)}$ ist also wieder eine Quadrik, gegeben durch ein Polynom
\[ \[
@ -194,7 +193,7 @@ Diese Konstruktion ist nur relevant, falls mindestens eines der $b^{(2)}_i$
ungleich Null ist. Falls alle $b^{(2)}_i$ verschwinden, machen wir in diesem ungleich Null ist. Falls alle $b^{(2)}_i$ verschwinden, machen wir in diesem
Schritt nichts und setzen Schritt nichts und setzen
\[ \[
Q^{(3)} := Q^{(2)}, \quad f^{(3)} := f^{(2)}, \quad a^{(3)}_i := a^{(2)}_i, \quad b^{(3)}_i := b^{(2)}_i, \quad c^{(3)} := c^{(2)}. Q^{(3)} := Q^{(2)}, \quad f^{(3)} := f^{(2)}, \quad a^{(3)}_i := a^{(2)}_i, \quad b^{(3)}_i := b^{(2)}_i, \quad c^{(3)} := c^{(2)}
\] \]
Ansonsten können wir nach umnummerieren der Variable annehmen, dass Ansonsten können wir nach umnummerieren der Variable annehmen, dass
$b^{(2)}_{r+1} \ne 0$ ist. Betrachte dann die affine Bijektion $b^{(2)}_{r+1} \ne 0$ ist. Betrachte dann die affine Bijektion
@ -214,15 +213,15 @@ gilt für alle $\vec{x} ∈ ^n$:
\vec{x} ∈ Q^{(3)} & ⇔ φ^{-1}(\vec{x}) ∈ Q^{(2)} \\ \vec{x} ∈ Q^{(3)} & ⇔ φ^{-1}(\vec{x}) ∈ Q^{(2)} \\
&\sum_{i=1}^r a^{(2)}_i·x²_i + 2·b^{(2)}_{r+1}·X + 2·\sum_{i=r+2}^n b^{(2)}_i·x_i + c^{(2)} = 0 \\ &\sum_{i=1}^r a^{(2)}_i·x²_i + 2·b^{(2)}_{r+1}·X + 2·\sum_{i=r+2}^n b^{(2)}_i·x_i + c^{(2)} = 0 \\
& \qquad\qquad\qquad \text{wobei } X = \left(\frac{-c^{(2)}}{2·b^{(2)}_{r+1}} - \frac{1}{b^{(2)}_{r+1}}·x_{r+1} - \sum_{j=r+2}^n \frac{b^{(2)}_j}{b^{(2)}_{r+1}}·x_j \right) \\ & \qquad\qquad\qquad \text{wobei } X = \left(\frac{-c^{(2)}}{2·b^{(2)}_{r+1}} - \frac{1}{b^{(2)}_{r+1}}·x_{r+1} - \sum_{j=r+2}^n \frac{b^{(2)}_j}{b^{(2)}_{r+1}}·x_j \right) \\
&\sum_{i=1}^r a^{(2)}_i·x²_i - 2·x_{r+1} = 0. &\sum_{i=1}^r a^{(2)}_i·x²_i - 2·x_{r+1} = 0
\end{align*} \end{align*}
In jedem Fall gilt: Die Bildmenge $Q^{(3)}$ ist also wieder eine Quadrik, In jedem Fall gilt: die Bildmenge $Q^{(3)}$ ist also wieder eine Quadrik,
gegeben durch ein Polynom gegeben durch ein Polynom
\[ \[
f^{(3)}(\vec{x}) = \sum_{i=1}^r a^{(3)}_i·x_i² + b^{(3)}_{r+1}·x_{r+1} + c^{(3)}, f^{(3)}(\vec{x}) = \sum_{i=1}^r a^{(3)}_i·x_i² + b^{(3)}_{r+1}·x_{r+1} + c^{(3)}
\] \]
wobei $b^{(3)}_{r+1}\{0,-2\}$ und $c^{(3)}\{0, -1\}$ ist. Weiterhin gilt: wobei $b^{(3)}_{r+1}\{0,-2\}$ und $c^{(3)}\{0, -1\}$ ist. Weiterhin
$b^{(3)}_{r+1} \ne 0 ⇒ c^{(3)} = 0$. gilt: $b^{(3)}_{r+1} \ne 0 ⇒ c^{(3)} = 0$.
\subsubsection{Schritt 5: Skalierung} \subsubsection{Schritt 5: Skalierung}
@ -260,10 +259,10 @@ $b^{(4)}_{r+1} \ne 0 ⇒ c^{(4)} = 0$.
Insgesamt haben wir mit den oben genannten Vereinfachungsschritten jetzt Insgesamt haben wir mit den oben genannten Vereinfachungsschritten jetzt
folgenden Satz bewiesen. folgenden Satz bewiesen.
\begin{satz}[Klassifikation der Quadriken]\label{satz:12-1-6}% \begin{satz}[Klassifikation der Quadriken]\label{satz:12-1-6}
In Situation~\ref{sit:12-1-1} gibt es Zahlen $r$, $k$ gibt es eine bijektive, In Situation~\ref{sit:12-1-1} gibt es Zahlen $r$, $k$ gibt es eine bijektive,
affine Abbildung $Φ : ^n → ^n$, sodass das Bild von $Q$ Nullstellenmenge affine Abbildung $Φ : ^n → ^n$, so dass das Bild von $Q$
einer der folgenden Gleichungen ist Nullstellenmenge einer der folgenden Gleichungen ist
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item $x_1² + x_2² ++ x_- x_{r+1}² -- x_$ \item $x_1² + x_2² ++ x_- x_{r+1}² -- x_$
@ -287,11 +286,12 @@ Satzes~\ref{satz:12-1-6} erhalten wir eine Klassifikation der Koniken.
\begin{kor}[Klassifikation der Koniken des Appollonius von \begin{kor}[Klassifikation der Koniken des Appollonius von
Perge\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Apollonios_von_Perge}{Appollonius Perge\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Apollonios_von_Perge}{Appollonius
von Perge} (* ca.~265 v.~Chr.~in Perge; † ca.~190 v.~Chr.~in Alexandria) war von Perge} (* ca. 265 v. Chr. in Perge; † ca. 190 v. Chr. in Alexandria)
ein antiker griechischer Mathematiker, bekannt für sein Buch über war ein antiker griechischer Mathematiker, bekannt für sein Buch über
Kegelschnitte.}] Betrachte Situation~\ref{sit:12-1-1} im Falle $n = 2$. Dann Kegelschnitte.}]
gibt es eine bijektive, affine Abbildung $Φ : ^n → ^n$, sodass das Bild von Betrachte Situation~\ref{sit:12-1-1} im Falle $n = 2$. Dann gibt es eine
$Q$ Nullstellenmenge einer der folgenden Gleichungen ist bijektive, affine Abbildung $Φ : ^n → ^n$, so dass das Bild von $Q$
Nullstellenmenge einer der folgenden Gleichungen ist
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item $= 0:$ Doppelgerade \label{Q.1} \item $= 0:$ Doppelgerade \label{Q.1}
@ -444,10 +444,10 @@ Satzes~\ref{satz:12-1-6} erhalten wir eine Klassifikation der Koniken.
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item In der Schule haben wir gelernt, das Koniken auftreten, wenn sich Körper \item In der Schule haben wir gelernt, das Koniken auftreten, wenn sich Körper
im Schwerefeld bewegen. Wir kennen die Wurfparabel, die elliptischen im Schwerefeld bewegen. Wir kenne die Wurfparabel, die elliptischen
Umlaufbahnen von Planeten um die Sonne und die Hyperbelbahnen von Satelliten Umlaufbahnen von Planeten um die Sonne und die Hyperbelbahnen von die
beim Vorbeiflug an einem Himmelskörper. Wieso treten hier eigentlich Koniken Satelliten beim Vorbeiflug an einem Himmelskörper. Wieso treten hier
auf? eigentlich Koniken auf?
\item Wir diskutieren in diesem Abschnitt reelle Quadriken. Ich behaupte, dass \item Wir diskutieren in diesem Abschnitt reelle Quadriken. Ich behaupte, dass
ähnliche Konstruktionen über den komplexen Zahlen die Gleichungen noch weiter ähnliche Konstruktionen über den komplexen Zahlen die Gleichungen noch weiter
@ -460,7 +460,7 @@ Satzes~\ref{satz:12-1-6} erhalten wir eine Klassifikation der Koniken.
Schreiben Sie ein Computerprogramm, das für eine gegebene Konik sofort eine Schreiben Sie ein Computerprogramm, das für eine gegebene Konik sofort eine
vereinfachende affine Transformation liefert. Stellen Sie die Transformation vereinfachende affine Transformation liefert. Stellen Sie die Transformation
grafisch dar, vielleicht mit automatisch generierten Videos die zeigen, wie es graphisch dar, vielleicht mit automatisch generierten Videos die zeigen, wie es
zu den Vereinfachungen kommt. zu den Vereinfachungen kommt.
@ -468,21 +468,21 @@ zu den Vereinfachungen kommt.
\sideremark{Vorlesung 18}Ich erkläre in diesem Abschnitt die \sideremark{Vorlesung 18}Ich erkläre in diesem Abschnitt die
Fourier-Transformation\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier}{Jean Fourier-Transformation\footnote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier}{Jean
Baptiste Joseph Fourier} (* 21.~März 1768 bei Auxerre; † 16.~Mai 1830 in Paris) Baptiste Joseph Fourier} (* 21. März 1768 bei Auxerre; † 16. Mai 1830 in
war ein französischer Mathematiker und Physiker.} und nenne einige Anwendungen. Paris) war ein französischer Mathematiker und Physiker.} und nenne einige
Die Fourier-Transformation ist für die Praxis vielleicht das wichtigste Stück Anwendungen. Die Fourier-Transformation ist für die Praxis vielleicht das
Mathematik überhaupt\footnote{Sie selbst verwenden solche Transformationen wichtigste Stück Mathematik überhaupt\footnote{Sie selbst verwenden solche
ununterbrochen -- haben Sie schon einmal ein Mobiltelefon benutzt? Oder sind Transformationen ununterbrochen -- haben Sie schon einmal ein Mobiltelefon
Sie vielleicht in einem Auto gefahren? Oder haben Sie einen Klang gehört?}. benutzt? Oder sind Sie vielleicht in einem Auto gefahren? Oder haben Sie einen
Manche Kollegen sprechen sogar von der „fünften Grundrechenart“. Ich komme im Klang gehört?}. Manche Kollegen sprechen sogar von der ``fünften
Abschnitt~\ref{ssec:Rechen} darauf zurück. Grundrechenart''. Ich komme im Abschnitt~\ref{ssec:Rechen} darauf zurück.
In Internet finden Sie sehr viel Material zum Thema. Ich empfehle dieses In Internet finden Sie sehr viel Material zum Thema. Ich empfehle dieses
\href{https://www.youtube.com/watch?v=vA9dfINW4Rg}{Video vom MIT}. Die \href{https://www.youtube.com/watch?v=vA9dfINW4Rg}{Video vom MIT}. Die
Fachhochschule Hamburg hat ebenfalls ein nettes Fachhochschule Hamburg hat ebenfalls ein nettes
\href{https://www.youtube.com/watch?v=oKWW8aWAdag}{Video} (Warum die \href{https://www.youtube.com/watch?v=oKWW8aWAdag}{Video} (``Warum die
Fourier-Analysis in den Anwendungen so wichtig ist und welche grundlegende Idee Fourier-Analysis in den Anwendungen so wichtig ist und welche grundlegende Idee
dahinter steht). Jörn Loviscach, mein persönlicher Held, hat natürlich auch dahinter steht''). Jörn Loviscach, mein persönlicher Held, hat natürlich auch
ein \href{https://av.tib.eu/media/10335}{Video}, ebenso auch Daniel Jung ein \href{https://av.tib.eu/media/10335}{Video}, ebenso auch Daniel Jung
(\href{https://www.youtube.com/watch?v=mMsa1uBHd9k}{$$Link}). Wenn Sie ein (\href{https://www.youtube.com/watch?v=mMsa1uBHd9k}{$$Link}). Wenn Sie ein
wenig im Internet suchen, finden Sie noch sehr viel mehr Material. wenig im Internet suchen, finden Sie noch sehr viel mehr Material.
@ -495,9 +495,9 @@ betrachte den der Vektorraum $V = \cC⁰([-π,π], )$ der reellwertigen steti
Funktionen auf dem Intervall $[-π,π]$. Wir haben schon gesehen, dass die Funktionen auf dem Intervall $[-π,π]$. Wir haben schon gesehen, dass die
Abbildung Abbildung
\[ \[
\langle •, • \rangle : V V → , \quad (f, g) ↦ \frac{1}{π}·\int^{π}_{} f(t) · g(t) dt \langle •, • \rangle : V V → , \quad (f, g) ↦ \frac{1}{π}·\int^{π}_{} f(t) · g(t) dt.
\] \]
ein Skalarprodukt ist. Rechnen Sie sofort mithilfe der bekannten ein Skalarprodukt ist. Rechnen Sie sofort mit Hilfe der bekannten
Additionstheoreme für Sinus und Kosinus nach, dass für alle positiven Zahlen $n$ Additionstheoreme für Sinus und Kosinus nach, dass für alle positiven Zahlen $n$
und $m$ aus $$ die folgenden Gleichungen gelten: und $m$ aus $$ die folgenden Gleichungen gelten:
\[ \[
@ -521,21 +521,21 @@ eine orthonormale Teilmenge des Euklidischen Vektorraumes $\bigl( V, \langle •
\subsubsection{Rekonstruktion von Funktionen} \subsubsection{Rekonstruktion von Funktionen}
Es sei jetzt $F := \langle \mathcal{F} \rangle ⊆ V$ der von $\mathcal{F}$ Es sei jetzt $F := \langle \mathcal{F} \rangle ⊆ V$ der von
erzeugte Untervektorraum. Wenn ich jetzt irgendeine Funktion $f ∈ F$ habe, dann $\mathcal{F}$ erzeugte Untervektorraum. Wenn ich jetzt irgendeine Funktion
kann ich die Zahlen $f ∈ F$ habe, dann kann ich die Zahlen
\begin{equation}\label{eq:12-2-0-1} \begin{equation}\label{eq:12-2-0-1}
a_n := \left\langle f, \sin(n·x) \right\rangle, \quad a_n := \left\langle f, \sin(n·x) \right\rangle, \quad
b_n := \left\langle f, \cos(n·x) \right\rangle, \quad b_n := \left\langle f, \cos(n·x) \right\rangle, \quad
c := \left\langle f, \frac{1}{\sqrt{2}} \right\rangle c := \left\langle f, \frac{1}{\sqrt{2}} \right\rangle
\end{equation} \end{equation}
ausrechnen und erhalte die Gleichung ausrechnen und erhalte die Gleichung:
\begin{equation}\label{eq:12-2-0-2} \begin{equation}\label{eq:12-2-0-2}
f = \frac{c}{\sqrt{2}} + \sum_{n=1}^\bigl( a_\sin(n·x) + b_\sin(n·x) \bigr). f = \frac{c}{\sqrt{2}} + \sum_{n=1}^\bigl( a_\sin(n·x) + b_\sin(n·x) \bigr)
\end{equation} \end{equation}
Beachte dabei, dass nur endlich viele der Zahlen $a_n$, $b_n$ von Null Beachte dabei, dass nur endlich viele der Zahlen $a_n$, $b_n$ von Null
verschieden sind, sodass auf der rechten Seite der Gleichung~\eqref{eq:12-2-0-2} verschieden sind, so dass auf der rechten Seite der
tatsächlich nur eine endliche Summe steht. Gleichung~\eqref{eq:12-2-0-2} tatsächlich nur eine endliche Summe steht.
\subsection{Fourier-Reihen} \subsection{Fourier-Reihen}
@ -576,7 +576,7 @@ zeigt wie man eine Sprungfunktion annähert.
Weitere Beispiele gibt es bei Weitere Beispiele gibt es bei
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Fourierreihe#Beispiele}{Wikipedia} und in \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Fourierreihe#Beispiele}{Wikipedia} und in
diesem fantastischem diesem phantastischem
\href{https://www.youtube.com/watch?v=lL0oUZGMhXc}{Erklärvideo vom MIT}. \href{https://www.youtube.com/watch?v=lL0oUZGMhXc}{Erklärvideo vom MIT}.
Vielleicht schauen sie auch einmal in Vielleicht schauen sie auch einmal in
\href{https://av.tib.eu/media/10336}{dieses Video} oder in \href{https://av.tib.eu/media/10336}{dieses Video} oder in
@ -602,7 +602,7 @@ Funktionen mit Periode $2π$. Man kann ähnliche Konstruktionen auch für nahez
beliebige Funktionen machen. Allerdings erhält man statt der beliebige Funktionen machen. Allerdings erhält man statt der
Fourier-Koeffizienten Fourier-Koeffizienten
\[ \[
a_n := \frac{1}{π}·\int^{π}_{} f(t) · \sin(n·t) dt a_n := \frac{1}{π}·\int^{π}_{} f(t) · \sin(n·t) dt.
\] \]
dann eine Fourier-Transformierte, die man sinnvollerweise in komplexen Zahlen dann eine Fourier-Transformierte, die man sinnvollerweise in komplexen Zahlen
schreibt schreibt
@ -617,38 +617,38 @@ wird dann die Formel
\[ \[
f(x) = \frac{1}{\sqrt{}}·\int_{-∞}^{} F(t)·e^{-itx}dt. f(x) = \frac{1}{\sqrt{}}·\int_{-∞}^{} F(t)·e^{-itx}dt.
\] \]
Die Funktion $F$ nennt man „Fourier-Transformierte“ oder „Spektrum“. Spektren Die Funktion $F$ nennt man ``Fourier-Transformierte'' oder
gibt es in der reellen Welt überall zum Beispiel in unserem Ohr. Das Ohr ist ``Spektrum''. Spektren gibt es in der reellen Welt überall zum Beispiel in
ein „Spektralapparat“, der auf mechanische Weise die Fourier-Transformation der unserem Ohr. Das Ohr ist ein ``Spektralapparat'', der auf mechanische Weise die
eingehenden Schallwelle berechnet und zum Gehirn weiterleitet. Wenn man Akustik Fourier-Transformation der eingehenden Schallwelle berechnet und zum Gehirn
verstehen will, muss man Fourier-Transformation verstehen. Dann kann man weiterleitet. Wenn man Akustik verstehen will, muss man Fourier-Transformation
super-interessante Sachen machen. verstehen. Dann kann man super-interessante Sachen machen.
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item Um Klangdaten zu analysieren (etwa um mit dem Computer Sprache zu \item Um Klangdaten zu analysieren (etwa um mit dem Computer Sprache zu
analysieren), schaue man sich die Fourier-Transformation an. Es ist mit analysieren), schaue man sich die Fourier-Transformation an. Es ist mit
diesen Methoden nicht schwierig, ein kleines Computerprogramm zu bauen, dass diesen Methoden nicht schwierig, ein kleine Computerprogramm zu bauen, dass
ein gesprochenes „e“ von einem „a“ unterscheidet. Suchen Sie im Internet nach ein gesprochenes ``e'' von einem ``a'' unterscheidet. Suchen Sie im Internet
„Python“ und „SciKit“, dann finden Sie alles, was sie brauchen. nach ``Python'' und ``SciKit'', dann finden Sie alles, was sie brauchen.
\item Wenn ich das Spektrum eines Klanges berechnen kann, ist es super-einfach, \item Wenn ich das Spektrum eines Klanges berechnen kann, ist es super-einfach,
interessante Sound-Effekte zu programmieren. Zum Beispiel kann ich ein interessante Sound-Effekte zu programmieren. Zum Beispiel kann ich ein
Programm machen, das ein Musikstück schneller abspielt, ohne die Tonhöhe zu Programm machen, das ein Musikstück schneller abspielt ohne die Tonhöhe zu
verändern. verändern.
\item Da sich das Gehirn nur für das Spektrum interessiert, muss ich mir das \item Da sich das Gehirn nur für das Spektrum interessiert, muss ich mir das
Spektrum anschauen, wenn ich erkennen will, welche Teile eines Klanges für das Spektrum anschauen, wenn ich erkennen will, welche Teile eines Klanges für das
Gehirn interessant sind. Das bekannte Dateiformat MP3 funktioniert so: schaue Gehirn interessant sind. Das bekannte Dateiformat MP3 funktioniert so: schaue
das Spektrum an, verwende ein mathematisch beschriebenes Modell der das Spektrum an, verwende ein mathematisch beschriebenes Modell der
akustischen Wahrnehmung von Tonsignalen („psycho-akustisches Modell“) und akustischen Wahrnehmung von Tonsignalen (``psycho-akustisches Modell'') und
erkenne die Teile des Spektrums, die für das Gehirn uninteressant sind. Lasse erkenne die Teile des Spektrums die für das Gehirn uninteressant sind. Lasse
diese Teile des Spektrums weg, um die Dateigröße zu verkleinern, ohne den diese Teile des Spektrums weg, um die Dateigröße zu verkleinern ohne den Klang
Klang wesentlich zu verschlechtern. wesentlich zu verschlechtern.
\end{itemize} \end{itemize}
Die Fourier-Transformation tritt aber noch an vielen anderen Stellen auf: Die Fourier-Transformation tritt aber noch an vielen anderen Stellen auf:
Signaltechnik, Analyse von Schwingungen in den Ingenieurswissenschaften, und in Signaltechnik, Analyse von Schwingungen in den Ingenieurswissenschaften, und in
der Elektronik. Sie ist aber auch die Grundlage der Quantenmechanik. Die der Elektronik. Sie ist aber auch die Grundlage der Quantenmechanik. Die
„Heisenbergsche Unschärferelation“, über die Philosophen viel schreiben, ist ``Heisenbergsche Unschärferelation'', über die Philosophen viel schreiben, ist
eine simple Funktionalgleichung, die zwischen den Funktionen $f$ und $F$ gilt! eine simple Funktionalgleichung, die zwischen den Funktionen $f$ und $F$ gilt!
@ -656,31 +656,31 @@ eine simple Funktionalgleichung, die zwischen den Funktionen $f$ und $F$ gilt!
\label{ssec:Rechen} \label{ssec:Rechen}
Ich habe von Kollegen aus der Physik gehört, die Fourier-Transformation sei Ich habe von Kollegen aus der Physik gehört, die Fourier-Transformation sei
wegen ihrer Wichtigkeit die „fünfte Grundrechenart“. Das ist natürlich falsch. wegen ihrer Wichtigkeit die ``fünfte Grundrechenart''. Das ist natürlich
Tatsache ist, dass moderne Prozessoren die falsch. Tatsache ist, dass moderne Prozessoren die
\href{https://en.wikipedia.org/wiki/Fast_Fourier_transform}{schnelle ``\href{https://en.wikipedia.org/wiki/Fast_Fourier_transform}{schnelle
Fouriertransformation}“ extrem effizient ausführen können. Viele elektronische Fouriertransformation}'' extrem effizient ausführen können. Sehr viele
Geräte enthalten zusätzlich Spezialchips zur Fouriertransformation. Damit lässt elektronischen Geräten enthalten zusätzlich Spezialchips zur
sie die Fourier-Transformation so effizient implementieren, dass Computer die Fouriertransformation. Damit lässt sie die Fourier-Transformation so effizient
Multiplikation ganzer Zahlen mithilfe von Fourier-Transformation durchführen; implementieren, dass Computer die Multiplikation ganzer Zahlen mit Hilfe von
Multiplikation ist also nur noch eine Anwendung der schnellen Fourier-Transformation durchführen; Multiplikation ist also nur noch eine
Fouriertransformation. Anwendung der schnellen Fouriertransformation.
\begin{quote} \begin{quote}
Der Schönhage-Strassen-Algorithmus ist ein Algorithmus zur Multiplikation Der Schönhage-Strassen-Algorithmus ist ein Algorithmus zur Multiplikation
zweier großer ganzer Zahlen. Er wurde 1971 von Arnold Schönhage und Volker zweier großer ganzer Zahlen. Er wurde 1971 von Arnold Schönhage und Volker
Strassen entwickelt. Der Algorithmus basiert auf einer sehr schnellen Strassen entwickelt. Der Algorithmus basiert auf einer sehr schnellen Variante
Variante der diskreten schnellen Fourier-Transformation sowie einem der diskreten schnellen Fourier-Transformation sowie einem geschickten Wechsel
geschickten Wechsel zwischen der Restklassen- und der zyklischen Arithmetik in zwischen der Restklassen- und der zyklischen Arithmetik in endlichen
endlichen Zahlenringen. Zahlenringen.
-- \href{https://en.wikipedia.org/wiki/Sch%C3%B6nhage%E2%80%93Strassen_algorithm}{Wikipedia} -- \href{https://en.wikipedia.org/wiki/Sch%C3%B6nhage%E2%80%93Strassen_algorithm}{Wikipedia}
\end{quote} \end{quote}
Schauen Sie sich auch einmal Schauen Sie sich auch einmal
\href{https://aimath.org/news/congruentnumbers/howtomultiply.html}{diesen \href{https://aimath.org/news/congruentnumbers/howtomultiply.html}{diesen
Artikel} an. Die Grundrechenarten im 21.~Jahrhundert sind also nicht „plus, Artikel} an. Die Grundrechenarten im 21 Jahrhundert sind also nicht ``plus,
minus, mal, geteilt“, sondern „plus, minus, Fourier-Transformation“. minus, mal, geteilt'' sondern ``plus, minus, Fourier-Transformation''.
\subsection{Warum Sinus und Kosinus} \subsection{Warum Sinus und Kosinus}
@ -688,7 +688,7 @@ minus, mal, geteilt“, sondern „plus, minus, Fourier-Transformation“.
Sie fragen sich vielleicht, was das besondere an Sinus und Kosinus ist? Warum Sie fragen sich vielleicht, was das besondere an Sinus und Kosinus ist? Warum
sind diese beiden Funktionen so wichtig? Eine Antwort ist: weil viele sind diese beiden Funktionen so wichtig? Eine Antwort ist: weil viele
natürliche Prozesse (wie etwa unser Gehör) aus Sinus und Kosinus basieren. Es natürliche Prozesse (wie etwa unser Gehör) aus Sinus und Kosinus basieren. Es
gibt aber noch andere Funktionen, mit denen man etwas Ähnliches machen kann, zum gibt aber noch andere Funktionen, mit denen man etwas ähnliches machen kann, zum
Beispiel die Beispiel die
\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Kugelfl%C3%A4chenfunktionen}{Kugelflächenfunktionen}, \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Kugelfl%C3%A4chenfunktionen}{Kugelflächenfunktionen},
die die quantenmechanischen Gleichungen zur Beschreibung von die die quantenmechanischen Gleichungen zur Beschreibung von
@ -708,9 +708,10 @@ von Menschen fünf-dimensional ist?
Bei den Big Five (auch Fünf-Faktoren-Modell, FFM) handelt es sich um ein Bei den Big Five (auch Fünf-Faktoren-Modell, FFM) handelt es sich um ein
Modell der Persönlichkeitspsychologie. Im Englischen wird es auch als Modell der Persönlichkeitspsychologie. Im Englischen wird es auch als
OCEAN-Modell bezeichnet (nach den entsprechenden Anfangsbuchstaben Openness, OCEAN-Modell bezeichnet (nach den entsprechenden Anfangsbuchstaben Openness,
\foreignlanguage{english}{Conscientiousness, Extraversion, Agreeableness, Conscientiousness, Extraversion, Agreeableness, Neuroticism).
Neuroticism}). Dem Modell zufolge existieren fünf Hauptdimensionen der
Persönlichkeit und jeder Mensch lässt sich auf folgenden Skalen einordnen: Ihm zufolge existieren fünf Hauptdimensionen der Persönlichkeit und jeder
Mensch lässt sich auf folgenden Skalen einordnen:
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item Offenheit für Erfahrungen (Aufgeschlossenheit), \item Offenheit für Erfahrungen (Aufgeschlossenheit),
@ -738,43 +739,43 @@ von Menschen fünf-dimensional ist?
--- \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Big_Five_(Psychologie)}{Wikipedia} --- \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Big_Five_(Psychologie)}{Wikipedia}
\end{quote} \end{quote}
Die Frage nach der Persönlichkeit mag ein bisschen theoretisch vorkommen, ist Die Frage nach der Persönlichkeit mag ein bischen theoretisch vorkommen, ist
aber für Sie von großem praktischen Belang; Datenanalyse-Firmen verdienen viel aber für Sie von großem praktischen Belang; Datenanalyse-Firmen verdienen viel
Geld damit, die fünf Koordinaten Ihrer Persönlichkeit für zahlende Kundschaft zu Geld damit, die fünf Koordinaten Ihrer Persönlichkeit für zahlende Kundschaft zu
ermitteln --- suchen Sie im Internet nach den Worten „Stryker“, ermitteln --- suchen Sie im Internet nach den Worten ``Stryker'',
„Bewerbungsgespräch“ und „Gallup-Test“ um zu sehen, was ich meine. ``Bewerbungsgespräch'' und ``Gallup-Test'' um zu sehen, was ich meine.
\subsection{Wie kommt man auf die Zahl „fünf“?} \subsection{Wie kommt man auf die Zahl ``fünf''?}
Bis über die Schmerzgrenze hinaus übermäßig vereinfacht gesagt, so. Bis über die Schmerzgrenze hinaus übermäßig vereinfacht gesagt, so.
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item Nimm eine Liste aller möglichen Adjektive der englischen Sprache, die sich \item Nimm eine Liste aller möglichen Adjektive der Englischen Sprache, die sich
auf „Persönlichkeit“ beziehen -- bei Wikipedia ist von 18.000 Begriffen die auf ``Persönlichkeit'' beziehen -- bei Wikipedia ist von 18.000 Begriffen die
Rede. Rede.
\item Nimm eine möglichst große Gruppe von $P$ Probanden und messe für jeden \item Nimm eine möglichst große Gruppe von $P$ Probanden und messe für jeden
Probanden, wie stark die einzelnen Adjektive ausgeprägt sind. Wir erhalten Probanden, wie stark die einzelnen Adjektive ausgeprägt sind. Wir erhalten
für jeden Probanden $p ∈ P$ einen Vektor im $\vec{v}_p ∈ ^{18000}$. für jeden Probanden $p ∈ P$ einen Vektor im $\vec{v}_p ∈ ^{18000}$.
\item Stelle fest, dass es einen fünf-dimensionalen Vektorraum $V ⊂ ^{18000}$ \item Stelle fest, dass es einen fünf-dimensionalen Vektorraum
gibt, sodass die Vektoren $(\vec{v}_p)_{p ∈ P}$ im Wesentlichen alle in $V$ $V ⊂ ^{18000}$ gibt, so dass die Vektoren $(\vec{v}_p)_{p ∈ P}$ im
liegen. Wesentlichen alle in $V$ liegen.
\item Stelle auch fest, dass es keinen vier-dimensionalen Untervektorraum mit \item Stelle auch fest, dass es keinen vier-dimensionalen Untervektorraum mit
diesen Eigenschaften gibt. diesen Eigenschaften gibt.
\end{itemize} \end{itemize}
Die Frage ist, wie man den Vektorraum $V$ jetzt praktisch findet; das ist die Die Frage ist, wie man den Vektorraum $V$ jetzt praktisch findet; das ist die
Aufgabe der „Hauptkomponentenanalyse“. Kurz gesagt berechnet man für je zwei Aufgabe der ``Hauptkomponentenanalyse''. Kurz gesagt berechnet man für je zwei
Adjektive $a_i$ und $a_j$ die Kovarianz $a_{ij}$. Adjektive $a_i$ und $a_j$ die Kovarianz $a_{ij}$.
\begin{quote} \begin{quote}
Kovarianz: Der Wert dieser Kenngröße macht tendenzielle Aussagen darüber, ob Kovarianz: Der Wert dieser Kenngröße macht tendenzielle Aussagen darüber, ob
hohe Werte der einen Zufallsvariablen eher mit hohen oder eher mit niedrigen hohe Werte der einen Zufallsvariablen eher mit hohen oder eher mit niedrigen
Werten der anderen Zufallsvariablen einhergehen. Die Kovarianz ist ein Maß Werten der anderen Zufallsvariablen einhergehen. Die Kovarianz ist ein Maß für
für die Assoziation zwischen zwei Zufallsvariablen. die Assoziation zwischen zwei Zufallsvariablen.
--- \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Kovarianz_(Stochastik)}{Wikipedia} --- \href{https://de.wikipedia.org/wiki/Kovarianz_(Stochastik)}{Wikipedia}
\end{quote} \end{quote}
@ -799,16 +800,16 @@ Zahlen stehen; alle anderen Zahlen sind vom Betrag recht klein.
\subsection{… und weiter?} \subsection{… und weiter?}
Hauptkomponentenanalyse wird in fast jedem Bereich der empirischen Hauptkomponentenanalyse wird in fast jedem Bereich der empirischen
Wissenschaften verwendet. Suchen Sie im Internet nach Hauptkomponentenanalyse Wissenschaften verwendet. Suchen Sie im Internet nach ``Hauptkomponentenanalyse
und Sportwissenschaft. Wikipedia nennt unter anderem noch folgende Beispiele. und Sportwissenschaft''. Wikipedia nennt unter anderem noch folgende Beispiele.
\begin{itemize} \begin{itemize}
\item Wendet man die Hauptkomponentenanalyse auf das Kaufverhalten von \item Wendet man die Hauptkomponentenanalyse auf das Kaufverhalten von
Konsumenten an, gibt es möglicherweise latente Faktoren wie sozialer Status, Konsumenten an, gibt es möglicherweise latente Faktoren wie sozialer Status,
Alter oder Familienstand, die bestimmte Käufe motivieren. Hier könnte man Alter oder Familienstand, die bestimmte Käufe motivieren. Hier könnte man
durch gezielte Werbung die Kauflust entsprechend kanalisieren. durch gezielte Werbung die Kauflust entsprechend kanalisieren.
\item Hat man ein statistisches Modell mit sehr vielen Merkmalen, kann man \item Hat man ein statistisches Modell mit sehr vielen Merkmalen, könnte mit
mithilfe der Hauptkomponentenanalyse gegebenenfalls die Zahl der Variablen im Hilfe der Hauptkomponentenanalyse gegebenenfalls die Zahl der Variablen im
Modell reduziert werden, was meistens die Modellqualität steigert. Modell reduziert werden, was meistens die Modellqualität steigert.
\item Anwendung findet die Hauptkomponentenanalyse auch in der Bildverarbeitung \item Anwendung findet die Hauptkomponentenanalyse auch in der Bildverarbeitung
@ -816,18 +817,17 @@ und Sportwissenschaft“. Wikipedia nennt unter anderem noch folgende Beispiele
analysieren und Rückschlüsse daraus ziehen. analysieren und Rückschlüsse daraus ziehen.
\item Ein weiteres Gebiet ist die Künstliche Intelligenz, zusammen mit den \item Ein weiteres Gebiet ist die Künstliche Intelligenz, zusammen mit den
neuronalen Netzen. Dort dient die PCA zur Merkmals-Trennung im Rahmen der Neuronalen Netzen. Dort dient die PCA zur Merkmalstrennung im Rahmen der
automatischen Klassifizierung bzw. in der Mustererkennung. automatischen Klassifizierung bzw. in der Mustererkennung.
\item \foreignlanguage{english}{In quantitative finance, principal component \item In quantitative finance, principal component analysis can be directly
analysis can be directly applied to the risk management of interest rate applied to the risk management of interest rate derivative portfolios. Trading
derivative portfolios. Trading multiple swap instruments which are usually a multiple swap instruments which are usually a function of 30-500 other market
function of 30-500 other market quotable swap instruments is sought to be quotable swap instruments is sought to be reduced to usually 3 or 4 principal
reduced to usually 3 or 4 principal components, representing the path of components, representing the path of interest rates on a macro
interest rates on a macro basis. Converting risks to be represented as those basis. Converting risks to be represented as those to factor loadings (or
to factor loadings (or multipliers) provides assessments and understanding multipliers) provides assessments and understanding beyond that available to
beyond that available to simply collectively viewing risks to individual simply collectively viewing risks to individual 30-500 buckets.
30-500 buckets.}
\end{itemize} \end{itemize}
% !TEX root = LineareAlgebra2 % !TEX root = LineareAlgebra2