Vektorrum 43 Exempel 4.. M ngden E av alla m=n-matriser, f rsedd med vanlig matrisaddition och vanlig multiplikation av en matris med en skal r, r ett

Relevanta dokument
2 Bj rkfeltbjon d r k èk =;:::;pè betecknar A:s olika egenv rden och n k r den algebraiska multipliciteten hos egenv rdet k. Om multipliciteten hos et

x - Px U = R(A) = R(P)

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

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

4 Bj rkfeltbjon Det andra elimineringssteget è3è! è3è, èè svarar enligt samma m nster mot multiplikation fr n v nster med E = I, J 3, E ; som ger

1 De fyra fundamentala underrummen till en matris

2 Bj rkfeltçbjon Exempel.2. Systemet 2x + x 2, x 3 + x 4 =5 x 2 + x 3, x 4 =3 3x 3 +6x 4 =6 r inte triangul rt èdet r ju inte kvadratisktè. Ger vi d r

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

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

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

1 Grundläggande kalkyler med vektorer och matriser

Vectorer, spannet av vektorer, lösningsmängd av ett ekvationssystem.

Föreläsningsanteckningar Linjär Algebra II Lärarlyftet

Objective:: Linjärt beroende och oberoende version 1.0

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna

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

1 Linjära ekvationssystem. 2 Vektorer

Linjär Algebra M/TD Läsvecka 2

Linjär algebra I, vt 12 Vecko PM läsvecka 4

ANTECKNINGAR - LINJÄR ALGEBRA II

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.

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

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson

Självkoll: Ser du att de två uttrycken är ekvivalenta?

15 september, Föreläsning 5. Tillämpad linjär algebra

1 Ortogonalitet. 1.1 Skalär produkt. Man kan tala om vinkel mellan vektorer.

Frågorna 1 till 6 ska svaras med ett kryss för varje korrekt påstående. Varje uppgift ger 1 poäng.

14 september, Föreläsning 5. Tillämpad linjär algebra

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

Preliminärt lösningsförslag

Determinanter, egenvectorer, egenvärden.

MATRISTEORI. Pelle Pettersson MATRISER. En matris är ett rektangulärt schema med tal, reella eller komplexa, vilka kallas matrisens

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

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

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

Geometriska vektorer

Preliminärt lösningsförslag

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

Preliminärt lösningsförslag

SF1624 Algebra och geometri Tentamen Onsdagen 29 oktober, 2014

Vektorgeometri för gymnasister

LINJÄR ALGEBRA II LEKTION 3

VEKTORRUMMET R n. 1. Introduktion

Vektorgeometri för gymnasister

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

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

Tentamen TMV140 Linjär algebra Z

6. Matriser Definition av matriser 62 6 MATRISER. En matris är ett rektangulärt schema av tal: a 11 a 12 a 13 a 1n a 21 a 22 a 23 a 2n A =

Linjär algebra på några minuter

1. (a) (1p) Undersök om de tre vektorerna nedan är linjärt oberoende i vektorrummet

Preliminärt lösningsförslag

DN1230 Tillämpad linjär algebra Tentamen Onsdagen den 29 maj 2013

Linjär Algebra M/TD Läsvecka 1

Vektorgeometri för gymnasister

EXEMPEL OCH LÖSNINGAR I LINJÄR ALGEBRA II

Subtraktion. Räkneregler

Moment 6.1, 6.2 Viktiga exempel Övningsuppgifter T6.1-T6.6


Lösningar till några övningar inför lappskrivning nummer 3 på kursen Linjär algebra för D, vt 15.

Dagens program. Linjära ekvationssystem och matriser

Abstrakt algebra för gymnasister

Egenvärden och egenvektorer

Linjär algebra på 2 45 minuter

1 Kvadratisk optimering under linjära likhetsbivillkor

Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra, SF1604, den 12 mars 2013 kl

9 Bj rkfeltçbjon Oftast anv nder man beteckningen f r determinanten detèaè. Exempel 6.4. Matrisen a a 2 a n a 2 a 22 a 2n,,,, a n a n2 a nn A =ç a a 2

MVE022 Urval av bevis (på svenska)

Matriser. En m n-matris A har följande form. Vi skriver också A = (a ij ) m n. m n kallas för A:s storlek. 0 1, 0 0. Exempel 1

Linjär Algebra, Föreläsning 2

Andragradspolynom Några vektorrum P 2

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

1 Positivt definita och positivt semidefinita matriser

Innehåll. 1 Linjärt ekvationssystem (ES) 5. 2 Grundläggande algebra 13

TMV166 Linjär algebra för M, vt 2016

2 Bj rkfeltbjon Elementen a ii, i ;;n, i en kvadratisk matris bildar matrisens èhuvudèdiagonal. En enhetsmatris r en diagonalmatris med enbart ettor i

DEL I. Matematiska Institutionen KTH. Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra II, SF1604 för D, den 5 juni 2010 kl

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

12. SINGULÄRA VÄRDEN. (u Av) u v

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.

8(x 1) 7(y 1) + 2(z + 1) = 0

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Vektorgeometri för gymnasister

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag med bedömningskriterier till kontrollskrivning 2 Fredagen den 28 januari, 2011

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Veckoblad 4, Linjär algebra IT, VT2010

Vektorgeometri för gymnasister

M0043M Integralkalkyl och Linjär Algebra, H14, Linjär Algebra, Föreläsning 11

= ( 1) ( 1) = 4 0.

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

Moment 5.5 Övningsuppgifter I 5.60a. 5.60b, 5.60.c, 61

Dagens program. Linjära ekvationssystem och matriser

SF1624 Algebra och geometri

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

Studiehandledning till linjär algebra Avsnitt 3

Moment Viktiga exempel Övningsuppgifter

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

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

TMV166 Linjär Algebra för M. Tentamen

Transkript:

4. Vektorrum Tidigare har vi r knat upp en rad av r kneregler som g ller f r m=n-matriser. Dessa regler g ller inte bara f r varje matristyp m=n utan ocks f r m nga andra objekt som t.ex. funktioner, talf ljder, matrisf ljder osv. F r att inte beh va upprepa alla bevis f r varje typ av objekt, inf r vi begreppet vektorrum som en m ngd av abstrakta objekt (vektorer), som kan representera vilket som helst av de ovann mnda slagen av objekt. Allt som kan bevisas f r vektorer i vektorrum, kommer d automatiskt att g lla f r varje slag av objekt som underlyder vissa gemensamma grundr kneregler som vi kallar axiom. P samma s tt har ju det abstrakta talet 2 inf rts f r att man inte skall beh va ha skilda bevis f r multiplikation med tv liter och f r multiplikation med tv grodor. Axiom f r vektorrum Det matematiska begreppet vektorrum r centralt i den linj ra algebran. Vi inf r det genom att r kna upp en rad av axiom (= r kneregler) som ett vektorrum skall uppfylla. Dessa axiom r ett urval bland de r kneregler som vi tidigare har konstaterat att g ller f r matriser. Denition 4.. En m ngd E s gs vara ett vektorrum och elementen i E kallas vektorer, om tv r kneoperationer, addition och multiplikation med skal r, r denierade i E s att de nedan uppr knade axiomen g ller. Additionen tillordnar varje par x; y i E en summa x + y i E och multiplikationen med skal r tillordnar varje par, x ( 2 R, x 2 E) en produkt x i E, s att f ljande g ller: I: (a) x + y = y + x (x; y 2 E); (kommutationslag) (b) x + (y + z) = (x + y) + z (x; y; z 2 E); (associationslag) (c) Det nns ett element i 2 E, kallat nollvektorn, s dant att x + = x (d) F r varje x 2 E nns ett element x 2 E, den motsatta vektorn, s dant att x + ( x) = II: (a) (x) = ()x; (; 2 R; x 2 E); (associationslag) (b) x = x (x 2 E) III: (a) ( + )x = x + x ; (; 2 R; x 2 E); (distributionslag) (b) (x + y) = x + y ; ( 2 R; x; y 2 E); (distributionslag) : Vi ger genast n gra exempel p m ngder som r vektorrum:

Vektorrum 43 Exempel 4.. M ngden E av alla m=n-matriser, f rsedd med vanlig matrisaddition och vanlig multiplikation av en matris med en skal r, r ett vektorrum, eftersom de ovan uppr knade axiomen l tt kan konstateras g lla f r dessa operationer. Speciella exempel p vektorrum r f ljaktligen m ngden R m av alla m=-matriser, dvs. kolonnvektorer, och m ngden R n av alla =n-matriser, dvs. radvektorer. Man brukar anv nda samma beteckning f r b gge, dvs. R m och R n, p grund av att skillnaden mellan en kolonnvektor och en radvektor r obetydlig: Den ena typen verg r ju i den andra genom transponering (det r bara vid matrismultiplikation som det r v sentligt hur man skriver en vektor). D m och n r 2 eller 3 representerar vektorrummen R 2 och R 3 p k nt s tt ett tv - respektive ett tredimensionellt koordinatsystem. Exempel 4.2. M ngden M av alla funktioner f : R! R med denitionsm ngden [a; b] r ett vektorrum d f ljande r kneoperationer r denierade i M: I: Om f 2 M och f 2 2 M s denieras f + f 2 genom (f + f 2 )(x) = f (x) + f 2 (x) ; x 2 [a; b] ; II: Om f 2 M och 2 R, denieras f genom (f )(x) = f (x) ; x 2 [a; b] : B de f + f 2 och f r funktioner i m ngden M. Att alla axiomen r uppfyllda r l tt att veriera (p grund av att de reella talen uppfyller axiomen). T.ex. r nollvektorn i axiom I (c) precis den funktion (betecknad med och kallad nollfunktionen), som har v rdet i hela intervallet [a; b]. Att axiom I (d) r uppfyllt ser vi av f ljande: Om f 2 M s v ljer vi f att vara ( )f. D r f + ( f ) =, ty (f + ( f ))(x) = f (x) + ( f )(x) = f (x) f (x) = ; x 2 [a; b] : Exempel 4.3. M ngden E av alla funktioner f : R! R n, med denitionsm ngden [a; b] och med v rden i vektorrummet R n, r ett vektorrum d operationerna denieras som i f reg ende exempel. Axiomen r l tta att veriera p grund av att v rdem ngden R n r ett vektorrum. Utg ende fr n axiomen kan hela teorin byggas upp systematiskt. Vi bevisar h r som exempel n gra grundl ggande saker:. Nollvektorn r entydig. Om b de och 2 r nollvektorer i ett vektorrum, s g ller: x + = x f r varje x =) 2 + = 2 x + 2 = x f r varje x =) + 2 = : Eftersom additionen r kommutativ, r d rmed = 2.

44 Bj rkfeltbjon 2. Vektorn x r entydig, d vektorn x r given. Om b de ( x) och ( x) 2 r motsatta vektorer till x, r ( x) +x = och x+( x) 2 = och d rmed r de lika: ( x) = ( x) + (x + ( x) 2 ) = (( x) + x) + ( x) 2 = ( x) 2 : P grund av denna entydighet och kommutativiteten kommer x och x att vara varandras motsatta vektorer, s att ( x) = x : 3. F r givna x och y har ekvationen x + t = y den entydiga l sningen t = y + ( x). P grund av associativiteten beh ver man inte skriva ut parenteser i summor. Vi f r d f ljande ekvivalenser genom att addera x (eller x) till b gge leden: x + t = y, ( x) + x + t = ( x) + y, t = ( x) + y : I forts ttningen kommer vi oftast att anv nda beteckningen y x i st llet f r y + ( x). 4. Det g ller att x = om och endast om = eller x =. F rst ses att x =, ty om man l ser ut x ur x + x = ( + )x = x = x ; f r man att x = x + ( x) = (enligt 3). Med hj lp av detta f s x + ( )x = ( + ( ))x = x =, varf r ( )x = x enligt 2. Detta ger att = (x + ( )x)) = (x) + ( x) = : Antag omv nt att x =. Om nu 6=, s r x = (=)(x) = (=) =. r igen x 6=, s r = (vore n mligen 6= s vore x = enligt f reg ende mening). Minst en av faktorerna m ste allts vara noll om x =. Underrum Ofta ligger ett vektorrum inne i ett annat vektorrum. Om b gge vektorrummen har samma addition och multiplikation med skal r, s ger man att det mindre vektorrummet r ett underrum av det st rre. Nedanst ende denition r mera praktisk att anv nda men inneb r nd precis detta. Denition 4.2. Antag att E r ett vektorrum. En delm ngd U av E r ett underrum av E om m ngden U r sluten med avseende p operationerna addition och multiplikation med skal r i f ljande mening: x + y 2 U x; y 2 U; 2 R =) : x 2 U

Vektorrum 45 Eftersom axiomen f r vektorrum g ller i E, s g ller de automatiskt ocks i underrummet U. S ledes g ller: Varje underrum av E r ett vektorrum. Ett underrum av ett vektorrum E r allts ett annat vektorrum som r kar nnas inne i E. Exempel 4.4. Betrakta i vektorrummet R 3 delm ngden U av alla vektorer av formen ( x x 3 ), dvs. x x 3 -planet. D r m ngden U sluten med avseende p r kneoperationerna, ty summan av tv vektorer, vilkas andra komponent r, har andra komponenten, och produkten av en skal r med en vektor, vilkens andra komponent r, har som andra komponent. Allts r x x 3 -planet ett underrum av R 3. Exempel 4.5. S tt U = f( x y ) 2 R 2 j x + y = g och f rse U med samma r kneoperationer som i R 2 (dvs. addition och multiplikation med skal r). Geometriskt r U en r t linje genom origo. Om man f r som uppgift att visa att U r ett vektorrum, r cker det att visa att U r ett underrum av R 2, som vi redan vet att r ett vektorrum. Vi unders ker d rf r om U r slutet med avseende p r kneoperationerna: Tag u = ( x y ) 2 U och v = ( x 2 y 2 ) 2 U. D r x + y = och x 2 + y 2 = och summan av komponenterna i vektorerna u + v = ( x + x 2 y + y 2 ) u = ( x y ) ; ( 2 R); blir d noll, varf r de enligt denitionen r vektorer i U: (x + x 2 ) + (y + y 2 ) = (x + y ) + (x 2 + y 2 ) = ; (x ) + (y ) = (x + y ) = : F ljaktligen r U ett underrum av R 2 och d rmed ocks ett vektorrum. Exempel 4.6. Om vi s tter U = f( x y ) 2 R 2 j x + y = g s r U inget underrum av R 2. M ngden U r n mligen inte sluten med avseende p t.ex. multiplikation med skal r: Om ( x y ) 2 U, s r x + y = och d r 2 ( x y ) 62 U, eftersom (2x) + (2y) = 2(x + y) = 2. Allm nt g ller att ett underrum m ste inneh lla nollvektorn, eftersom varje underrum ju r ett vektorrum. Om E r ett vektorrum, s r delm ngderna fg och E underrum av E. Dessa kallas triviala underrum. kta underrum kallas varje underrum, som inte omfattar hela vektorrummet E. Det r l tt att inse att en delm ngd U av R 2 r ett icke-trivialt underrum om och endast om U r en r t linje genom origo. P samma s tt r en delm ngd V av R 3 r ett icke-trivialt underrum, om och endast om V r en r t linje genom origo eller r ett plan genom origo. Exempel 4.7. M ngden P av alla polynomfunktioner r ett underrum av vektorrummet M (i exempel 4.2) av alla funktioner, som r denierade p intervallet [a; b]. M ngden P n av alla polynomfunktioner av h gst graden n r ett underrum av b de P och M.

46 Bj rkfeltbjon Kolonnrummet och nollrummet till en matris Med varje matris kommer vi att associera fyra underrum. I detta avsnitt introducerar vi tv av dem. Redan tidigare har vi sett, att i en matrisekvation Ax = b kan v nsterledet Ax uppfattas som en linj rkombination av kolonnvektorerna i matrisen A. I t.ex. i ekvationen 5 4 2 4 A u v = b b 2 b 3 A kan v nsterledet skrivas u 5 2 A + v 4 4 A (Se Sats 2.) : Den generella denitionen r: Denition 4.3. Antag att v, v 2, : : :, v p r vektorer i ett vektorrum E (dvs. element i m ngden E). En linj rkombination av v, v 2, : : :, v p r en vektor av formen c v + c 2 v 2 + + c p v p ; d r koecienterna c, c 2, : : :, c p r reella tal. Genom att variera dessa koecienter f s alla linj rkombinationer av vektorerna v i, i = ; : : : ; p. M ngden av alla dessa, U = spn fv ; : : : ; v p g = fc v + + c p v p j c ; : : : ; c p 2 Rg ; kallas spannet av v, v 2, : : :, v p. Man s ger att spannet U sp nns upp av vektorerna v i, i = ; : : : ; p. Sats 4.. Om v ; : : : ; v p r vektorer i ett vektorrum E, s r spannet ett underrum av E. Bevis. U och om 2 R, s r U = spn fv ; : : : ; v p g Om x = c v + + c p v p och y = d v + + d p v p r godtyckliga vektorer i x + y = (c + d )v + + (c p + d p )v p 2 U ; x = (c )v + + (c p )v p 2 U : Enligt denitionen r U d ett underrum av E. } Antag nu att A = ( a : : : a n ) r en m=n-matris med kolonnvektorerna a ; : : : ; a n. Denition 4.4. Kolonnrummet R(A) till A r spannet av kolonnerna i A, dvs. R(A) = spn fa ; : : : ; a n g :

Vektorrum 47 Exempel 4.8. Kolonnrummet R(A) till matrisen A = 2 2 A r spannet av kolonnerna ( 2 ) T och ( 2 ) T. Geometriskt r R(A) det plan i R 3 som g r genom origo och som inneh ller dessa tv vektorer. Ibland beh vs inte alla kolonner i matrisen f r att beskriva kolonnrummet. T.ex. i matrisen 2 B = ( b b 2 ) = 4 2 r b = 2b 2. En godtycklig linj rkombination av b och b 2 kan d rf r skrivas som en linj rkombination av enbart b 2 : c b + c 2 b 2 = (2c + c 2 )b 2 : Allts r R(B) = spn fb ; b 2 g = spn fb 2 g. Giltigheten hos det f rsta p st endet i n sta sats f ljer ur Sats 4. medan det andra r en f ljd av att v nstra ledet i ekvationen Ax = b r en linj rkombination av A:s kolonner: Sats 4.2. Antag att A r en m=n-matris. D g ller: (i) R(A) r ett underrum av R m ; (ii) Systemet Ax = b har en l sning (dvs. r konsistent) om och endast om b 2 R(A). Vi har sett att ett homogent system Ax = alltid har tminstone den triviala l sningen x =. Om det existerar fria variabler s nns det dessutom andra l sningar. Denition 4.5. L t A vara en m=n-matris. M ngden av alla l sningar till den homogena ekvationen Ax =, dvs. kallas nollrummet till matrisen A. N (A) = fx 2 R n j Ax = g ; Sats 4.3. Nollrummet N (A) till en m=n-matris r ett underrum av R n. Bevis. Antag att x och y r vektorer i N (A) och l t 2 R vara godtyckligt. D r Ax = och Ay =, och d rmed r A(x + y) = Ax + Ay = A(x) = Ax = : och Allts r x + y 2 N (A) och x 2 N (A), varf r N (A) r ett underrum (av R n ). }

48 Bj rkfeltbjon Exempel 4.9. Nollrummet till en matris A = 2 3 2 5 6 kan framst llas i form av ett spann genom att man l ser ekvationen Ax =. F rst verf rs r kneschemat i reducerad echelonform: A!! A 3=5 3=5 6=5 =4 De fria variablerna ges godtyckliga v rden, x 3 = s, x 4 = t, och l sningen skrivs ut slutgiltigt i vektorform: x x 2 x 3 x 4 = = = = 3 5 s 6 5 s s + 3 t 5 t 5 t ; dvs: x = s 5 B A : 3 6 C A + t 5 5 B 3 C A : 5 En vektor x r allts i N (A) om och endast om den r en linj rkombination av vektorerna v = ( 3 6 5 ) T och v 2 = ( 3 5 ) T. Allts r N (A) = spn fv ; v 2 g : Strukturen hos l sningen till ett system Ett exempel visar den allm nna strukturen hos m ngden av l sningar till ett system: Exempel 4.. Betrakta systemet Ax = b, d r A = 3 3 2 2 6 9 5 3 3 A och b = Vi l ser systemet med hj lp av basoperationer och nner den reducerade echelonformen, (A j b)!! 5 5 3 j 2 =3 j j Variablerna x 2 och x 4 r fria och ges godtyckliga v rden, x 2 = s och x 4 = t, och vi avl ser att x = 2 3s t x 2 = s x 3 = t 3 x 4 = t: A : A :

Vektorrum 49 I vektorform blir detta x = 2 B C A + s 3 B C A + t 3 Om vi skriver l sningen x i den mer hanterliga formen x = x + sy + ty 2, s representerar linj rkombinationen sy +ty 2 vilket som helst element i N (A), dvs. en godtycklig l sning (den allm nna l sningen) till den homogena ekvationen Ax = (om b = s blir ju x = ). Den f rsta termen x r en speciell l sning (en partikul rl sning) till Ax = b som f s d man s tter s = och t =. M ngden x + N (A) av alla l sningar r allts underrummet N (A) f rskjutet bort fr n origo O med hj lp av en vektor x : B 3 3 C A : x + N(A) O x N(A) g. Denna struktur terkommer hos m ngden an l sningar till varje ekvationssystem men l t oss f rst sl fast denitionerna: Denition 4.6. Med den allm nna l sningen till en ekvation Ax = b avses ett l sningsuttryck inneh llande parametrar s; t; : : :, s dant att alla l sningar till ekvationen kan f s genom att man varierar dessa parametrars v rden. En partikul rl sning r n gon speciell l sning till Ax = b. Sats 4.4. Den allm nna l sningen till en konsistent ekvationen Ax = b har formen x = x + y, d r x r n gon (vilken som helst) partikul rl sning till Ax = b och y r den allm nna l sningen till motsvarande homogena ekvation Ax =. Bevis. Det framg r av l sningsproceduren (se exempel 4.) att varje l sning har den form som satsen anger. F r att vi skall se att partikul rl sningen x kan vara vilken l sning som helst till Ax = b, byter vi ut x mot en annan partikul rl sning x = x + y (y 2 N (A)) genom att skriva uttrycket f r x i formen x = x + (y y ), d r y y nu r en l sning till Ax =. }

5 Bj rkfeltbjon Linj rt beroende och oberoende Exempel 4.. Betrakta t.ex. vektorerna a = ( 2 ) ; a 2 = ( ) ; a 3 = ( 2 2 ) i R 3. Mellan dessa g ller ett linj rt samband i den meningen att a 3 = a + a 2, vilket ocks kan skrivas a + a 2 a 3 =. Dessa vektorer s gs d rf r vara linj rt beroende (av varandra). Denition 4.7. Vektorer a, a 2,: : :, a p i ett vektorrum E (eller m ngden fa ; : : : ; a p g av dessa vektorer) r linj rt beroende om det existerar ett linj rt samband () c a + c 2 a 2 + + c p a p = ; d r minst en av koecienterna c i r olik noll. Vektorerna r linj rt oberoende om de inte r linj rt beroende. Detta inneb r att () inte kan g lla med mindre n att alla koecienterna r noll: (2) 8 >< >: a ; : : : ; a p r linj rt oberoende om och endast om c a + c 2 a 2 + + c p a p = =) c = c 2 = = c p = : Om vektorerna a, : : :, a p r linj rt beroende s g ller (), d r minst en av koecienterna r olik noll. Om t.ex. c p 6= s r a p = c c p a c p c p a p ; dvs. en linj rkombination av de andra vektorerna. Detta g ller generellt: Om vektorerna a, : : :, a p r linj rt beroende s g ller om p >, att minst en av vektorerna r en linj rkombination av de andra, och om p =, att a =. Exempel 4.2. D vi skall unders ka om ett antal vektorer a = ( ) ; a 2 = ( ) ; a 3 = ( 2 ) ; r linj rt beroende eller oberoende anv nder vi oss av ekvation () (f r p = 3), c ( ) + c 2 ( ) + c 2 ( 2 ) = ; som vi betraktar som en homogen ekvation med obekanta c, c 2, c 3. Vi skall unders ka om denna ekvation har icke-triviala l sningar eller inte. Om vi skriver ut ekvationen som ett system, f r vi c + c 2 = c + 2c 3 = ; c + c 2 + c 3 =

Vektorrum 5 dvs. r kneschemat blir den matris ( a T a T 2 a T 3 ), som best r av de kolonner som man f r d de ursprungliga radvektorerna transponeras. Allm nt g ller: D man unders ker det linj ra beroendet och oberoendet hos vektorer i R n r det naturligt och tillr dligt att alltid placera de ifr gavarande vektorerna som kolonner i en matris oberoende av om de fr n b rjan r givna som kolonnvektorer eller radvektorer. Vi verf r r kneschemat p echelonform, 2 A! 2A ; och ser att det inte nns n gra fria variabler. S ledes r den triviala l sningen c = c 2 = c 3 = den enda, vilket betyder att vektorerna a, a 2, a 3 r linj rt oberoende. Exempel 4.3. Vektorerna ( 2 ) T, ( 2 8 ) T och ( 3 9 ) T r linj rt beroende: D vi bildar ett r kneschema med dessa som kolonner, f r vi 2 2 3 8 9 A!! 2 5 5 A : Eftersom det nns en fri variabel, r vektorerna linj rt beroende. Om vi explicit vill r kna ut koecienterna c i (i = ; 2; 3) i det linj ra beroendet, forts tter vi till den reducerade echelonformen s tter c 3 = s, eftersom denna variabel r fri, och f r att c = s och c 2 = s. Till slut kan vi v lja s = eller n got annat v rde olikt noll. A ; Exempel 4.4. M ngden fg av enbart nollvektorn r linj rt beroende, ty =. Allm nnare g ller att en m ngd f; a ; : : : ; a p g av vektorer, d r nollvektorn ing r, r linj rt beroende, eftersom Exempel 4.5. Matriserna + a + + a p = : och 2 3 3 2 r linj rt oberoende i vektor- rummet av alla 2=2-matriser, ty ekvationen c 2 3 + c 2 3 2 = r ekvivalent med ekvationssystemet c + 3c 2 =, 2c 2 =, 2c =, 3c + c 2 =, som har den enda l sningen c = c 2 =.

52 Bj rkfeltbjon Exempel 4.6. Funktionerna f (x) = e x och f 2 (x) = x i vektorrummet M av alla funktioner denierade p R r linj rt oberoende: Ekvation (), som nu har formen c e x + c 2 x = ; skall tolkas som en likhet som g ller f r varje v rde p x, eftersom nollan i h gerledet i detta fall representerar nollfunktionen. Likheten b r allts g lla speciellt f r t.ex. x = och x =, vilket ger ekvationssystemet c =, ec + c 2 =, som har den enda l sningen c = c 2 =. Denition 4.8. Tv vektorer a och a 2 i ett vektorrum s gs vara parallella om de r linj rt beroende. Om a och a 2 r parallella, r c a + c 2 a 2 =, d r minst en av koecienterna r olik noll. Om c 6=, r a = c 2 c a 2 en multipel av a 2. Om igen c 2 6=, r a 2 en multipel av a. Tv vektorer r allts parallella om och endast om den ena r en multipel av den andra. En liknande geometrisk tolkning har vi f r t.ex. tre vektorer i R 3 : Tre vektorer a, a 2 och a 3 i R 3 r linj rt beroende om och endast om alla benner sig i ett och samma plan inneh llande origo. En av dem, t.ex. a 3, r n mligen d en linj rkombination av de tv andra, dvs. ligger i spannet av a och a 2, som i sin tur r en delm ngd av ett plan genom origo. Sats 4.5. Om a, a 2, : : :, a k r vektorer i R m och om k > m s r dessa vektorer linj rt beroende. Bevis. Vi kan anta att vektorerna a i r kolonnvektorer (i annat fall transponerar vi!) och s tter A = ( a a k ). D r ekvationen x a + + x k a k = ekvivalent med den homogena ekvationen Ax =, som enligt Sats.3 har icke-triviala l sningar. Satsens p st ende g ller allts. } Om rader och kolonner i en echelonmatris I detta avsnitt visar vi att de s kallade pivotkolonnerna och -raderna i en echelonmatris r linj rt oberoende. Denition 4.9. Radrummet till en matris A r spannet av raderna i A. F r radrummet anv nder vi beteckningen R(A T ) p grund av att radrummet f r A vid transponering f rvandlas till kolonnrummet f r A T. L t f rst U vara en upp t triangul r n=n-matris med n pivotelement: U = B u u 2 u n u 22 u 2n u nn C A ; d r u ii 6= f r i = ; : : : ; n : D r U icke-singul r, dvs. U:s kolonner u, u 2, : : : u n r linj rt oberoende. Vi skall visa att ocks U:s rader u, u 2, : : :,u n r linj rt oberoende: Den transponerade matrisen U T = ( u T u T 2 : : : u T n )

Vektorrum 53 r en ned t triangul r matris, vars diagonalelement r olika noll. Vi g r en serie fram tsubstitutioner och f r att U T x = bara om x =. F ljaktligen r U T ickesingul r och kolonnerna i denna matris d rf r linj rt oberoende. Men d r ocks de transponerade kolonnerna, dvs. u, u 2, : : :,u n, linj rt oberoende (en unders kning av det linj ra beroendet leder ju i b gge fallen till samma ekvationssystem). Allts g ller: B de rader och kolonner i U r linj rt oberoende. Vad kan vi s ga om det linj ra beroendet eller oberoendet hos rader och kolonner i en echelonmatris? L t oss ta ett numeriskt exempel: Exempel 4.7. Betrakta echelonmatrisen U = B 2 3 2 C A : 4 2 Vi vill utnyttja det som vi ovan kom till r rande upp t triangul ra matriser (och vill ha enklare beteckningar). D rf r yttar vi om kolonnerna s att de tre pivotkolonnerna (= de kolonner som inneh ller pivotelement) kommer f rst: U = B 3 : 2 2 : 4 : 2 :: :: :: : :: :: : C A ( u v ) ( u 2 v 2 ) ( u 3 v 3 ) Uppe i det v nstra h rnet av U f r vi d ett upp t triangul rt block T. L ngst till h ger har vi inf rt beteckningar ( u i v i ) f r de tre f rsta raderna, d r u i och v i r den del av raden som r till v nster respektive h ger om den prickade linjen. P samma s tt inf r vi beteckningar u ; u2 ; u3 f r de tre f rsta kolonnerna i U. Omyttning av kolonner p verkar inte kolonners eventuella linj ra beroende eller oberoende, ty dessa egenskaper r oberoende av ordningsf ljden. Inte heller den resulterande omnumreringen av radernas komponenter p verkar raders eventuella linj ra beroende eller oberoende. I det upp t triangul ra blocket T r raderna u i och kolonnerna u i linj rt oberoende. Men d r ocks de tre f rsta raderna och de tre f rsta kolonnerna i U linj rt oberoende, ty t.ex. ekvationen c ( u v ) + c 2 ( u 2 v 2 ) + c 3 ( u 3 v 3 ) = ( ) s nderfaller i tv ekvationer c u + c 2 u 2 + c 3 u 3 = c v + c 2 v 2 + c 3 v 3 = ;

54 Bj rkfeltbjon av vilka redan den f rsta ger att c = c 2 = c 3 = (en f rl ngning av linj rt oberoende vektorer med extra komponenter kan allts bara g ra vektorerna mera oberoende). Allm nt f s p detta s tt: Sats 4.6. Antag att U r en echelonmatris med r pivotelement. D g ller: (i) De r pivotkolonnerna i U r linj rt oberoende i kolonnrummet R(U ); (ii) De r pivotraderna i U r linj rt oberoende i radrummet R(U T ). Baser, koordinater och dimension De naturliga enhetsvektorerna e = A ; e2 = A ; e3 = i R 3 r linj rt oberoende eftersom matrisen ( e e 2 e 3 ) = I r icke-singul r. Dessutom uppsp nner dessa vektorer hela R 3, ty varje x = ( x x 2 x 3 ) 2 R 3 r en linj rkombination x = x e + x 2 e 2 + x 3 e 3 : Dessa tv egenskaper tar vi som denition p begreppet bas i ett vektorrum E: Denition 4.. En m ngd fa ; a 2 ; : : : ; a n g av vektorer a i 2 E r en bas i E, om (i) A vektorerna a ; a 2 ; ; : : : ; a n r linj rt oberoende (ii) och spn fa ; a 2 ; ; : : : ; a n g = E : Alternativt kan vi s ga att vektorerna a ; a 2 ; : : : ; a n bildar (eller utg r) en bas i E. Vektorerna a ; a 2 ; : : : ; a n i basen kallas basvektorer. Exempel 4.8. Vi unders ker om vektorerna v = ( 2 ) ; v 2 = ( 2 ) ; v 3 = ( 3 ) bildar en bas i R 3. F rst det linj ra oberoendet: Vi s tter V = ( v T v T 2 v T 3 ). D r ekvationen x v + x 2 v 2 + x 3 v 3 = ekvivalent med V x = och motsvarande kalkyler, V = 3 2 2 A!! 3 2 7 visar att fria variabler saknas. S ledes r vektorerna linj rt oberoende. F r att p visa att spn fv ; v 2 ; v 3 g = R 3, b r vi i princip l sa x v + x 2 v 2 + x 3 v 3 = b, dvs. V x = b T, f r varje b 2 R 3. Om en l sning existerar f r varje b s omfattar spannet av vektorerna v i hela R 3. Existensen av en l sning r A ;

Vektorrum 55 emellertid garanterad, eftersom V r icke-singul r (enligt kalkylen ovan) och d rmed inverterbar: V x = b T () x = V b T : Den senare delen av exemplet ovan beh ver i praktiken aldrig utf ras p grund av f ljande sats, som bevisas ungef r som i exemplet: Sats 4.7. Om a, a 2, : : :, a n r n stycken linj rt oberoende vektorer i R n s bildar dessa vektorer en bas i R n. Bevis. Om vi s tter A = ( a a n ), s r A en kvadratisk, icke-singul r matris. Allts existerar A. F r varje b 2 R n har ekvationen Ax = b d l sningen x = A b, dvs. b r en linj rkombination S ledes bildar a, : : :, a n en bas i R n. } b = x a + + x n a n 2 spn fa ; : : : ; a n g : Antag att E r ett vektorrum och att b, : : :, b n utg r en bas i E. Denition 4.. F r ett givet x 2 E kallas talen x, : : :, x n koordinaterna f r x i basen fb ; : : : ; b n g. Sats 4.8. Om fb ; : : : ; b n g r en bas i ett vektorrum E, s r koordinaterna f r ett givet x 2 E entydiga. Bevis. Antag att b de x, : : :, x n och y, : : :, y n r koordinater f r ett givet x i den givna basen. D r vilket leder till att x = x b + + x n b n x = y b + + y n b n ; = x x = (x y )b + + (x n y n )b n : Eftersom basvektorerna r linj rt oberoende, r alla koecienterna i linj rkombinationen i h gerledet noll, dvs. x = y, : : :, x n = y n. } Exempel 4.9. Antag att vi f tt som uppgift att b de visa att vektorerna b = ( ) T ; b 2 = ( 2 ) T ; b 3 = ( 2 ) T bildar en bas i R 3 och att best mma koordinaterna f r a = ( 5 5 8 ) T i denna bas. D kan dessa tv uppgifter l sas samtidigt p f ljande s tt: Vi l ser det ekvationssystem som svarar mot r kneschemat ( b b 2 b 3 j a ) och ser redan d vi har n tt n gon echelonform, ( b b 2 b 3 j a ) = j 5 2 j 5 2 j 8 A!! j 5 j 3 3 j 6 A ;

56 Bj rkfeltbjon att inga variabler r fria, varf r vektorerna b i r linj rt oberoende. Eftersom vi nu har tre linj rt oberoende vektorer i R 3 s bilder dessa en bas i R 3 enligt Sats 4.7. F r att f fram koordinaterna f r a, forts tter vi tills vi har en reducerad echelonmatris och kan d avl sa dessa: x = 3, x 2 =, x 3 = 2. Exempel 4.2. Vi skall visa att polynomen ; x ; x 2 ; : : : ; x n bildar en bas i vektorrummet P n av alla polynom av h gst graden n. varje polynom p i P n har formen Eftersom p(x) = c + c x + c 2 x 2 + + c n x n ; r det klart att de givna polynomen uppsp nner hela P n. Vi beh ver allts bara visa att de ocks r linj rt oberoende. F r detta ndam l s tter vi en linj rkombination av dem lika med nollfunktionen: c + c x + c 2 x 2 + + c n x n = : Denna likhet g ller f r varje x, allts speciellt ocks f r x =, vilket ger att c =. S ledes r x(c + c 2 x + + c n x n ) = f r varje x, dvs. c + c 2 x + + c n x n = f r varje x 6=. Men polynom r kontinuerliga, s polynomet c +c 2 x+ +c n x n i v nsterledet m ste vara noll ocks f r x =, vilket ger att c = osv. Ett antal upprepningar av detta resonemang ger att c = c = = c n = (str ngt taget borde man anv nda induktion!). De givna polynomen bildar allts en bas i P n. N sta sats visar att antalet vektorer i en bas r entydigt: Sats 4.9. Om b de vektorerna a, a 2, : : :, a m och vektorerna b, b 2, : : :, b n bildar baser i ett vektorrum E, s r m = n. Antag som en antites att det motsatta g ller, t.ex. att m < n (om m > n kan Bevis. man l ta de tv baserna byta plats i beviset). Vi skall visa att detta antagande leder till en mots gelse. Varje vektor b i kan skrivas som en linj rkombination av vektorerna a, a 2, : : :, a m : b i = mx k= ki a k (i = ; : : : ; n) : S tt B = ( ki ). D har det homogena systemet Bx = icke-triviala l sningar enligt Sats.3, ty antalet rader m r mindre n antalet obekanta n. Men andra sidan kan vi bevisa det motsatta genom att sluta oss till att systemet bara kan ha den triviala l sningen:

Vektorrum 57 Bx = =) nx i= =) = ki x i = (k = ; : : : ; m) mx k= nx i= =) x = : : : = x n = ; ki x i! a k = nx i= x i m X k= ki a k! = d r vi f r den sista implikationen har utnyttjat att b, : : :, b n r linj rt oberoende. Men detta r en mots gelse. P grund av detta m ste vi dra slutsatsen att m = n. } Antalet vektorer i en bas r enligt Sats 4.9 ett tal som karakteriserar ett visst vektorrum. Vi inf r d rf r f ljande denition: Denition 4.2. Med dimensionen, dim E, hos ett vektorrum E menas antalet vektorer i en bas i E. Anm rkning. Man kan visa att varje vektorrum E 6= fg har en bas, ndlig eller o ndlig. O ndliga baser denieras p samma s tt som ndliga. Skillnaden r bara att med en linj rkombination av en o ndlig m ngd av vektorer avses en linj rkombination av n gon ndlig delm ngd av denna. Om ett vektorrum E har en o ndlig bas, s ger man att E r o ndligtdimensionellt och skriver att dim E =. nx i= x i b i Exempel 4.22. Tydligen r dim R n = n ; eftersom de naturliga enhetsvektorerna e, : : :, e n bildar en bas i R n, och dim P n = n + ; eftersom polynomen, x, x 2, : : :, x n bildar en bas i P n. Vektorrummet P av alla polynom, liksom vektorrummet av alla funktioner, m ste vara o ndligtdimensionellt, eftersom den o ndliga m ngden av alla potenser x n av x r linj rt oberoende. I beviset av Sats 4.9 utnyttjade vi inte alla antaganden i satsen efter att antitesen var gjord: Vi anv nde oss bara av att a, : : :, a m uppsp nner E och att b ; : : : ; b n r linj rt oberoende. Precis samma slag av resonemang ger oss d rf r f ljande generalisering av Sats 4.7: Sats 4.. Om b, : : :, b m r linj rt oberoende vektorer i ett vektorrum E och dim E = m, s bildar b, : : :, b m en bas i E. Bevis. Antag som en antites att spn fb ; : : : ; b m g 6= E s att vi kan v lja en vektor b m+ 2 E utanf r det n mnda spannet. D r b, : : :, b m+ linj rt oberoende (enligt uppgift 4 (a)). Beviset f r f reg ende sats (med n = m + ) ger nu en mots gelse. Allts r spn fb ; : : : ; b m g = E, dvs. fb ; : : : ; b m g r en bas. } Exempel 4.2. Vi skall visa att polynomen p (x) = + x + x 2 ; p 2 (x) = + 2x + x 2 ; p 3 (x) = 2 + x ;

58 Bj rkfeltbjon bildar en bas i vektorrummet P 2 av polynom av h gst graden 2. Eftersom vi redan vet att de tre polynomen, x och x 2 bildar en bas, r cker det enligt Sats 4. att visa att p, p 2 och p 3 r linj rt oberoende. Vi unders ker d rf r ekvationen = c p (x) + c 2 p 2 (x) + c 3 p 3 (x) = (c + c 2 + 2c 3 ) + (c + 2c 2 + c 3 )x + (c + c 2 )x 2 ; som g ller f r varje x om och endast om ekvationssystemet c + c 2 + 2c 3 = c + 2c 2 + c 3 = c + c 2 = r satiserat. En kalkyl med motsvarande r kneschema visar att den triviala l sningen r den enda. S ledes bildar p, p 2 och p 3 en bas i P 2. Bas och dimension f r kolonn- och radrum L t oss terkalla i minnet att om A r en matris s r kolonnrummet R(A) spannet av A:s kolonner, radrummet R(A T ) spannet av A:s rader samt nollrummet N (A) vektorrummet av alla l sningar till Ax =. Vi kommer nu att h rleda algoritmer som ger baser i R(A), R(A T ) och N (A). F r kolonn- och radrummens del kommer vi att st da oss p Sats 4.6. Vi b rjar med den algoritm, som ger en bas i R(A T ): Sats 4.. Antag att A r en m=n-matris och antag att vi med hj lp av basoperationer har transformerat A till n gon echelonform U. D g ller: (i) Matriserna A och U har samma radrum; (ii) Pivotraderna i U bildar en bas i radrummet R(A T ). Bevis. (i) L t X = x : A x m BO! Y = y : y m vara en godtycklig anv ndning av en basoperation i kedjan A!! U. D r varje y j en linj rkombination av vektorerna x, : : :, x m, ty varje anv ndning av en basoperation inneb r att man bildar en (enkel) linj rkombination av rader. Eftersom alla basoperationer r omv ndbara, g ller ocks det omv nda: Varje vektor x j r en linj rkombination av y, : : :, y m. Ur detta f ljer att A spn fx ; : : : ; x m g = spn fy ; : : : ; y m g ; dvs. att X och Y har samma radrum. D detta g ller f r varje l nk i kedjan fr n A till U, r R(A T ) = R(U T ).

Vektorrum 59 (ii) Det r klart att pivotraderna i U bildar en bas i R(U T ) = R(A T ), ty de r linj rt oberoende enligt Sats 4.6 och uppsp nner hela radrummet, eftersom de vriga raderna i U r. } Exempel 4.23. Om vi verf r matrisen A nedan till en echelonmatris, A = 2 2 2 8 A!! 4 A = U ; s ser vi att U har pivotelement i de tv f rsta raderna, som allts bildar en bas f( ) ; ( 4 )g i R(A T ). Observera att vi kan anv nda vilken echelonform som helst. Om vi anv nder t.ex. den reducerade echelonformen, hittar vi en annan bas i R(A T ). L gg m rke till att vektorerna skall tas ur U, inte ur A. Vi ger ett motexempel: Exempel 4.24. Sats 4. ger p basen av kalkylen A =! = U ; att den f rsta raden i U bildar en bas f( )g i R(A T ). D remot bildar inte den f rsta raden i A n gon bas i R(A T ), ty den r ju linj rt beroende. F r kolonnrummet R(A) har vi en n got annorlunda algoritm f r konstruktion av en bas. Orsaken r att matrisen A och en motsvarande echelonmatris U i regel har olika kolonnrum. Detta i sin tur sammanh nger med att basoperationerna r radoperationer, inte kolonnoperationer. Sats 4.2. L t A vara en m=n-matris och antag att vi med hj lp av basoperationerna transformerat A till n gon echelonmatris U. D bilder de kolonner i A, som har samma nummer som pivotkolonnerna i U, en bas i kolonnrummet R(A). Bevis. Vi inf r beteckningar f r kolonnerna i A och U: A = ( a a n ) ; U = ( u u n ) : Echelonmatrisen U f s genom multiplikation fr n v nster med (i tur och ordning) matriser E, E 2, : : :, E p, som svarar mot basoperationer. Om vi s tter E = E p E s r E inverterbar och (3) U = EA ; u i = Ea i (i = ; : : : ; n) :

6 Bj rkfeltbjon Antag att U inneh ller r pivotkolonner. Vi kan anta att de r f rsta, u, : : :, u r, r kar vara pivotkolonner. Om inte s kan vi ju tempor rt numrera om kolonnerna! U = B u u 2 u r P :: :: P :: :: : : : : : : : P :: :: :: : : : : : :: :: C A : (H r betecknar P ett pivotelement). D r dessa r pivotkolonner linj rt oberoende enligt Sats 4.6. Vilken som helst av de vriga kolonnerna, s g u k (k > r), r en linj rkombination av u, : : :, u r, ty u k kan betraktas som ett h gerled i ett r kneschema (u u r j u k ) och bak tsubstitution ger d koecienterna i linj rkombinationen x u + + x r u r = u k : Allts r R(U ) = spn fu ; : : : ; u n g = spn fu ; : : : ; u r g, dvs. fu ; : : : ; u r g r en bas i R(U ). D vi nu vet att pivotkolonnerna i U bildar en bas i R(U ), kan vi anv nda (3) till att visa att motsvarande kolonner i A, dvs. a, : : :, a r, bildar en bas i R(A). F rst det linj ra oberoendet: Om vi multiplicerar ekvationen c a + + c r a r = fr n v nster med matrisen E och beaktar (3), f r vi = c Ea + + c r Ea r = c u + + c r u r ; vilket ger att c = = c r = d ju u, : : :, u r r linj rt oberoende. F r att visa att spannet av a, : : :, a r r hela R(A), tar vi en godtycklig vektor x 2 R(A). D r Ex 2 R(U ), enligt (3), och kan d rf r skrivas som en linj rkombination Ex = u + + r u r : S ledes r x = E u + + r E u r = a + + r a r. Varje vektor x 2 R(A) nns allts i spn fa ; : : : ; a r g och satsen r d rmed bevisad. } Denition 4.3. Rangen hos en matris A r dimensionen dim R(A) hos kolonnrummet. Dimensionen hos nollrummet, dim N (A), s gs vara A:s defekt (eller nolldefekt). Enligt satserna 4. och 4.2 r F ljaktligen g ller: dim R(A) = dim R(U ) = #(pivotelement) = dim R(A T ) :

Vektorrum 6 Sats 4.3. A och A T har samma rang f r varje matris A. Med hj lp av detta kan vi skriva ut en stor m ngd p st enden, som alla r ekvivalenta med att en n=n-matris A r inverterbar: A inverterbar, A icke-singul r, dim N (A) = m dim R(A) = n m dim R(A T ) = n m A T inverterbar, A T icke-singul r, dim N (A T ) = : Exempel 4.25. Som ett exempel p hur man anv nder Sats 4.2 betraktar vi en matris A och en echelonform U av denna: A = 3 3 2 2 6 9 5 3 3 A!! 3 3 2 3 A = U : Eftersom den f rsta och den tredje kolonnen i U r pivotkolonner, bildar den f rsta och den tredje kolonnen i A en bas i R(A): f( 2 ) T ; ( 3 9 3 ) T g : Anm rkning. (i) Man kan naturligtvis anv nda (t.ex.) proceduren f r att best mma en bas i ett radrum till att best mma en bas i R(A) genom att helt enkelt till mpa den p matrisen A T i st llet f r A. (ii) En bas i ett vektorrum r ju alltid precis detsamma som en maximal m ngd av linj rt oberoende vektorer i ett vektorrum. Om man bland ett antal givna vektorer i R n vill v lja en bas i spannet av dem, skriver man d rf r vektorerna som kolonner i en matris A och anv nder Sats 4.2 till att best mma en bas i R(A), som ju r spannet av de givna vektorerna. Sambandet mellan rang och defekt F rst kan vi konstatera att den procedur som vi anv nde i exempel 4.9 f r att skriva ett nollrum som ett spann, i sj lva verket alltid ger en bas i nollrummet: Exempel 4.26. Matrisen A verf rs i reducerad echelonform 3 3 2 6 7 2!! 3 3 4 de fria variablerna ges godtyckliga v rden, x 2 = s och x 4 = t, varefter l sningen f rst skrivs ut komponentvis x x 2 x 3 x 4 = = = = 3s s + 3t 4t t ;

62 Bj rkfeltbjon och sedan i vektorform x = s B 3 C A + t B 3 4 C A = sv + tv 2 : De komponenter som svarar mot de fria variablerna har h r f rsetts med en stj rna. Nollrummet r nu spannet av v och v 2 men dessa vektorer r ocks linj rt oberoende, ty ekvationen sv + tv 2 = ger direkt att s = t = d vi utnyttjar de stj rnf rsedda komponenterna som svarar mot fria variabler. Vektorerna v och v 2 bildar allts en bas i N (A). Generellt g ller precis som i v rt exempel, att dim N (A) = #(fria variabler) s att dim R(A) = #(pivotkolonner) dim N (A) = #(icke-pivotkolonner) dim R(A) + dim N (A) = #(kolonner) : Sats 4.4. Antag att A r en m=n-matris. D g ller: (i) dim R(A) + dim N (A) = n ; (ii) En bas fv ; : : : ; v p g i nollrummet N (A) f s genom att man i l sningen till Ax =, x = s v + + s p v p ; i tur och ordning s tter en fri variabel s i lika med medan de vriga f r v rdet. Om man enbart skall best mma defekten hos en matris A, r cker det att verf ra A i echelonform. Antalet fria variabler anger d antalet vektorer i en bas i N (A), dvs. defekten. Antalet basvariabler anger p samma s tt matrisens rang. Exempel 4.27. F r matrisen A nedan, f s en echelonform med tv fria variabler och tv basvariabler: A = 2 2 3 5 3 A!! 2 3 3 7 2A : S ledes r b de defekten och rangen likamed 2.

V nsternollrum. Matriser med rangen ett Vektorrum 63 Vi har redan sett att kolonnrummet R(A T ) till den transponerade matrisen A T p ett naturligt s tt (via transponering) kan identieras med radrummet till A. D det g ller nollrummet till A T, f r vi genom transponering: A T x =, (A T x) T =, x T A = : Detta ger anledning till f ljande ben mning: Denition 4.4. V nsternollrummet till en m=n-matris A r m ngden N (A T ) = fx j x T A = g : Denna r identisk med nollrummet till A T och r allts ett underrum av R m. Med varje m=n-matris har vi nu associerat fyra underrum, kolonnrummet, radrummet, nollrummet och v nsternollrummet, av vilka det sistn mnda r det minst viktiga. Om A har rangen r s g ller sammanfattningsvis: R(A) A:s kolonnrum; dimensionen = r R(A T ) A:s radrum; dimensionen = r N (A) A:s nollrum; N (A T ) A:s v nsternollrum; dimensionen = n r dimensionen = m r Vi skall nu unders ka strukturen hos en m=n-matris A = ( a a n ) med rangen. N gon av kolonnerna, t.ex. b = a k 6=, bildar en bas i R(A). Varje a i r allts en linj rkombination a i = c i b av b, dvs. A = ( c b c n b ) = b ( c c n ) = bc ; d r c i 6= f r minst ett i (annars r ju A:s rang noll). Omv nt: Om A = bc, d r b 6=, r en kolonnvektor och c 6= r en radvektor r A = ( c b c n b ). Men d uppsp nns ju R(A) av b s att dim R(A) =. En matris A har allts rangen om och endast om A = bc, d r b 6= r en kolonnvektor och c 6= r en radvektor. Ett liknande resonemang ger att en matris A har rangen 2 om och endast om den har formen A = b c + b 2 c 2, d r b, b 2 r linj rt oberoende kolonnvektorer och c, c 2 r linj rt oberoende radvektorer (och A har rangen 3 om och endast : : : ) Exempel 4.28. I matrisen A = B 6 3 3 4 2 2 8 4 4 2 C A ; som har rangen, bildar (t.ex.) f rsta kolonnen b en bas i R(A) s att d r c = ( =2 =2 ). A = ( b (=2)b (=2)b ) = bc ;

64 Bj rkfeltbjon H ger- och v nsterinverser Antag att A r en m=n-matris. F r A:s rang r(a) g ller b de r(a) = dim R(A) n och r(a) = dim R(A T ) m, dvs. om min(m; n) r det mindre av talen m och n, r (4) r(a) min(m; n) : Vi kommer att visa att likhet g ller i denna formel om och endast om matrisen A har en s kallad h ger- eller en v nsterinvers. S dana ensidiga inverser denieras p f ljande s tt: Denition 4.5. Om AB = I s r B en h gerinvers till A och A r en v nsterinvers till B. Vi ser av denna denition, att inversen till en kvadratisk matris A r en matris som r b de h ger- och v nsterinvers till A. Villkoret f r existensen av en h gerinvers f ljer ur nedanst ende resonemang, d r vi har anv nt oss av beteckningar f r kolonnerna i en (obekant) h gerinvers X = ( x x m ) och enhetsmatrisen I = ( e e m ): AX = I m r l sbar, A ( x x m ) = ( e e m ) r l sbar, Ax i = e i r l sbar (i = ; : : : ; m), e i 2 R(A) (i = ; : : : ; m), R(A) = R m, r(a) = dim R(A) = m : Ur detta kan vi utl sa nedanst ende sats: Sats 4.5. F r en m=n-matris A r f ljande p st enden ekvivalenta: (i) Ekvationen Ax = b har minst en l sning f r varje b 2 R m ; (ii) R(A) = R m ; (iii) r(a) = dim R(A) = m ; (iv) A har en h gerinvers. Observera att enligt (4) r det m jligt att uppfylla (iii) bara om m n. F r att r kna ut en h gerivers till A l ser man matrisekvationen AX = I med hj lp av r kneschemat (A j I). Detta svarar, som vi har sett i kapitel 3, mot samtidig l sning av m ekvationssystem med samma koecientmatris A: Exempel 4.29. Om A r av typen 2=3 s har en eventuell h gerinvers X typen 3=2, s att om A = 2 3 3 3 s r X = x y x 2 y 2 x 3 y 3 A

Vektorrum 65 och de obekanta elementen i X f s ur en reducerad echelonmatris: (A j I) = 2 3 j 3 3 j!! 5 j 3 2 6 j Eftersom x 3 och y 3 r fria, s tter vi x 3 = s och y 3 = t och f r variablerna x i genom att beakta den f rsta kolonnen i h gerledet och variablerna y i genom att beakta den andra kolonnen i h gerledet: X = 3 5s + 6s s 2 5t + 6t t A = 3 2 A + s 5 6 A + t : 5 A : 6 F r varje insatt v rde p s och t r X en h gerinvers och varje h gerinvers har denna form. V nsterinverser Y till A f s genom att man l ser matrisekvationen Y A = I, som r ekvivalent med A T Y T = I. V nsterinverser till A svarar allts (via transponering) mot h gerinverser till A T och tv rtom. Enligt Sats 4.5 och Sats 4.3 har A T Y T = I en l sning Y T om och endast om dim R(A) = dim R(A T ) = n, ty A T r en n=m-matris. Detta ing r i beviset av n sta sats: Sats 4.6. F r en m=n-matris A r f ljande p st enden ekvivalenta: (i) Ekvationen Ax = b har h gst en l sning f r varje b 2 R m ; (ii) r(a) = dim R(A) = n ; (iii) (iv) Kolonnerna i A r alla linj rt oberoende; A har en v nsterinvers. Observera att enligt (4) r det m jligt att uppfylla (ii) bara om m n. Bevis. Vi har just visat att (ii) r ekvivalent med (iv) och dessutom r det uppenbart att (ii) r ekvivalent med (iii). Det r cker allts att visa att (i) r ekvivalent med (ii): Enligt Sats 4.4 har alla l sningar till en ekvation Ax = b formen x = x + y, d r x r en partikul rl sning till denna ekvation och y r n gon l sning till motsvarande homogena ekvation Ay =. Ur detta f ljer: Ax = b har h gst en l sning, Ay = bara om y =, #(fria variabler) =, dim R(A) = n : S ledes r (i) ekvivalent med (ii). } Som vi redan n mnde, s r knar man ut v nsterinverser till en matris A genom att man l ser ekvationen Y A = I eller r ttare sagt det transponerade systemet A T Y T = I med hj lp av r kneschemat (A T j I), vilket ger Y T och slutligen Y : Exempel 4.3. Om A r av typen 3=2 s b r en eventuell v nsterinvers Y ha typen 2=3. Detta betyder att om A = 2 2 3 4 A x x och om vi s tter Y 2 x 3 = y y 2 y 3

66 Bj rkfeltbjon s ger kalkylerna (A T j I) = 2 3 j!! 2 4 j d r vi ser att x 2 och y 2 r fria, v nsterinverserna Y = 4 2s s 3 2t t 2 j 4 3 ; j (s; t 2 R) : Med hj lp av den teori som vi nu har utvecklat, kan vi bevisa att om en kvadratisk matris har en h gerinvers s har den ocks en v nsterinvers och att dessa inverser d r lika: Sats 4.7. Antag att A r en m=n-matris och l t A H och A V beteckna n gon h gerrespektive v nsterinvers till A. D g ller: (i) Om b de ett A H och ett A V existerar, s r m = n. (ii) Om m = n, s existerar ett A H om och endast om ett A V existerar och d r A H = A V ; dvs. A r inverterbar och A = A H = A V. Bevis. Med hj lp av satserna 4.5 och 4.6 f s A H existerar, dim R(A) = m A V existerar, dim R(A) = n ) m = n : Om m = n och och A H och A V existerar, s r A H = (A V A)A H = A V (AA H ) = A V, eftersom b de A V A och AA H r enhetsmatriser. } vningsuppgifter. Visa, att E = f( x x 2 ) j x ; x 2 2 R; x + x 2 = 2g med r kneoperationerna denierade genom r ett vektorrum. ( x x 2 ) + ( y y 2 ) = ( x + y x 2 + y 2 ) ; ( x x 2 ) = ( x + x 2 + ) 2. Vilka av f ljande delm ngder av R 3 r underrum d r kneoperationerna r de vanliga: (a) M ngden av vektorer med f rsta komponenten? (b) M ngden av vektorer med f rsta komponenten? (c) f( )g? (d) f( b b 2 b 3 ) j 3b b 2 + b 3 = g?

Vektorrum 67 3. M ngden R = f( x x 2 ) j x j 2 R; j = ; 2; : : :g r ett vektorrum om ( x x 2 ) + ( y y 2 ) = ( x + y x 2 + y 2 ) ; ( x x 2 ) = ( x x 2 ) : Vilka av f ljande delm ngder av R r underrum: (a) M ngden av alla f ljder som inneh ller o ndligt m nga nollor (t.ex. ( ))? (b) Alla f ljder ( x x 2 ) med x j = fr n och med n got index j = j (t.ex. ( 2 3 ))? (c) Alla aritmetiska f ljder, dvs. s dana f r vilka x j+ x j har samma v rde f r varje j? 4. (a) Veriera att m ngden M av alla funktioner f : R! R med denitionsm ngden [a; b] r ett vektorrum, d r kneoperationerna denieras som i exempel 4.2. (b) Veriera att m ngden P n av alla polynom p(x) av h gst graden n r ett vektorrum genom att visa att det r ett underrum av M. 5. L s ekvationen ( 2 ) + 3 ( t t 2 ) = ( 3 ) i vektorrummet i uppgift. 6. Visa att m ngden av de positiva reella talen blir ett vektorrum d r kneoperationerna denieras enligt: Vektoradditionen x y r vanlig multiplikation xy; multiplikationen > x av en skal r med en vektor x r potensen x. 7. Unders k om vektorerna (a) ( 3 2 5 ) ; ( 2 3 3 2 ) ; ( 2 ) ; ( ) ; (b) ( 2 2 3 3 ) ; ( 2 ) ; ( 3 2 5 ) ; ( 3 3 3 3 ) ; i R 4 r linj rt beroende eller oberoende. 8. Bevisa att snittet av tv underrum till ett vektorrum E ocks r ett underrum av E. Kan detsamma s gas om unionen? Om inte, ge ett motexempel. 9. Visa att (a) m ngden av alla symmetriska matriser av typen n=n, (b) m ngden av alla ned t triangul ra matriser av typen n=n, r ett underrum av m ngden av alla n=n-matriser. Vad r snittet av dessa tv underrum?. Beskriv kolonnrummet och nollrummet till matriserna A = och B = :

68 Bj rkfeltbjon. Best m echelonformen f r matrisen A, d (a) A = 4 ; (b) A = 2 8 B 2C A : 4 8 Best m basvariabler och fria variabler i systemet Ax =. Vilket r A:s nollrum? Vilket villkor b r vara uppfyllt f r att systemet Ax = b skall vara konsistent? Best m den allm nna l sningen till detta system d det r konsistent. Vilken rang har A? 2. r f ljande delm ngder underrum av vektorrummet P av alla polynom: (a) U = fp 2 P j p(x) = ax 5 ; a 2 Rg ; (b) V = fp 2 P j p(x) = 2a + x + 2x 2 ; a 2 Rg ; (c) W = fp 2 P j p( 2) = p() = g ; (d) Z = fp 2 P j p(2) = p(3) = g? 3. Visa att m ngden M r ett underrum till vektorrummet av alla 2=2-matriser, d 2 (a) M r m ngden av alla matriser X som kommuterar med A = ; 2 3 a a + b (b) M r m ngden av alla 2=2-matriser av formen ; (a; b 2 R) ; 2b a b (c) M r m ngden av alla 2=2-matriser av formen ; (a; b 2 R) : b a (R kneoperationerna r matrisaddition och multiplikation av en matris med ett reellt tal.) 4. (a) Antag att a, : : :, a n r linj rt oberoende vektorer i ett vektorrum och antag att a n+ ligger utanf r spn fa ; : : : ; a n g. Visa att vektorerna a, : : :, a n+ r linj rt oberoende. (b) Antag att ena sidan fa, : : :, a m g och andra sidan fb, : : :, b n g r m ngder av linj rt oberoende vektorer i ett vektorrum samt antag att snittet av spannen spn fa ; : : : ; a m g och spn fb ; : : : ; b n g r fg. Visa att a ; : : : ; a m ; b ; : : : ; b n r linj rt oberoende. 5. Antag att a, a 2, a 3, a 4 r linj rt oberoende vektorer i ett vektorrum. r vektorerna a + 2a 2 + a 3 ; a 2 + 2a 3 + a 4 ; a 3 + 2a 4 + a a 4 + 2a + a 2 linj rt beroende? Ange, om de r linj rt beroende, en icke-trivial linj rkombination av dem som r likamed nollvektorn. 6. Best m en bas i radrummet, kolonnrummet och nollrummet till matrisen (a) A = 4 9 7 2 4 5 6 7 A ; (b) A = B 2 5 8 7 3 5 5 3 9 7 7 3 5 3 C A :

Vektorrum 69 7. Best m dimensionerna f r kolonnrummet R(A) och nollrummet N (A) samt ange baser i dessa f r alla v rden p a, d A = 3 2 2 a 5 3 4 A : 8. V lj ut en maximal m ngd av linj rt oberoende vektorer ur f ljande vektorm ngder: (a) f( ) ; ( ) ; ( ) ; ( 2 )g ; (b) f( 2 3 ) ; ( 3 2 ) ; ( 2 3 ) ; ( 2 3 )g ; (c) f( ) ; ( ) ; ( 2 ) ; ( )g : 9. Ligger b = ( 3 4 5 ) i det underrum av R 3 som sp nns upp av w = ( ) ; w 2 = ( 2 2 ) och w 3 = ( 2 )? 2. Bevisa att varje delm ngd av en m ngd av linj rt oberoende vektorer r linj rt oberoende. G ller det ven att en delm ngd av en m ngd av linj rt beroende vektorer r linj rt beroende? 2. Unders k om f ljande vektorm ngder r linj rt beroende eller oberoende (a) f( 2 2 ) ; ( 2 2 ) ; ( 2 2 )g ; (b) f( ) ; ( 3 2 ) ; ( 2 )g ; (c) f( ) ; ( 3 2 )g ; (d) f( 2 ) ; ( 2 4 )g ; (e) f( ) ; ( ) ; ( ) ; ( 2 7 8 )g : Vilka av dessa m ngder r en bas i R 3? 22. Visa att ( a 3 ) och ( 2 a ) r linj rt oberoende vektorer f r varje v rde p a. 23. Antag att v ; v ; : : : ; v k r linj rt oberoende vektorer i ett vektorrum E. Unders k om vektorerna v v ; v 2 v ; : : : ; v k v r linj rt beroende eller oberoende. 24. Ange en bas och best m dimensionen f r underrummet av 2=2-matriser denierat i uppgift 3 (a) (anv nd l sningen av uppgift 5 i kapitel 2), 3 (b) och 3 (c). Vilka r i fallet 3 (b) koordinaterna f r 2 6 i den konstruerade basen?

7 Bj rkfeltbjon 25. L t A beteckna en m=n-matris och antag att vi vet att b de raderna och kolonnerna i A r linj rt oberoende. Kan vi d s ga n gonting om typen m=n? 26. Avg r om f ljande utsagor r sanna eller falska. Ange motexempel i de fall d utsagan r falsk. (a) Om S = spn fx ; : : : ; x m g s r dim S = m. (b) (c) (d) (e) Snittet av tv underrum kan inte vara den tomma m ngden. Om Ax = Ay s r x = y (A r en matris och x och y r kolonnvektorer). Radrummet f r matrisen A har en entydig bas som kan r knas ut genom att man reducerar A till echelonform. Om en kvadratisk matris A har linj rt oberoende kolonner s har ven A 2 det. 27. Enligt uppgift 9 (a) r m ngden av alla symmetriska 3=3-matriser ett underrum av m ngden av alla 3=3-matriser. Best m en bas i detta underrum. Vad r underrummets dimension? 28. Visa att om V och W r tredimensionella underrum av R 5 s har V och W en vektor gemensam som r olik nollvektorn. 29. Visa att om fv ; v 2 ; v 3 g r linj rt oberoende s r ocks fw ; w 2 ; w 3 g linj rt oberoende d vektorerna w i r denierade genom w = v + v 2, w 2 = v + v 2 + v 3 och w 3 = v 2 + v 3. 3. Bevisa att om matriserna A och B r s dana att AB =, s r kolonnrummet R(B) en delm ngd av nollrummet N (A). 3. (a) Visa att polynomen p (x) =, p 2 (x) = + x och p 3 (x) = + x + x 2 bildar en bas i vektorrummet P 2 av alla polynom av h gst graden 2. R kna ut koordinaterna f r p(x) = x 2 i denna bas. (b) Betrakta baserna B = f; x; x 2 g och C = fp ; p 2 ; p 3 g i P 2 (se (a)). Antag att polynomet p har koordinaterna, och 2 i basen B. Vilka r koordinaterna f r p i basen C? Antag att polynomet q har koordinaterna, 2 och 5 i basen C. Vilka r koordinaterna f r q i basen B? (c) Visa att M = f x; + x + x 2 ; x 2 g r en bas i P 2. Vilket polynom har koordinaterna, och i basen M. 32. En 2n=2n-matris M kan delas horisontellt och vertikalt i lika delar s att fyra block A, B, C och D uppst r (varje block r en n=n-matris): A B M = : C D Om A existerar kan man s tta in en nollmatris p C:s plats med en BO- operation med matrisblock: A B! A B C D D CA : B Vilken matris E skall man multiplicera M med fr n v nster f r att stadkomma denna operation? Vilken r E:s invers?