Stora bilden av Linjära algebran. Vektorrum, linjära transformationer, matriser (sammanfattning av begrepp)

Relevanta dokument
Vectorer, spannet av vektorer, lösningsmängd av ett ekvationssystem.

Algebraiska egenskaper hos R n i)u + v = v + U

Determinanter, egenvectorer, egenvärden.

Linjär Algebra M/TD Läsvecka 1

SF1624 Algebra och geometri

Ortogonal dekomposition. Minstakvadratmetoden.

TMV166/186 Linjär Algebra M/TD 2011/2012 Läsvecka 1. Omfattning. Innehåll Lay, kapitel , Linjära ekvationer i linjär algebra

14 september, Föreläsning 5. Tillämpad linjär algebra

Föreläsningsanteckningar Linjär Algebra II Lärarlyftet

15 september, Föreläsning 5. Tillämpad linjär algebra

Enhetsvektorer. Basvektorer i två dimensioner: 1 1 Basvektorer i tre dimensioner: Enhetsvektor i riktningen v: v v

Diagonalisering och linjära system ODE med konstanta koe cienter.

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson

Linjär Algebra M/TD Läsvecka 2

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna

1 Linjära ekvationssystem. 2 Vektorer

MVE022 Urval av bevis (på svenska)

Dagens ämnen. Linjära ekvationssystem: Successiv elimination Vektorer Definitionen Grundläggande räkneoperationer Bas och koordinater Ortsvektorer

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 1-4.

SF1624 Algebra och geometri

VEKTORRUMMET R n. 1. Introduktion

SF1624 Algebra och geometri

November 17, 2015 (1) en enda lsg. Obs det A = 1 0. (2) k-parameter lsg. Obs det A = 0. k-kolonner efter sista ledande ettan

Linjära avbildningar. Definition 1 En avbildning mellan två vektorrum, F : V U, kallas linjär om. EX. Speglingar, rotationer, projektioner i R 3.

Geometriska vektorer

1. (Dugga 1.1) (a) Bestäm v (3v 2u) om v = . (1p) and u =

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Preliminärt lösningsförslag

3 1 = t 2 2 = ( 1) ( 2) 1 2 = A(t) = t 1 10 t

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag med bedömningskriterier till kontrollskrivning 1 Måndagen den 29 november, 2010

Vektorerna är parallella med planet omm de är vinkelräta mot planets normal, dvs mot

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

TMV166 Linjär algebra för M, vt 2016

MULTIPLIKATION AV MATRISER, BASER I RUMMET SAMT FÖRSTA MÖTET MED MATRISINVERSER = = =

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till modelltentamen DEL A

Objective:: Linjärt beroende och oberoende version 1.0

Vektorrum. EX. Plan och linjer i rummet genom origo. Allmänt; mängden av lösningar till AX = 0.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Veckoblad 4, Linjär algebra IT, VT2010

Matematiska Institutionen KTH. Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra II, SF1604, den 9 juni 2011 kl

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1624 Algebra och geometri Tentamen med lösningsförslag onsdag, 11 januari 2017

Linjär algebra på några minuter

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen Fredagen den 23 oktober, 2009 DEL A

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Egenvärden och egenvektorer

5 Linjär algebra. 5.1 Addition av matriser 5 LINJÄR ALGEBRA

Subtraktion. Räkneregler

A = (3 p) (b) Bestäm alla lösningar till Ax = [ 5 3 ] T.. (3 p)

2 = 3 = 1. ekvationssystem är beskriven som de vektorer X =

Vektorgeometri för gymnasister

Linjär Algebra, Föreläsning 2

LÖSNINGAR TILL UPPGIFTER TILL RÄKNEÖVNING 1

Kursplanering för Linjär algebra, HT 2003

SF1624 Algebra och geometri Tentamen Onsdagen 29 oktober, 2014

Version Linjär algebra kapiltet från ett ODE-kompendium. Mikael Forsberg

Lösningsförslag till skrivningen i Vektorgeometri (MAA702) måndagen den 30 maj 2005

Mer om analytisk geometri

Carl Olsson Carl Olsson Linjär Algebra / 18

Linjär algebra F1 Ekvationssystem och matriser

En vektor är mängden av alla sträckor med samma längd och riktning.

Slappdefinition. Räkning med vektorer. Bas och koordinater. En vektor är mängden av alla sträckor med samma längd och riktning.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A. t 2

. (2p) 2x + 2y + z = 4 y + 2z = 2 4x + 3y = 6

Linjär Algebra, Föreläsning 8

Dagens program. Linjära ekvationssystem och matriser

Frågorna 1 till 6 ska svaras med ett kryss för varje korrekt påstående. Varje uppgift ger 1 poäng. Använd bifogat formulär för dessa 6 frågor.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI Delkurs

Självkoll: Ser du att de två uttrycken är ekvivalenta?

Preliminärt lösningsförslag

1 Grundläggande kalkyler med vektorer och matriser

Övningar. MATEMATISKA INSTITUTIONEN STOCKHOLMS UNIVERSITET Avd. Matematik. Linjär algebra 2. Senast korrigerad:

tal. Mängden av alla trippel av reella tal betecknas med R 3 och x 1 x 2 En sekvens av n reella tal betecknas med (x 1, x 2,, x n ) eller

SF1624 Algebra och geometri Tentamen Torsdag, 9 juni 2016

Linjär algebra och geometri I

Övningar. c) Om någon vektor i R n kan skrivas som linjär kombination av v 1,..., v m på precis ett sätt så. m = n.

November 6, { b1 = k a

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

TMV141. Fredrik Lindgren. 22 januari 2013

Vektorgeometri för gymnasister

Definition 1 Ett vektorrum M (över R) är en mängd element, vektorer, sådan att det finns en kommutativ operation + på mängden M som uppfyller

Vektorgeometri för gymnasister

DN1230 Tillämpad linjär algebra Tentamen Onsdagen den 29 maj 2013

Några saker som jag inte hann: Ur trigonometriska ettan kan vi uttrycka och i termer av. Vi delar båda led i trig. 1:an med :

Vektorgeometri för gymnasister

Linjär algebra och geometri I

x 1 x 2 T (X) = T ( x 3 x 4 x 5

DEL I. Matematiska Institutionen KTH. Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra II, SF1604, den 17 april 2010 kl

Vektorgeometri för gymnasister

Preliminärt lösningsförslag

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A. (1 p) (c) Bestäm avståndet mellan A och linjen l.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen Lördagen den 5 juni, 2010 DEL A

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Linnea Hietala MVE480 Linjär algebra S

SF1624 Algebra och geometri

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Linjär algebra I, vt 12 Vecko PM läsvecka 4

MYSTERIER SOM ÅTERSTÅR


Linjär algebra på 2 45 minuter

Transkript:

Stora bilden av Linjära algebran. Vektorrum, linjära transformationer, matriser (sammanfattning av begrepp) Linjär algebra består av tre grenar eller koncept: geometriska begreppet av vektorrum, analysbegreppet linjär transformation och algebraiska toolboxet med matrisberäkningar. Linjära ekvationssystem förenar alla tre grenar. Vektorrum De nitionen av ett vektorrum, Vektorrum är en mängd H med två operationer - addition u + v och multiplikation med skalärer cu, de nierade för alla dess element u, v H (vektorer) så att u + v H, cu H så att addition och multiplikation med skalärer satis erar följande algebraiska egenskaper Algebraiska egenskaper hos vektorrum R n i)u + v = v + u v) c(u + v) = cu + cv ii) ( u + v) + w = u + (v + w) vi) (c + d)u = cu + du iii) u + = + u = u vii) c(du) = (cd)u iv) u + ( )u = u u = viii) u = u R n är ett av vanligaste exempel på vektorrum. Linjära transformationer De nitionen av en transformation (eller avbildning) Man säger att T är en transformation, eller avbildning som verkar från R n till R m och skriver T : R n! R m om det är en regel som till varje vektor x ur R n ordnar en vektor ur R m som betecknas med T (x). Den de nitionen är bra att komma ihåg när man skriver en egen funktion eller funktionshandtag i Matlab! De nitionen av linjär transformation Transformationen T är en linjär transformation från R n till R m ( T : R n! R m ) om den uppfyller två villkor som gäller för godtyckliga x, y ur R n och ett godtyckligt reelt tal c: T (x + y) = T (x) + T (y) T (cx) = ct (x): Matristransformation Låt A vara en m n matris. Betrakta nu en transformation (eller en avbildning) T, som transformerar vektorer x ur R n i vektorer ur R m enligt formeln T (x) = Ax Den matristransformationen är en linjär transformation, eftersom matris-vektorprodukt uppfyller linjäritetsvillkor ovan. Kom ihåg här att Ax är per de nition en linjär kombination

av kolonner ur A med koe cienter ur x: Ax def =x a + x a + ::: + x n a n Linjäriteten av den transformationen följer direkt från räkneregler för vektorer ur vektorrummet R m. Analysen av sammansatta matristransformationer ledde till de nitionen av matrisprodukt. Matrisalgebra Matrisaddition och multiplikation med tal Matrisprodukt (AB) ij = (A + B) ij = A ij + B ij (ca) ij = ca ij nx A ik B kj = A i B j + A i B j + ::: + A in B nj k= för matriser A av storlek m n och B av storlek n p. Resultatet AB av den matrismultiplikationen har storlek m p. Sammansatta linjära matristransformationer A(Bx) är en matristransformation med matrisen AB: A(Bx) = (AB)x Matrisprodukten är icke kommutativ: Matrisalgebrans egenskaper. AB 6= BA a) A(BC) = (AB)C b) A(B + C) = AB + AC c) (B + C)A = BA + CA d) r(ab) = (ra)b = A(rB) e) I m A = A = AI n

Linjärt beroende, linjärt oberoende uppsättningar vektorer. Från ekvationer =) till geometri Vi observerade vid analys av homogena linjära system Ax = att de kan ha ara en trivial lösning x = eller kan ha icketriviala lösningar x 6=. I andra fallet kan lösningsmängden framställas som spannet Span f:::gav en eller era vektorer som man hittar med hjälp av parametrisk vektor framställning av allmän lösning efter Gausseliminationen på matrisen A. Lösningsmängden kan vara en rät linje, eller ett plan genom origo. Den kan vara svårt att föreställa sig i fall lösningsvektorer x är elementen ur R n med n > (d.v.s antalet kolonner i matrisen A är större än ). Från geometri =) till ekvationer. I era situationer är det intressant att reda ut hur spannet Span fv ; v ; ; :::; v p g av en uppsättning vektorer v, v,,..., v p R m beror på mera detaljerad information om hur dessa vektorer ligger med avseende på varandra. De nition En uppsättning vektorer fv ; v ; ; :::; v p g R m kallas vara linjärt oberoende om vektorekvationen x v + x v + ::: + x p v p = har bara en trivial lösning x =. De nition En uppsättning vektorer fv ; v ; ; :::; v p g R m kallas vara linjärt beroende om vektorekvationen c v + c v + ::: + c p v p = har (åtminstone) en icke trivial lösning c 6=. Man kan aternativt säga att det nns reella tal c, c,..., c p inte alla lika med så att ekvationen ovan är uppfylld. Exempel Två parallella vektorer i rummet R är linjärt beroende. Tre vektorer v; w och z med z = v w är linjärt beroende eftersom linjär kombination v + w + z = med koe cienter -,, all nonzero är lika med noll. Med andra ord vektorekvationen c v + c w + c z = har en icketrivial lösning ( ; ; ). Vi kommer att betrakta att exempel där relationer mellan vektorer är inte explicit synliga. Exempel Betrakta tre vektorer ur R : v = ; v = 6 ; v = a) Bestäm om vektorer v, v, v är linjärt beroende. b) Ange om det är möjligt linjärt beroendet mellan dessa vektorer? Man behöver vestämma om vektorekvationen x v + x v + x v = har en icketrivial lösning. Vi använder att vektorekvationen är ekvivalnet med ekvationssystemet med matrisen A sådan att kolonnerna är vektorer v, v, v : A=[v ; v ; v ]. Genomför

Gausseliminationen på utvidgade matrisen (med noll-högerledet) ~ ~ 6 6 6 ~ Man ser från matrisen på trappstegsform att x och x är basvariabler och x är en fri variabel:vi kan direkt göra slutsatsen att vektorerna är linjärt beroende eftersom vi kan välja x = 6= och det kommer att ge oss en icketrivial lösning oavsätt värdena av x och x : Lösningen framställes genom fria variablen x som x = en icketrivial lösning x = x x x = x. Vi får då för x =. Motsvarande linjärt beroendet av vektorer blir då v + ( )v + v = Följande sats beskriver situationen när det är enkelt att slutföra om vektorer är linjärt beroende. Sats.7.8, sid. 76 i Lay Om en uppsättning vektorer fv ; v ; ; :::; v p g R n innehåller mera vektorer än antalet komponent i varje vektorn, d.v.s. p > n, då är vektorer fv ; v ; ; :::; v p g linjärt beroende. Bevis Låt A = [v ; v ; ; :::; v p ] - matrisen med kolonnerna - v - vektorer. Matrisen A har storlek n p och homogena ekvationen Ax =. Om p > n så har vi mera kolonner än ader i matrisen. Detta medför att systemet måsta alltid ha tminstone en frivariabel. Detta medför att systemet har en icketrivial lösning och vektorer fv ; v ; ; :::; v p g är linjärt beroende. Exempel. Vektorer,, är linjärt beroende. Enkelt faktum är at om en uppsättning vektorer innehåller en nollvektor så är vektorerna linjärt beroende. (Sats 9, sid. 76 i Lay) Följande sats har en fördel att beviset och själva satsen gäller för vilket som helst vektorrum och använder inte alls R n s struktur. Sats.7.7, sid. 7 i Lay (Huvudkriteriet för linjärt beroende vektorer) En uppsättning vektorer S = fv ; v ; ; :::; v p g av två eller mera vektorer är linjärt beroende om och endast om åtminstone en vektor ur uppsättningen kan franställas som linjär kombination av de andra vektorer i uppsättningen. Kommentar. Satsen påstår INTE att varje vektor i uppsättningen kan framställas på det viset, men kanske bara en. En ekvivalent omformulering av satsen: Om v 6=, så måste nnas en vektor v j ur S sådan att den är en linjär kombination av första j vektorer ur S.

Bevis till huvudkriteriet för linjärt beroende vektorer (krävs inte på tentan). Bevis av ekvivalensen i direkt riktning =) Låt någon v j ur S vara linjär kombination av andra vektorer i S: v j = px c k v k k= k6=j Subtrahera v j från vänster och höger av sista ekvationen. = px c k v k k= k6=j Vi har fått en linjär kombination av vektorer ur S lika med nol, där åtminstone en koe cient vid v j är inte noll (lika med -): Det betyder att fv ; v ; ; :::; v p g ä linjärt beroende per de nition. Bevis av ekvivalensen i motsatt riktning (= Lår vektorer fv ; v ; ; :::; v p g vara linjärt beroende. Om v = så är den trivial linjär kombination av andra vektorer (med koe cienter noll). Om v 6= och det nns per de nition en combination av reella tal c, c,..., c p inte alla lika med sådan att px c k v k = : k= Låt j vara största index sådan att c j 6= (alla större index k har c k = ): j > eftersom annars (om j = ) skulle c v = med v 6= sommedför c = ; som är inte sant. Vi har då att linjära kombinationen ovan kan skrivas om mera explicit: c v + c v + ::: + c j v j + v j+ + ::: + v p = Vi kan då dela sista ekvationen med c j och uttrycka v j som linjär kombination av föregående vektorer ur S: v j c j v j = c v + c v + ::: + c j v j v j = som avslutar beviset. c c j v + c c j v + ::: + cj c j v j Exempel. Illustrationen till Kommentar till satsen.7.7 Betrakta en uppsättning av vektorer ur R : v =, v =, v =, v :Tre första vektorer ligger i x-y planet, tredje vektor har z - komponentet nollskildt. Den uppsättning vektorer är linjärt beroende, men v kan inte framställd som linjär kombination av

tre andra vektorer. Varje av andra tre vektorer kan vara representerad som linjär kombination av övriga vektorer, och faktiskt bara två andra som ligger i samma plan, men inte är parallella. Bra test på teoriförståelse. Bas i R n De nition En uppsättning vektorer fv ; v ; ; :::; v p g R n kallas en bas i R n i fall de spänner upp R n : (Span fv ; v ; ; :::; v p g) = R n och är linjärt oberoende. Vektorer v ; v ; ; :::; v p kallas i det fallet basvektorer. Viktiga observationer som blir en sats lite senare i kursen. i) Vi kan direkt lägga märke till att p n annars är vektorer fv ; v ; ; :::; v p g linjärt beroende. ii) Vi lägger märke till att Sats.. medför att p måste vara lika med n, annars kan matrisen A = [v ; v ; ; :::; v p ] inte ha ett pivoelement i varje rad för att kunna framställa en godtycklig vektor b ur R n linjär kombination c v + c v + ::: + c p v p = b. 6