ratkaisut
Transcription
ratkaisut
HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II Kurssikoe 31.8.2015 – ratkaisuja Opettaja Lotta Oinonen 1. (a) Osoita, että joukko U = {x̄ ∈ R3 | x1 x2 x3 = 0} ei ole avaruuden R3 aliavaruus. (b) Osoita, että joukko W = {a0 + (a0 + a2 )x + a2 x2 | a0 , a2 ∈ R} on vektoriavaruuden P2 aliavaruus. Ratkaisu: (a) Valitaan ā = (1, 1, 0) ja b̄ = (0, 0, 1). Tällöin ā ∈ U ja b̄ ∈ U , sillä kummankin vektorin komponenttien tulo on nolla. Havaitaan, että ā + b̄ = (1, 1, 1) 6∈ U, sillä 1 · 1 · 1 = 1 6= 0. Siis U ei ole avaruuden R3 aliavaruus. (b) Ensinnäkin havaitaan, että joukon W alkiot ovat polynomeja, joiden aste on enintään kaksi. Siis W ⊂ P2 . Tutkitaan aliavaruuden määritelmän ehdot. Oletetaan, että p, q ∈ W ja t ∈ R. Tällöin p = a0 + (a0 + a2 )x + a2 x2 ja q = b0 + (b0 + b2 )x + b2 x2 joillakin a0 ,a2 ,b0 , b2 ∈ R. 1. Summalle p + q pätee p + q = a0 + (a0 + a2 )x + a2 x2 + b0 + (b0 + b2 )x + b2 x2 = (a0 + b0 ) + (a0 + a2 + b0 + b2 )x2 + (b0 + b2 )x2 = (a0 + b0 ) + (a0 + b0 + a2 + b2 )x2 + (b0 + b2 )x2 , missä a0 + b0 ∈ R ja a2 + b2 ∈ R. Viimeisestä muodosta nähdään, että p+q ∈W. 2. Skalaarimonikerralle tp pätee tp = t(a0 + (a0 + a2 )x + a2 x2 ) = ta0 + t(a0 + a2 )x + ta2 x2 = ta0 + (ta0 + ta2 )x + ta2 x2 , missä ta0 ∈ R ja ta2 ∈ R. Viimeisestä muodosta nähdään, että tp ∈ W . 3. Vektoriavaruuden P2 nollavektori 0̄ = 0 + 0x + 0x2 voidaan kirjoittaa muodossa 0̄ = 0 + (0 + 0)x + 0x2 , joten 0̄ ∈ W . 2. Merkitään 2 −1 1 A= 3 . −1 1 (a) Matriisi A määrittelee lineaarikuvauksen LA : Rk → R` , jolla LA (x̄) = Ax̄. Mitkä ovat lähtö- ja maaliavaruuden dimensiot? Ts. mitä ovat luvut k ja `? (b) Määritä lineaarikuvauksen LA kuva Im LA . (c) Perustele, että LA on injektio. (d) Mitä voit edellisten kohtien nojalla päätellä avaruuden R3 aliavaruudesta W = {(2s − t, 3s + t, t − s) | s, t ∈ R} ? Ratkaisu: (a) Huomataan, että A on 3 × 2-matriisi. Sillä voi kertoa avaruuden R2 vektoreita, joten k = 2. Tuloksena saadaan avaruuden R3 vektorita, joten ` = 3. Siis LA : R2 → R3 . (b) Kuvan määritelmän mukaan Im LA = {LA (x̄) | x̄ ∈ R2 }. Saadaan Im LA = {LA (x̄) | x̄ ∈ R2 } = {Ax̄ | x̄ ∈ R2 } = {(2x1 − x2 , 3x1 + x2 , −x1 + x2 ) | x1 , x2 ∈ R} = {x1 (2, 3, −1) + x2 (−1, 1, 1) | x1 , x2 ∈ R} = span((2, 3, −1), (−1, 1, 1)) Virittäjävektorit (2, 3, −1) ja (−1, 1, 1) eivät ole yhdensuuntaiset, joten Im LA on niiden suuntainen origon kautta kulkeva taso. (c) Edellisen kohdan perusteella dim(Im LA ) = 2, joten dim(Ker LA ) = dim(R2 ) − dim(Im LA ) = 2 − 2 = 0. Siten Ker LA = {0}. Näin ollen LA on injektio. (d) Huomataan, että W = {(2s − t, 3s + t, t − s) | s, t ∈ R} = span((2, 3, −1), (−1, 1, 1)) = Im LA . Lineaarikuvaus LA : R2 → R3 on injektio, ja sen kuvalle pätee Im LA = W . Voidaan siis päätellä, että W on isomorfinen avaruuden R2 kanssa. 3. (a) Merkitään v̄1 = (2, 0, −2), v̄2 = (2, 1, 0) ja ū = (7, −2, 1). Ovatko vektorit v̄1 ja v̄2 kohtisuorassa toisiaan vastaan? Määritä vektorin ū kohtisuora projektio aliavaruudelle W = span(v̄1 , v̄2 ). (b) Merkitään w̄ = (1, −2, 1). Tarkastellaan lineaarikuvausta L : R3 → R3 , joka peilaa vektorit suoran span(w̄) suhteen. L(x̄) span(w̄) x̄ Selitä, miksi yksi tämän kuvauksen ominaisvektori on (1, 1, 1) ja sitä vastaava ominaisarvo on −1. Päättele lineaarikuvauksen L muut ominaisvektorit ja niitä vastaavat ominaisarvot. Miten aliavaruus ja sen kohtisuora komplementti liittyvät tähän tehtävään? Ratkaisu: (a) Vektorit v̄1 ja v̄2 eivät ole kohtisuorassa toisiaan vastaan, sillä v̄1 · v̄2 = 2 · 2 + 0 · 1 + (−2) · 0 = 4 + 0 + 0 = 4 6= 0. Kohtisuoran projektion laskemiseen tarvitaan aliavaruudelle W = span(v̄1 , v̄2 ) ortogonaalinen kanta. Valitaan w̄1 = v̄1 = (2, 0, −2) ja w̄2 = v̄2 − projw̄1 (v̄2 ) = v̄2 − v̄2 · w̄1 w̄1 w̄1 · w̄1 4 = (2, 1, 0) − (2, 0, −2) = (2, 1, 0) − (1, 0, −1) = (1, 1, 1) 8 Tällöin (w̄1 , w̄2 ) on aliavaruuden W ortogonaalinen kanta. Lasketaan sen avulla vektorin ū kohtisuora projektio aliavaruudelle W : ū · w̄2 ū · w̄1 w̄1 + w̄2 w̄1 · w̄1 w̄2 · w̄2 6 12 = (2, 0, −2) + (1, 1, 1) = (3, 0, −3) + (2, 2, 2) = (5, 2, −1) 8 3 projW (ū) = (b) Vektori v̄ ∈ R3 on lineaarikuvauksen L ominaisvektori, jos ja vain jos v̄ 6= 0̄ ja LA (v̄) = λv̄ jollakin λ ∈ R. Vektori (1, 1, 1) on kohtisuorassa suoraa span(w̄) vastaan, sillä (1, 1, 1) · w̄ = (1, 1, 1) · (1, −2, 1) = 1 − 2 + 1 = 0. Peilauksessa se siis kuvautuu vastavektorikseen eli LA (1, 1, 1) = −(1, 1, 1). Huomataan, että (1, 1, 1) on lineaarikuvauksen L ominaisvektori ja vastaava ominaisarvo on −1. Kaikki muutkin suoraa span(w̄) vastaan kohtisuorassa olevat vektorit kuvautuvat peilauksessa omiksi vastavektoreikseen. Ominaisarvoon −1 liittyvä ominaisavaruus saadaan siis ratkaisemalla yhtälö x̄ · (1, −2, 1) = 0 eli yhtälö x1 − 2x2 + x3 = 0. Ratkaisuksi saadaan x3 = t, x2 = s ja x1 = 2x2 − x3 = 2s − t. Ominaisarvoon −1 liittyvä ominaisavaruus on siten V−1 = {(2s − t, s, t) | s, t ∈ R} = span((2, 1, 0), (−1, 0, 1) Suoran span(w̄) suuntaiset vektorit eivät peilauksessa muutu, joten nekin ovat lineaarikuvauksen L ominaisvektoreita ja niitä vastaava ominaisarvo on 1. Ominaisarvoon 1 liittyvä ominaisavaruus on siten V1 = span(1, −2, 1). Huomataan, että ominaisavaruudet V1 ja V−1 ovat toistensa kohtisuoria komplementteja, sillä ne ovat toisiaan vastaan kohtisuorat taso ja suora avaruudessa R3 . 4. Mitkä seuraavista väitteistä ovat tosia? Mitkä ovat epätosia? Perustele vastauksesi kurssin tietojen avulla. (a) On olemassa tasan yksi lineaarikuvaus L : R2 → R3 , jolla L(1, 1) = (1, −1, 2), L(0, 1) = (−3, 5, −5) ja L(5, 7) = (−1, 5, 0). (b) Jos lineaarikuvaus L : R3 → R4 on injektio, niin se on surjektio. (c) Avaruuden R3 aliavaruuden W = span((1, 2, −1)) kohtisuora komplementti on W ⊥ = span((1, 1, 3)). Ratkaisu: (a) Väite on tosi. Tiedetään, että kantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen yksikäsitteisesti. Vektori (1, 1) ja (0, 1) muodostavat kannan avaruudelle R2 . Tämä johtuu siitä, että niitä on kaksi kappaletta (avaruuden R2 dimensio on kaksi) ja lisäksi jono ((1, 1), (0, 1)) on vapaa, sillä (1, 1) ∦ (0, 1). On siis olemassa tasan yksi lineaarikuvaus L : R2 → R3 , jolla L(1, 1) = (1, −1, 2) ja L(0, 1) = (−3, 5, −5). Sille pätee lineaarisuuden nojalla, että L(5, 7) = L((5, 5) + (0, 2)) = L(5, 5) + L(0, 2) = 5L(1, 1) + 2L(0, 1) = 5(1, −1, 2) + 2(−3, 5, −5) = (5, −5, 10) + (−6, 10, −10) = (−1, 5, 0). (b) Väite on epätosi. Jos lineaarikuvaus L : R3 → R4 on injektio, niin Ker L = {0}. Tällöin dim(Ker L) = 0. Dimensiolauseesta seuraa, että dim(Im L) = dim(R3 ) − dim(Ker L) = 3 − 0 = 3. Koska dim(Im L) = 3 < 4 = dim(R4 ), niin Im L 6= R4 . Tämä tarkoittaa, että L ei ole surjektio. (c) Väite on epätosi. Huomataan, että dim(W ) = 1. Tiedetään, että tässä tilanteessa pätee yhtälö dim(W ) + dim(W ⊥ ) = dim(R3 ), josta seuraa, että dim(W ⊥ ) = 3 − 1 = 2. Kuitenkin dim(span((1, 1, 3))) = 1. Siis W ⊥ 6= span((1, 1, 3)).