Lineare Abbildungen

Lineare Abbildungen

#Definition : Lineare Abbildung

Seien V,W zwei K-Vektorräume. Eine Abbildung f:VW heißt linear, wenn für alle v,wV und λK gilt

  1. Additivität: f(v+w)=f(v)+f(w),
  2. Homogenität: f(λv)=λf(v).
    Die Menge aller linearen Abbildungen von v nach W wird mit L(V,W) oder Hom(V,W) bezeichnet.

Lineare Abbildungen erhalten die Struktur eines Vektorraums (Addition und Skalarmultiplikation). Eine andere Bezeichnung für eine lineare Abbildung ist Homomorphismus

Eigenschaften linearer Abbildungen

Sei AKm,n. Dann ist f:KnKm,xAx, linear, denn nach den Rechenregeln für Matrizen gilt für alle x,yKn und λK:

Additivität: f(x+y)=A(x+y)=Ax+Ay=f(x)+f(y),
Homogenität: f(λx)=A(λx)=λAx=λf(x)

Dies zeigt, dass wir jede Matrix als lineare Abbildung ansehen können. Insbesondere gilt alles, was wir für lineare Abbdilungen lernen, auch für Matrizen

Ist f:KnKm linear, dann gibt es eine Matrix AKm,n mit f(x)=Ax für alle xKn. Dabei enthält A=[a1,,an] die Bilder der Vektoren

e1=[100],,[001]

d.h. a1=f(e1),,an=f(en)

Seien V,W zwei K-Vektorräume. Für f,gL(V,W) und λK definieren wir

f+g:VW,v(f+g)(v):=f(v)+g(v),λf:VW,v(λf)(v):=λf(v).

Dann sind f+g und λf wieder linear und L(V,W) ist selbst wieder ein K-Vektorraum.

Ist V=W, so enthält L(V,V) insbesondere die Identität idV.

Seien V,W,X K-Vektorräume.

  1. Ist f:VW linear, so gilt f(0)=0.
  2. Sind f:VW und g:WX linear, so ist auch die Komposition gf:VX linear.
  3. Ist f:VW linear und bijektiv, so ist auch die Umkehrabbildung f1:WV linear.

Rechenregeln für lineare Abbildungen

Für lineare Abbildungen f,g,h und λK gilt (falls die Verknüpfungen definiert sind)

  1. f(gh)=(fg)h,
  2. f(g+h)=(fg)+(fh),
  3. (f+g)h=(fh)+(gh),
  4. λ(fg)=(λf)g=f(λg),
  5. idf=f=fid.

Kern und Bild

#Definition : Kern und Urbild

  1. Der Kern von F ist das Urbild von 0: $$\text{Kern}(f)={ v \in V | f(v) = 0 } = f^{-1} ({ 0 })$$.
  2. Das Bild von f ist die Menge $$ \text{Bild}(f) = f(V) = { f(v)|v \in V }.$$
    !AnaI LinA Ing Skript, p.118

Sei f:VW linear

  1. Kern(f) ist ein Teilraum von V
  2. Bild(f) ist ein Teilraum von Wf
#Definition Basis des Kerns einer Matrix AKm,n

Erinnerung: Kern(A)={xKnAx=0}=L(A,0)
Gegeben: AKm,n
Gesucht: Basis von Kern(A)

  1. Schritt: Bringe die Matrix A in normierte Zeilenstufenform.
  2. Schritt: Sei Rang(A)=r. Dann gibt es nr frei wählbare Variablen. Berechne die Lösung von Ax=0 und setze die 1. frei wählbare Variable gleich 1, alle anderen frei wählbaren Variablen werden 0 gesetzt. Dies liefert den 1. Basisvektor.
  3. Schritt: Wiederhole den 2. Schritt für die anderen frei wählbaren Variablen.

Das ergibt eine Basis von Kern(A) mit nr Basisvektoren.
Insbesondere ist

dim(Kern(A))=nr=nRang(A).
#Definition: Basis des Bildes einer Matrix AKm,n

Die Spalten von A werden mit a1,,anKm bezeichnet, d.h. es ist A=[a1an]. Für xKn ist $$ Ax = [a_1 \dots a_n] \begin{bmatrix} x_1 \ \vdots \ x_n \end{bmatrix} = x_1 a_1 + \dots + x_n a_n = \sum_{j=1}^n x_j a_j, $$
also die Linearkombination von den Spalten von A mit den Koeffizienten x1,,xn. Daher ist $$ \text{Bild}(A) = {Ax \mid x \in \mathbb{K}^n} = \text{span}{a_1, \dots, a_n}. $$

Gesucht: Basis von Bild(A)
4. Schritt: Bringe die Matrix A in Zeilenstufenform.
5. Schritt: Die Spaltenvektoren von A, die zu einem Pivotelement in einer Zeilenstufenform von A gehören, bilden eine Basis des Bildes.

Insbesondere ist dim(Bild(A))=Rang(A).

Dimensionsformel

#Definition: Dimensionsformel für lineare Abbildungen

Sei f:VW linear und V endlichdimensional. Dann gilt

dim(V)=dim(Kern(f))+dim(Bild(f))

Interpretation

V ist aufgeteilt in den Kern von f (diese Vektoren werden auf 0W abgebildet) und den Rest, der auf Bild(f) abgebildet wird.
!AnaI LinA Ing Skript, p.120
Die Skizze veranschaulicht die Dimensionsformel $$ \dim(V) = \dim(\text{Kern}(f)) + \dim(\text{Bild}(f))$$

Folgerungen aus der Dimensionsformel

Sei f:VW linear. Dann gilt:

  1. f ist injektiv Kern(f)={0}dim(Kern(f))=0.
  2. f ist surjektiv Bild(f)=Wdim(Bild(f))=dim(W). Dabei gilt die letzte Äquivalenz nur falls dim(W)<.
  3. Wenn dim(V)=dim(W)<, so gilt: f ist bijektiv f ist injektiv f ist surjektiv.