background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 1)

P

RZESTRZENIE I PRZEKSZTAŁCENIA LINIOWE

1.

Niech b˛ed ˛

a sko´nczenie wymiarowymi podprzestrzeniami przestrzeni liniowej . Wyka˙z, ˙ze

(a) Je´sli dim = dim, to .

(b) Je´sli dimoraz {v

1

, . . . , v

k

} jest baz ˛

S, to istniej ˛

a wektory v

k+1

, . . . , v

n

∈ takie, ˙ze {v

1

, . . . , v

n

} jest baz ˛

a

przestrzeni .

(c) Je´sli {v

1

, . . . , v

k

} jest baz ˛

za´s {v

k+1

, . . . , v

n

} jest baz ˛

, to {v

1

, . . . , v

n

} jest baz ˛

wtedy i tylko wtedy, gdy

⊕ .

2.

Niech b˛ed ˛

a przestrzeniami liniowymi nad ciałem K. Niech {u

1

, . . . , u

n

} b˛edzie baz ˛

, za´s {v

1

, . . . , v

n

}

dowolnym układem wektorów przestrzeni . Wyka˙z, ˙ze:

(a) Istnieje dokładnie jedno przekształcenie liniowe → takie, ˙ze (u

i

) = v

i

dla = 1, . . . , n.

(b) Przekształcenie jest izomorfizmem wtedy i tylko wtedy, gdy {v

1

, . . . , v

n

} jest baz ˛

.

(c) 

wtedy i tylko wtedy, gdy dim= dim.

3.

Niech b˛edzie ciałem, = [a

i j

] ∈ K

n

m

oraz = [b

i

] ∈ K

n

. Oznaczmy, przez A

u

macierz, której pocz ˛

atkowych

kolumn to kolumny macierzy a ostatni ˛

a jest kolumna = [b

i

]. Rozwa˙zmy układ równa´n liniowych o n

niewiadomych.

·


X

1

..

.

X

n


b

(?)

Wyka˙z, ˙ze:

(a) Układ (?) ma rozwi ˛

azanie wtedy i tylko wtedy, gdy r(A) = r(A

u

).

(b) Je´sli oraz det 6= 0, to układ (?) ma dokładnie jedno rozwi ˛

azanie.

(c) Je´sli = 0, to zbiór rozwi ˛

aza´n układu (?) jest podprzestrzeni ˛

a przestrzeni K

n

o wymiarze równym − r(A).

4.

Niech b˛edzie n-wymiarow ˛

a przestrzeni ˛

a liniow ˛

a nad ciałem K, za´s {v

1

, . . . , v

n

} baz ˛

. Wska˙z naturalny izo-

morfizm → K

n

.

5.

Niech = R[X]

n

= { ∈ R[X] : deg ≤ n}, natomiast przekształcenie

δ

→ niech przyporz ˛

adkowuje wielo-

mianowi jego pochodn ˛

a. Pokaza´c, ˙ze

δ

jest endomorfizmem przestrzeni oraz znale´z´c macierz

δ

w bazie:

(a) (1, X

2

, . . . , X

n

),

(b) (1, − c,

(− c)

2

2!

, . . . ,

(− c)

n

n!

), gdzie jest ustalon ˛

a liczb ˛

a rzeczywist ˛

a.

6.

Macierz przekształcenia

ϕ

K

3

→ K

3

w bazie (

ε

1

,

ε

2

,

ε

3

) ma posta´c

(a)

0

0

1

,

(b)

0

0

0

,

(c)

0

0

0

0

.

Jakie własno´sci przekształcenia

ϕ

mo˙zna st ˛

ad odczyta´c ?

7.

Obliczy´c wielomian charakterystyczny endomorfizmu, który w pewnej bazie ma macierz postaci






a

n−1

a

n−2

· · ·

a

1

a

0

1

0

· · ·

0

0

0

1

· · ·

0

0

..

.

..

.

. ..

..

.

..

.

0

0

· · ·

1

0






;

(b)






0

0

· · ·

0

a

0

1

0

· · ·

0

a

1

0

1

· · ·

0

a

2

..

.

..

.

. .

.

..

.

..

.

0

0

· · ·

1

a

n−1






.

Czy ka˙zdy wielomian unormowany, z dokładno´sci ˛

a do znaku, mo˙ze by´c wielomianem charakterystycznym jakiego´s

endomorfizmu ?

8.

Niech

ϕ

: R[X]

3

→ R[X]

3

b˛edzie przekształceniem danym wzorem

ϕ

()) = ((+ 3) ())

0

. Sprawdzi´c, ˙ze

ϕ

jest

przekształceniem liniowym i obliczy´c jego warto´sci własne i wektory własne.

9.

Dana jest macierz

=

−3

0

2

−4

1

2

−4

0

3

. Znale´z´c tak ˛

a macierz odwracaln ˛

∈ M

3

(R) aby macierz C

−1

AC była

diagonalna. Obliczy´c A

2001

.

1

background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 2)

G

EOMETRIA PRZESTRZENI EUKLIDESOWYCH

Wykorzystuj ˛

ac iloczyn skalarny udowodni´c nast˛epuj ˛

ace twierdzenia dotycz ˛

ace przestrzeni euklidesowej:

1.

Wysoko´sci dowolnego trójk ˛

ata przecinaj ˛

a si˛e w jednym punkcie.

2.

Symetralne boków dowolnego trójk ˛

ata przecinaj ˛

a si˛e w jednym punkcie.

3.

W dowolnym trójk ˛

acie punkty przeci˛ecia si˛e ´srodkowych, wysoko´sci i symetralnych boków le˙z ˛

a na jednej prostej.

4.

Twierdzenie cosinusów. Je˙zeli AB,s ˛

a trzema ró˙znymi punktami przestrzeni euklidesowej, to

k

−→

AB k

2

= k

−→

BC k

2

+ k

−→

CA k

2

−2 k

−→

CA k · k

−→

BC k · cos(

∠{

−→

CA,

−→

CB}).

Wyprowad´z st ˛

ad twierdzenie Pitagorasa.

5.

Je˙zeli AB,s ˛

a trzema ró˙znymi punktami przestrzeni euklidesowej, to

(

−→

CA,

−→

CB) =

k

−→

CA k

2

+ k

−→

CB k

2

− k

−→

AB k

2

2

.

6.

Je˙zeli AB,s ˛

a wierzchołkami trójk ˛

ata oraz punkt jest rzutem punktu na prost ˛

AB (spodek wysoko´sci trójk ˛

ata

ABC), to k

−→

CD k

2

= (

−→

CA,

−→

CB) − (

−→

DA,

−→

DB).

Ponadto je´sli wektory

−→

CA,

−→

CB s ˛

a prostopadłe, to k

−→

CD k

2

=k

−→

DA k · k

−→

DB k.

7.

Je˙zeli AB,s ˛

a wierzchołkami trójk ˛

ata oraz punkt jest ´srodkiem odcinka AB, to

k

−→

CS k

2

=k

−→

CA k · k

−→

CB k · cos(

∠{

−→

CA,

−→

CB}) +

1

4

k

−→

AB k

2

oraz

k

−→

CS k

2

=

2 k

−→

CA k

2

+2 k

−→

CB k

2

− k

−→

AB k

2

2

.

8.

Twierdzenie sinusów. Je˙zeli AB,s ˛

a wierzchołkami trójk ˛

ata, to

k

−→

AC k

sin(

∠{

−→

BA,

−→

BC})

=

k

−→

BC k

sin(

∠{

−→

AB,

−→

AC})

=

k

−→

AB k

sin(

∠{

−→

CA,

−→

CB})

.

9.

Wzór Herona. Pole trójk ˛

ata o bokach abwyra˙za si˛e wzorem =

p(− a)(− b)(− c), gdzie =

a+b+c

2

.

10.

Twierdzenie Ptolemeusza. W czworok ˛

acie wpisanym w okr ˛

ag iloczyn długo´sci przek ˛

atnych jest równy sumie ilo-

czynów długo´sci boków przeciwległych.

Wskazówki do rozwi ˛

azania powy˙zszych zada´n a tak˙ze dowody wielu innych interesuj ˛

acych faktów geometrycznych

mo˙zna znale´z´c w ksi ˛

a˙zce Edwarda Piegata pt. „Wektory i geometria", PZWS, Warszawa 1964.

2

background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 3)

P

RZYKŁADY FUNKCJONAŁÓW DWULINIOWYCH

1.

Które z wymienionych funkcji s ˛

a formami dwuliniowymi na odpowiednich przestrzeniach liniowych:

(a)

β

(xy) = x

T

· y, gdzie x∈ K

n

za´s jest ciałem;

(b)

β

(xy) = · y

T

, gdzie x∈ K

n

za´s jest ciałem;

(c)

β

(AB) = tr (AB), gdzie A∈ M(nK) za´s jest ciałem;

(d)

β

(AB) = tr (AB − BA), gdzie A∈ M(nK) za´s jest ciałem;

(e)

β

(AB) = AB, gdzie A∈ M(nK) za´s jest ciałem;

(f)

β

(AB) = tr (B), gdzie A∈ M(nK) za´s jest ciałem;

(g)

β

(AB) = tr (AB

T

), gdzie A∈ M(nK) za´s jest ciałem;

(h)

β

(xy) = Re (xy), gdzie x∈ C za´s C jest przestrzeni ˛

a nad R;

(i)

β

(xy) = Re (¯

y), gdzie x∈ C za´s C jest przestrzeni ˛

a nad R;

(j)

β

(xy) = Im (¯

y), gdzie x∈ C za´s C jest przestrzeni ˛

a nad R;

(k)

β

(xy) = |xy|, gdzie x∈ C za´s C jest przestrzeni ˛

a nad R;

(l)

β

g) =

R

b

a

f gdx, gdzie s ˛

a funkcjami ci ˛

agłymi na przedziale [ab];

(m)

β

g) =

R

b

a

g)

2

dx, gdzie s ˛

a funkcjami ci ˛

agłymi na przedziale [ab];

(n)

β

g) =

R

b

a

f g

0

dx, gdzie s ˛

a funkcjami ró˙zniczkowalnymi oraz (a) = (b) = g(a) = g(b) = 0;

(o)

β

g) = ( f g)(a), gdzie ∈ K[] oraz ∈ K;

(p)

β

g) = deg( f g), gdzie ∈ K[].

W przypadku, gdy

β

jest funkcjonałem dwuliniowym zbadaj, czy jest on symetryczny, sko´snie symetryczny lub

alternuj ˛

acy.

2.

W sko´nczenie wymiarowych przestrzeniach dwuliniowych z poprzedniego zadania wybra´c baz˛e i znale´z´c macierz
funkcjonału dwuliniowego w tej bazie.

3.

Niech C(ab) b˛edzie przestrzeni ˛

a funkcji ci ˛

agłych na odcinku (ab) za´s G(x) b˛edzie ustalon ˛

a funkcj ˛

a na odcinku

(ab) na C(ab). Wykaza´c, ˙ze odwzorowanie

β

g) =

R

b

a

G(x(x)g(xdx jest form ˛

a dwuliniow ˛

a.

4.

Wykaza´c, ˙ze wielomiany Legendre’a

P

0

(x) = 1,

P

k

(x) =

1

2

k

k!

d

k

dx

k

[(x

2

− 1)

k

],

= 1, 2, . . . , n

tworz ˛

a baz˛e ortogonaln ˛

a w przestrzeni euklidesowej (R

n

[],

β

), gdzie

β

g) =

R

1

−1

(x)g(xdx.

5.

W przestrzeni liniowej C(0, 2

π

) wszystkich funkcji ci ˛

agłych okre´slonych na przedziale (0, 2

π

) funkcjonał dwuli-

niowy okre´slony jest wzorem

β

g) =

Z

2

π

0

f g dx.

Niech

F

b˛edzie podprzestrzeni ˛

a przestrzeni C(0, 2

π

) generowan ˛

a przez zbiór {cos nx, sin nx ∈ Z} (elementy

przestrzeni

F

nazywamy wielomianami Fouriera).

Wyka˙z, ˙ze układ funkcji

(

1

2

π

,

1

π

cos nx,

1

π

sin nx ∈ N)

jest baz ˛

a ortonormaln ˛

a przestrzeni

F

oraz, ˙ze współrz˛edne a

0

a

1

b

1

a

2

b

2

, . . . funkcji 

F

w tej bazie wyra˙zaj ˛

a

si˛e wzorami:

a

0

=

1

2

π

Z

2

π

0

(xdxa

n

=

1

π

Z

2

π

0

(x) cos nx dxb

n

=

1

π

Z

2

π

0

(x) sin nx dx= 1, 2, . . .

(współrz˛edne te nazywamy współczynnikami Fouriera tej funkcji).

6.

Niech (

P) b˛edzie przestrzeni ˛

a probabilistyczn ˛

a oraz F(

) przestrzeni ˛

a zmiennych losowych okre´slonych na tej

przestrzeni. Wykaza´c, ˙ze funkcja

β

(,) = E(XY ) jest funkcjonałem dwuliniowym na F(

) (tutaj E(Z) oznacza

warto´s´c oczekiwan ˛

a zmiennej losowej Z). W przypadku, gdy

jest zbiorem sko´nczonym znale´z´c WKW na to aby

funkcjonał

β

był dodatnio okre´slony.

7.

Wykaza´c, ˙ze rodzina P() podzbiorów zbioru z ró˙znic ˛

a symetryczn ˛

a (jako dodawaniem) i naturalnym mno˙ze-

niem przez elementy ciała F

2

jest przestrzeni ˛

a liniow ˛

a nad F

2

. Sprawd´z, ˙ze odwzorowanie

β

(AB) = |∩ B| mod 2

jest funkcjonałem dwuliniowym na tej przestrzeni.

3

background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 4)

W

ŁASNO ´SCI PRZESTRZENI DWULINIOWYCH

K. S

ZYMICZEK

Wykłady z algebry dwuliniowej

:

Zadania 1–10 ze stron 20 i 21.

4

background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 5)

M

ACIERZE PRZESTRZENI DWULINIOWYCH

K. S

ZYMICZEK

Wykłady z algebry dwuliniowej

:

Zadania 1–10 ze stron 29 i 30.

5

background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 6)

I

ZOMETRIE

;

PRZESTRZENIE NIEOSOBLIWE

K. S

ZYMICZEK

Wykłady z algebry dwuliniowej

:

Zadania 1–10 ze stron 37–39 oraz zadania 3–7 ze stron 50–51.

6

background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 7)

D

IAGONALIZACJA PRZESTRZENI DWULINIOWYCH

K. S

ZYMICZEK

Wykłady z algebry dwuliniowej

:

Zadania 1, 2, 3, 6, 9 ze stron 60–62.

7

background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 8)

I

LOCZYN TENSOROWY

1.

Wyka˙z nast˛epuj ˛

ace własno´sci iloczynu tensorowego przestrzeni liniowych nad ciałem K:

(a) ⊗ 

,

(b) V

1

V

2

V

2

V

1

,

(c) (V

1

V

2

) ⊗V

3

V

1

V

2

V

3

,

(d) V

1

⊗ (V

2

V

3

) ∼

V

1

V

2

V

3

,

(e) (V

1

V

2

) ⊗V

3

= (V

1

V

2

) ⊕ (V

1

V

3

),

(f) V

1

⊗ (V

2

V

3

) ∼

= (V

1

V

2

) ⊕ (V

1

V

3

),

(g) V

1

⊗ (V

2

⊗ . . . ⊗V

n

) ∼

= (V

1

⊗ . . . ⊗V

n−1

) ⊗V

n

,

(h) V

1

⊗ . . . ⊗V

n

V

σ

(1)

⊗ . . . ⊗V

σ

(n)

dla dowolnego

σ

∈ S(n).

(i) (V

1

⊗ . . .V

k

) ⊗ (V

k+1

⊗ . . . ⊗V

n

) ∼

V

1

⊗ . . . ⊗V

n

,

2.

Wska˙z naturalne izomorfizmy podanych przestrzeni liniowych nad ciałem K:

(a) K

n

⊗ K

m

K

m

n

,

(b) K

n

n

⊗ K

m

m

K

nm

nm

,

(c) K[] ⊗ K[] ∼

K[,],

(d) K[]

m

⊗ K[]

n

K[]

m,n

,

gdzie K[]

m,n

= lin

K

X

k

Y

l

≤ m≤ n}.

3.

Wyka˙z izomorfizm:

V

= Hom

K

(V,).

Wskazówka. Rozwa˙z odwzorowanie t V

×→ Hom

K

(V,), takie, ˙ze tw)(v) = (v) · w.

4.

Niech (v

1

v

2

v

3

) b˛edzie baz ˛

a przestrzeni , za´s (w

1

w

2

) baz ˛

a przestrzeni . Znajd´z współrz˛edne wektora v

1

⊗ w

1

w bazach przestrzeni wyznaczonych przez nast˛epuj ˛

ace bazy przestrzeni :

(a) (v

1

v

2

v

3

) oraz (w

1

w

2

),

(b) (v

1

v

2

v

2

v

3

v

3

) oraz (w

1

w

2

w

2

),

(c) (v

1

v

1

v

2

v

1

v

2

v

3

) oraz (w

1

, −w

2

).

5.

Je´sli jest przestrzeni ˛

a liniow ˛

a nad oraz L, to przez V

L

oznaczmy przestrze´n otrzyman ˛

a przez rozszerzenie

ciała skalarów do ciała L. Wyka˙z, nast˛epuj ˛

ace izomorfizmy przestrzeni liniowych:

(a) (K

n

)

L

L

n

,

(b) (K

n

m

)

L

L

n

m

,

(c) (V

)

L

= (V

L

)

,

(d) (K[])

L

L[].

6.

Niech

φ

K

2

→ K

2

,

ψ

K

3

→ K

2

b˛ed ˛

a przekształceniami liniowymi o macierzach w bazach jednostkowych rów-

nych odpowiednio

1 2

1

0



,

2 3 −1

1

2

2



. Znajd´z (

φ

ψ

)(

ε

1

ε

1

), (

φ

ψ

)(

ε

1

ε

2

), (

φ

ψ

)(

ε

1

ε

2

+

ε

2

ε

1

),

(

φ

ψ

)((

ε

1

+

ε

2

) ⊗ (

ε

1

ε

3

)).

7.

Wyka˙z, ˙ze:

(a) dla dowolnych przestrzeni liniowych V

1

, . . . ,V

n

zachodzi równo´s´c Id

V

1

⊗ . . . ⊗ Id

V

n

= Id

V

1

⊗...⊗V

n

,

(b) je´sli

φ

i

∈ Hom

K

(V

i

W

i

),

ψ

i

∈ Hom

K

(W

i

U

i

), dla = 1, . . . , n, to

(

ψ

1

⊗ . . . ⊗

ψ

n

) ◦ (

φ

1

⊗ . . . ⊗

φ

n

) = (

ψ

1

φ

1

) ⊗ . . . ⊗ (

ψ

n

φ

n

).

(c) je´sli

φ

i

∈ Hom

K

(V

i

W

i

) s ˛

a izomorfizmami dla = 1, . . . , n, to

φ

1

⊗ . . . ⊗

φ

n

jest izomorfizmem oraz

(

ψ

1

⊗ . . . ⊗

ψ

n

)

−1

=

ψ

−1
1

⊗ . . . ⊗

ψ

−1

n

.

8.

Wyka˙z, ˙ze:

(a) macierze jednostkowe I

m

∈ K

m

m

I

n

∈ K

n

n

spełniaj ˛

a równo´s´c I

m

⊗ I

n

I

mn

,

(b) je´sli A

1

∈ K

n

m

B

1

∈ K

l

k

A

2

∈ K

m

p

B

2

∈ K

k

q

, to (A

2

⊗ B

2

)(A

1

⊗ B

1

) = (A

2

A

1

) ⊗ (B

2

B

1

).

(c) je´sli ∈ Gl (mK), ∈ Gl (nK), to ⊗ ∈ Gl (mnK) oraz (⊗ B)

−1

A

−1

⊗ B

−1

.

Wskazówka. Wykorzystaj poprzednie zadanie.

9.

Wyka˙z, ˙ze:

(a) je´sli ∈ K

n

m

B

1

B

2

∈ K

l

k

, to ⊗ (B

1

B

2

) = (⊗ B

1

) + (⊗ B

2

),

(b) je´sli A

1

A

2

∈ K

n

m

∈ K

l

k

, to (A

1

A

2

) ⊗ = (A

1

⊗ B) + (A

2

⊗ B).

10.

Wyka˙z, ˙ze je´sli ∈ K

m

m

B

1

B

2

∈ K

n

n

, to det(⊗ B) = det A

n

det B

m

.

Wskazówka. Korzystaj ˛

ac z zadania 18(b) zapisz macierz A ⊗ B jako iloczyn dwóch macierzy blokowych A ⊗ =

(⊗ I

n

)(I

m

⊗ Bi zastosuj twierdzenie Cauchy’ego.

8

background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 9)

S

UMY I ILOCZYNY PRZESTRZENI DWULINIOWYCH

K. S

ZYMICZEK

Wykłady z algebry dwuliniowej

:

Zadanie 8 i 9 ze strony 124 oraz zadania 2–6 i 9–11 ze stron 154–155.

9

background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 10)

T

WIERDZENIA

W

ITTA

K. S

ZYMICZEK

Wykłady z algebry dwuliniowej

:

Zadanie 1–6 ze stron 71–72 oraz zadania 1–4 ze strony 83.

10

background image

Zadania z algebry dwuliniowej (zestaw 11)

P

IER ´SCIE ´

N

W

ITTA

K. S

ZYMICZEK

Wykłady z algebry dwuliniowej

:

Zadanie 1–6 ze stron 164–165.

11