Vektorräume

Vektorräume

#Definition : K-Vektorraum

Ein K-Vektorraum ist eine Menge V mit einer Addition + und einer skalaren Multiplikation ⋅, so dass v+w∈V und λ·v∈V für alle v,w∈V und λ∈K gilt.

Zudem gelten folgende Rechenregeln für alle v,w,x∈V und λ,μ∈K

  1. + ist assoziativ: (v+w)+x=v+(w+x)
  2. + ist kommutativ: v+w=w+v
  3. es gibt einen Nullvektor 0∈V mit 0+v=v
  4. zu jedem Vektor v∈V gibt es −v∈V mit v+(−v)=0
  5. es gilt: (λμ)⋅v=λ⋅(μ⋅v)
  6. Distributivgesetz: λ⋅(v+w)=λ⋅v+λ⋅w
  7. Distributivgesetz: (λ+μ)⋅v=λ⋅v+μ⋅v
  8. 1⋅v=v

Bemerkungen

  1. Die Elemente K heißen Skalare. K steht für einen Körper
  2. Jeder K-Vektorraum enthält einen Nullvektor und ist somit nicht leer, d.h. V≠∅
  3. Das K bei "K-Vektorraum" sagt, aus welchem Zahlbereich die Zahlen (=Skalare) kommen, mit denen multipliziert wird.
  4. Kurzschreibweise: λv anstatt λ⋅v oder Vektorraum anstatt K-Vektorraum
  5. Die geometrische Anschauung zu den Vektorraumoperationen ist die aus dem R2:!AnaI LinA Ing Skript, p.76
Addition:[x1⋮xm]+[y1⋮ym]=[x1+y1⋮xm+ym]Skalarmultiplikation:λ[x1⋮xm]=[λx1⋮λxm]Nullvektor:0→=[0⋮0]

Teilräume

#Definition : Teilraum

Sei V ein K-Vektorraum. Eine Teilmenge T⊆V ist ein Teilraum (oder Unterraum oder Untervektorraum) von V , falls T selbst ein K-Vektorraum ist (mit dem gleichen + und ⋅ wie V ).

#Satz : Teilraumkriterium

Sei V ein K-Vektorraum. Dann ist T⊆V ein Teilraum von V, genau dann wenn

  1. 0∈T
  2. für alle v,w∈T ist v+w∈T
  3. für alle v∈T und λ∈K ist λv∈T

Linearkombinationen und lineare Hülle (Spann)

Linearkombination von zwei Vektoren:
!AnaI LinA Ing Skript, p.78

#Definition : Linearkombination

Sei V ein K-Vektorraum. Ein Vektor v∈V heißt Linearkombination der Vektoren v1,…,vk∈V, wenn Zahlen λ1,…,λk∈K existieren, so dass v=λ1v1+λ2v2+⋯+λkvk=∑j=1kλjvj.
Man sagt, v lässt sich aus v1,…,vk linear kombinieren. Die λ1,…,λk heißen Koeffizienten der Linearkombination

#Definition : Spann

Sei V ein K-Vektorraum. Die Menge aller Linearkombinationen von v1,…,vk∈V heißt der Spann oder lineare Hülle oder das Erzeugnis von v1,…,vk. Schreibweise:

span{v1,…,vk}:={λ1v1+⋯+λkvk|λ1,…,λk∈K}

Sei V ein K-Vektorraum und v1,…,vk∈V. Dann ist span{v1,…,vk} ein Teilraum von V.

Beweis:
z.z.: Teilraumkriterien sind erfüllt

  1. Für λ1=λk=0∈K ist 0v=0⋅v1+⋯+0⋅vk∈ span{v1,..,vk}
  2. Seien
    v=λ1v1+⋯+λkvk
    w=μ1v1+μk+vk
    u,v∈ span{v1,…,vk}
    ⟹v+w=(λ1v1+⋯+λkvk)+(μ1v1,…,μkvk=(λ1+μ1)v1+⋯+(λk+μk)vk
    Dabei sind λ1+μ1,λk+μk∈K
    ⟹v+w∈span{v1,…,vk}
  3. Sei v=λ1v1+⋯+λkvk∈span{v1,…,vk} und sei λ∈K
    ⟹λv=λ(λ1v1,…,λkvk)=(λλ1)v1+⋯+(λλk)vk∈span{v1,…,vk}
    ⟹span{v1,…,vk} ist ein Teilraum von V

Erzeugersysteme

#Definition : Erzeugendensystem

Sei V ein K-Vektorraum und T ein Teilraum von V. EIne Menge {v1,…,vk}⊆T heißt Erzeugendenssytem (EZS) von T, falls ihr Spann gleich T ist:

span{v1,…,vk}=T