(f s)(y) = f[s(y)] = y = Id Y, άρα f s = Id Y

Transcript

1 Μάθημα 1 1)Σχέση ισοδυναμίας Εστω ένα σύνολο X Μια σχέση στο Q είναι ένα υποσύνολο R X X Αν (x 1, x 2 ) R, λέμε ότι x 1 σχετίζεται με το x 2 (μέσω της R) και γράφουμε x 1 x 2 Μια σχέση καλείται σχέση ισοδυναμίας αν: (i) για κάθε x X είναι x x, (δηλαδή (x, x) R) (ii) αν (x, y) X και x y, τότε y x (iii) αν (x, y, z) X με x y και y z, τότε x z Παραδείγματα: (i)x ={σημεία του επιπέδου}, 0 X Ορίζω μια σχέση στο X, ως εξής: Αν P, Q X λέω ότι P Q τα R, Q ισαπέχουν από το 0 [d(p, 0) = d(q, 0)] Η σχέση αυτή είναι μια σχέση ισοδυναμίας (ii) X = N Ορίζω μια σχέση στο X ως εξής: Αν α, β X λέω ότι α β οι αριθμοί α και β έχουν το ίδιο ψηφίο μονάδων στο δεκαδικό τους ανάπτυγμα (πχ ) : Αν είναι μια σχέση ισοδυναμίας στο X, τότε για κάθε x X ορίζω την κλάση ισοδυναμίας του [x], ως εξής: [x] = {y X : x y} X Ιδιότητες: (i) [x] για κάθε x X (καθώς x X μιας και x x) (ii)αν x, y X, τότε [x] = [y] ή [x] [y] = : Αν [x] [y] επιλέγω z [x] [y] Θα δείξω ότι [x] = [y] δηλαδή ότι [x] [y] και [y] [x] Για παράδειγμα θα δείξω ότι [x] [y] Εστω ω [x] Τότε, ω x Ομως, z [x] και άρα x z Συνεπώς, w z Ομως,z [y] και άρα z y Συνεπώς, w y w [y] (iii) X = [x] Αυτό ισχύει γιατί κάθε x X είναι x [x] [x] x X x X Άρα, X = [x] (για κάθε x X ορίζεται το [x] = X) x X : Μια διαμέριση του X είναι μια συλλογή F υποσυνόλων, τέτοια ώστε: (i)αν Y F τότε Y (ii)αν Y, Y F τότε Y = Y ή Y Y = (iii)x = Y Y F Παραδείγματα: (i)x = {σημεία του επιπέδου} 0 X Ορίζω P Q d(p, 0) = d(q, 0) Αν P X τότε [P ] = {σημεία του κύκλου με κέντρο και ακτίνα d(p, 0) } (ii) X = N, α β το ίδιο τελευταίο ψηφίο Εδώ, αν α X τότε [α] = {α + 10n, n Z} N : Αν είναι μια σχέση ισοδυναμίας στο X, το σύνολο πηλίκο X/ είναι ακριβώς το σύνολο των

2 κλάσεων ισοδυναμίας Με άλλα λόγια X/ = {[x] : x X} Παραδείγματα: (i)x/ = {c r : r 0} (ii)x/ = {[0], [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]} όπου για παράδειγμα [2] = {2, 12, 22, 32, } 2)Συναρτήσεις: : Αν, X, Y είναι σύνολα, τότε μια απεικόνιση f : X Y είναι ένα υποσύνολο Γ f X Y που ειναι τέτοιο ώστε για κάθε x X υπάρχει ένα μοναδικό y Y με (x, y) Γ f και γράφω y = f(x) : Αν, X, Y, Z είναι σύνολα, και f : X Y και g : Y Z είναι απεικονίσεις, μπορώ να ορίσω τη σύνθεση g f : X Z Θέτοντας (g f)(x) = g[f(x)] για κάθε x X Η συνάρτηση f : X Y καλείται 1 1 ανν για κάθε x 1, x 2 X με x 1 x 2 είναι f(x 1 ) f(x 2 ) Η συνάρτηση f είναι επί ανν για κάθε y Y υπάρχει X X με y = f(x) Παραδείγματα: (i)αν οι f : X Y και g : Y Z είναι 1 1, τότε η g f είναι επίσης 1 1 Πράγματι, αν x 1, x 2 X με x 1 x 2, τότε f(x 1 ) f(x 2 ) και άρα g[f(x 1 )] g[f(x 2 )], δηλαδη g [f(x 1 )] g [f(x 2 )], η g f ειναι 1 1 (ii)αν οι f : X Y και g : Y Z είναι επί, τότε η g f είναι επίσης επί Αν z Z τότε υπάρχει y Y με z = g(y) Επίσης, υπάρχει x X με y = f(x) Συνεπώς, z = g(f(x)) = g f(x), η g f είναι επί (iii)αν f : X Y και g : Y Z είναι συναρτήσεις και η g f : X Z είναι 1 1, τότε η f ειναι επίσης 1 1 του (iii): Εστω ότι x 1, x 2 X με x 1 x 2 και f(x 1 ) = f(x 2 ) Y τότε (g f)(x 1 ) = g[f(x 1 )] = g[f(x 2 )] = (g f)(x 2 ) Z Αυτό είναι άτοπο μιας και η g f είναι 1 1 Θα πρέπει λοιπόν να είναι x 1 x 2 f(x 1 ) f(x 2 ) η f είναι 1 1 (iv) Αν f : X Y και g : Y Z είναι απεικονίσεις και η g f : X Z ειναι επί, τότε η g είναι επίσης επί του (iv): Θεωρώ z Z Καθώς η g f είναι επί, υπάρχει x X με z = (g f)(x), δηλαδή z = g[f(x)], όπου f(x) Y Άρα, η g είναι επί : Αν X είναι ένα σύνολο, τότε η ταυτοτική απεικόνιση Id X Id X (x) = x για κάθε x X : X X είναι η απεικόνιση με Πρόταση: Εστω f : X Y μια απεικόνιση: (i)η f είναι 1 1 ανν υπάρχει r : Y X με r f = Id X (ii)η f είναι επί ανν υπάρχει απεικόνιση s : Y X με f s = Id Y (iii)η f είναι 1 1 και επί ανν υπάρχει g : Y X με f g = Id Y και g f = Id X (στην περίπτωση αυτή η απεικόνιση g είναι μοναδική και γράφουμε g = f 1 )

3 : (i) Αν υπάρχει r : Y X με r f = Id X, τότε η f είναι 1 1 Αντίστροφα, ας υποθέσουμε ότι η f είναι 1 1 Θεωρώ ένα στοιχείο x 0 X και ορίζω μια απεικόνιση r : Y X ως εξής: Αν για το y Y υπάρχει x X με y = f(x), ορίζω r(y) = x Αν για το y Y δεν υπάρχει x X με y = f(x), ορίζω r(y) = x 0 Για κάθε x X είναι (r f)(x) = r[f(x)] = x = Id X (x) (ii) Αν υπάρχει s : Y X με f s = Id Y, τότε (καθώς η f s = Id Y : Y Y είναι επί) και η f είναι επί Αντίστροφα, ας υποθέσουμε ότι η f : X Y είναι επί Ορίζω μια συνάρτηση s : Y X ως εξής: Για κάθε y Y επιλέγω ένα x X με y = f(x) και ορίζω s(y) := x Τότε για κάθε y Y είναι (f s)(y) = f[s(y)] = y = Id Y, άρα f s = Id Y (iii)αν υπάρχει g : Y X με f g = Id Y και g f = Id X, τότε η f είναι 1 1(g f : 1 1 f : 1 1) και επί (f g επί fεπί) Αντίστροφα, αν η f είναι 1 1 και επί, τότε υπάρχουν r, s : Y X με r f = Id X και f s = Id Y Ομως, για κάθε y Y είναι r(y) = r[id Y (y)] = r[(f s)(y)] = r[f[s(y)]] = (r f)[s(y)] = Id X [s(y)] = s(y) Συνεπώς, r = s : Εστω f : X Y μια απεικόνιση (i) Αν A X, τότε f(a) = {y Y : υπάρχει x A με y = f(x)} Y (ii) Αν B Y, τότε f 1 (B) = {x X : f(x) B } X Ιδιότητες: (i) αν A X τότε A f 1 [f(a)] με την ισότητα να ισχύει αν η f είναι 1 1 Πράγματι, αν a A τότε f(a) f(a) aff 1 [f(a)] : A f 1 [f(a)] Αν η f είναι 1 1 και x f 1 [f(a)] τότε f(x) f(a) και άρα f(x) = f(a), για κάποιο a A Καθώς η f είναι 1 1, έπεται ότι x = a A, f 1 [f(a)] A (ii) Για κάθε B Y είναι f[f 1 (B)] B με την ισότητα να ισχύει αν η f είναι επί Μάθημα 2 Παρατήρηση Εστω συνάρτηση f : X Y Αν A X ορίζεται η εικόνα f(a) Y ως εξής: f(a) = {y Y : υπάρχει a A με y = f(a)} Επίσης, αν B Y τότε ορίζεται η αντίστροφη εικόνα f 1 (B) X, ως εξής: f 1 (B) = {x X : f(x) B} Εχουμε δει ότι για κάθε A X είναι A f 1 [f(a)] και μάλιστα, αν η f είναι 1 1, τότε A = f 1 [f(a)] Για κάθε B Y είναι f[f 1 (B)] B και μάλιστα, αν η f είναι επί, ισχύει ότι f[f 1 (B)] = B Πράγματι, αν y f(a) τότε υπάρχει a f 1 (B) με y = f(a) Καθώς a f 1 (B), είναι f(a) B Συνεπώς, y B f[f 1 (B)] B Υποθέτοντας τώρα ότι η f ειναι επί, θεωρώ y B Τότε, υπάρχει x X με y = f(x) Για το x X είναι f(x) = y B Συνεπώς, είναι x f 1 (B) και άρα y = f(x) f[f 1 (B)], B f[f 1 (B)] Μαθηματική επαγωγή

4 A N 0 A A = N αν n A, τότε n + 1 A { B N υπάρχει ελάχιστο στοιχείο στο Β B Παραδείγματα: (i) Θέλω να δείξω ότι για κάθε n N είναι: n = 2 n+1 1 Εστω, A = {n N : n = 2 n+1 1} Είναι 0 A γιατί 2 0 = Επίσης αν υποθέσω ότι n A, τότε είναι n = 2 n+1 1 και άρα n+1 = (2 n+1 1) + 2 n+1 = 2 n+2 1 Συνεπώς, n + 1 A Ετσι, είναι A = N (ii) Θεωρώ το X = {2, 3, 4, 5, 6, } = N \ {0, 1} Ο p X λεγεται πρώτος αν δεν υπάρχουν x, y X με p = xy (πχ ο αριθμός 7 είναι πρώτος, ο 12 δεν είναι καθώς 12 = 2 6) Κάθε αριθμός x X γράφεται ως γινόμενο πρώτων αριθμών Πράγματι, μπορώ να θεωρήσω το σύνολο Y = {n : είναι φυσικός με n 2 ο οποίος δε μπορεί να γραφεί ως γινόμενο πρώτων αριθμών} Θέλω να δειξω ότι Y = Ας υποθέσουμε ότι Y Τότε το Y έχει ένα ελάχιστο στοιχείο n Ο αριθμός n δε μπορεί να είναι πρώτος Συνεπώς, μπορώ να γράψω n = xy για κάποια x, y X Καθώς είναι x, y < n, είναι x, y Y Συνεπώς μπορώ να γράψω τους x, y ως γινόμενα πρώτων Τότε όμως, ο n = xy είναι επίσης γινόμενο πρώτων, δηλαδή n Y, ΑΤΟΠΟ Πίνακες Ενας n m πίνακας A είναι ένα παράταγμα n m αριθμών (στοιχείων του R ή του C) ως εξής: a 11 a 22 a 1m A = a 21 a 22 a 2m a n1 a n2 a nm Γράφω συμβολικά ( A = ) (a ij ) i,j Αν n = m, ο πίνακας καλειται τετραγωνικός Πχ ο A = είναι ένας 2 3 πίνακας ο B = είναι ένας τετραγωνικός 2 2 πίνακας 1 4 Ενας τετραγωνικός πίνακας A = (a ij ) λέγεται άνω τριγωνικός αν a ij = 0 για i > j A = Ο n n πίνακας A = (a ij ) καλειται κάτω τριγωνικός αν a ij = 0 για i < j A = Ενας τετραγωνικός πίνακας A = a ij λέγεται διαγώνιος αν a ij = 0 για i j

5 a a A = a nn Ενας 1 m πίνακας A = (a 11 a 12 a 1m ) καλείται πίνακας -γραμμή Κάθε n m πίνακας A μπορει να γραφτεί ως r 1 r A = 2, όπου r 1, r 2,, r n είναι πίνακες -γραμμή διαστάσεων 1 m και (r i : η i γραμμή του r n A) a 11 a 21 Ενας n 1 πίνακας A = καλείται πίνακας -στήλη a n1 Κάθε n m πίνακας A μπορει να γραφεί ως A = ( c 1 c 2 c m ) = (c1, c 2,, c m ), όπου c 1, c 2,, c m είναι οι στήλες διαστάσεων n 1 του A : Θεωρώ έναν n m πίνακα A = (a ij ) Ο ανάστροφος του A είναι ο m n πίνακας A t = (b ij ), όπου b ij = ( a ji ) Πχ A =, 2 3 πίνακας A t = b 11 b 12 b 21 b 22 = a 11 a 21 a 12 a 22 = b 31 b 32 a 13 a Ειδικότερα, ο ανάστροφος ενός πίνακα-γραμμή r με διάσταση 1 m είναι ο πίνακας -στήλη r t με διάσταση m 1 Αντίστροφα, ο ανάστροφος ενός πίνακα -στήλη c είναι ο πίνακας -γραμμή c Παρατηρήσεις: r (i)αν ο A είναι ένας n m πίνακας, τότε A = 2, όπου r 1, r 2,, r n είναι οι γραμμές του A Τότε, A t = (r t 1, r t 2, r t n ), δηλαδή οι στήλες του A t ειναι οι ανάστροφοι των γραμμών του A Ομοίως μπορώ να γράψω A = (c 1 c 2 c m ) όπου c 1, c 2, c m είναι οι στήλες του A Τότε, A t = t c 1 t c 2 c m t, δηλαδή οι γραμμές του At είναι οι ανάστροφοι των στηλών του A (ii) Για κάθε n m πίνακα A, ο ανάστροφος του m n πίνακα A t είναι ο πίνακας A, δηλαδή (A t ) t = A Αν A = (a ij ), A t = (b ij ) και (A t ) t = c ij, τότε: c ij = b ji = a ij r 1 r n

6 Πχ A = ( 1 2 ) A t = (A t ) t = = A Ενας n ( n πίνακας ) A καλειται συμμετρικός αν ( A = A ) t Πχ ο A ειναι συμμετρικός, ενώ ο B = δεν είναι συμμετρικός, καθώς B t = = B Εστω R n m το σύνολο των n m πινάκων Ορίζω δυο πράξεις R n m R n m R n m και R R n m R n m, ως εξής: a 11 a 12 b 11 b 12 Αν A = (a ij ) = a 21 R n m και B = (b ij ) = b 21 R n m, τότε: a 11 + b 11 a 12 + b 12 A + B = (a ij ) + (b ij ) = a 21 + b 21 R n m και λa 11 λa 12 λa = (λa ij ) = λa 21 R n m, όπου λ R Πχ A = και B = A = R ( 1 2 ) τότε A + B = ( 2 0 ) R 2 3 και Ιδιότητες Οι πράξεις που ορίσαμε, για A, B, C R n m και λ, M R, έχουν τις εξής ιδιότητες: (i) A + (B + C) = (A + B) + C (προσεταιριστική ιδιότητα) (ii) A + B = B + A (αντιμεταθετική ιδιότητα) (iii)ο πίνακας 0 = 0 R n m ειναι έτοιμος ώστε A + 0 = A (ουδέτερο στοιχείο) (iv) αν A = (a ij ), τότε για τον πίνακα A = ( a ij ) είναι A + ( A) = 0 (ύπαρξη αντιθέτου) (v) λ(a + B) = λa + µa (επιμεριστική ιδιότητα) (vi) (λ + µ)a = λa + µa (επιμεριστική ιδιότητα) (vii)(λµ)a = λ(µa) (viii) 1 A = 1 Άλλες Ιδιότητες (i)ο πίνακας A με την ιδιότητα A + ( A) = 0 είναι μοναδικός : Εστω B R n m με A + B = 0 Θέλω να δειξω ότι B = A Είναι: B = 0 + B = [A + ( A)] + B = [( A) + A] + B = ( A) + (A + B) = A + 0 = A (ii) ( A) = A :

7 Είναι ( A) + A = A + ( A) = 0 και άρα ο A είναι ο μοναδικός πίνακας ο οποίος προστιθέμενος με τον A δίνει 0 Άρα, A = ( A) (iii) (A + B) = ( A) + ( B) : Λόγω της μοναδικότητας του αντιθέτου (i) αρκεί να δείξω ότι (A + B) + [( A) + ( B)] = 0 Ομως, (A + B) + [( A) + ( B)] = (B + A) + [( A) + ( B)] = B + [A + ( A)] + ( B) = B ( B) = B + ( B) = 0 Μάθημα 3 Ιδιότητες (i) 0 A = λ O = O, όπου 0, λ R και O, A είναι n m πίνακες : 0 A = (0 + 0)A = 0A + 0A 0A + ( 0A) = 0A + 0A + ( 0A) O = 0A + O O = 0A λ O = λ(o + O) = λo + λo λo + ( λo) = λo + λo + ( λo) O = λo + O O = λo (ii) ( λ)a = λ( A) = λa : O = 0A = [λ + ( λ)]a = λa + ( λ)a ( λ)a = λa O = λo = λ[a + ( A)] = λa + λ( A) λ( A) = λa Παράδειγμα: Θεωρώ τους 2 3 πίνακες A, B με A = και B = Τότε, A 2B = = Παρατήρηση Αν A, B είναι δύο n m πίνακες και λ R, τότε (A + B) t = A t + B t και (λa) t = λa t A = (a ij ) A t = (a ji ) B = (b ij ) B t = (b ji ) A + B = (c ij ), c ij = a ij + b ij (A + B) t ( = (d ij ), (d ij ) = ) (c ji ) = ( (a ji + b ji ) ) (A + B) t = A t + B t a11 a Πχ A = 12 a 13 b11 b, B = 12 b 13 a 21 a 22 a 23 b 21 b 22 b 23 a11 + b A + B = 11 a 12 + b 12 a 13 + b 13 a 21 + b 21 a 22 + b 22 a 23 + b 23 (A + B) t = a 11 + b 11 a 21 + b 21 a 12 + b 12 a 22 + b 22 = a 11 a 21 a 12 a 22 + b 11 b 21 b 12 b 22 = A t + B t a 13 + b 13 a 23 + b 23 a 13 a 23 b 13 b 23 λa11 λa λa = 12 λa 13 λa λa 21 λa 22 λa t = λa 11 λa 21 λa 12 λa 22 = λ a 11 a 21 a 12 a 22 = λa t 23 λa 13 λa 23 a 13 a 23 Ο n n πίνακας A καλείται αντισυμμετρικός, αν είναι A t = A Παρατήρηση Αν ο A = (a ij ) είναι αντισυμμετρικός, τότε a ii = 0 R για κάθε i = 1, 2, 3,

8 Πρόταση Για κάθε τετραγωνικό πίνακα A, υπάρχουν μοναδικοί πίνακες B, C, με τον B συμμετρικό και τον C αντισυμμετρικό, ώστε A = B + C Θεωρώ τους πίνακες B = A + At 2 και C = A At 2 Παρατηρώ ότι B + C = 1 2 (A + At ) (A At ) = 1 2A = A 2 Επίσης, είναι B t = [ 1 2 (A + At )] t = 1 2 (A + At ) t = 1 2 (At + (A t ) t ) = 1 2 (At + A) = B, ο B είναι συμμετρικός Για τον C είναι: C t = [ 1 2 (A At )] t = 1 2 (A At ) t = 1 2 (At (A t ) t ) = 1 2 (At A) = 1 2 (A At ) = C, ο C είναι αντισυμμετρικός Μοναδικότητα Εστω ότι είναι A = B 0 + C 0, όπου ο B 0 είναι συμμετρικός και ο C 0 αντισυμμετρικός Τότε: A t = (B 0 + C 0 ) t = B 0 t + C 0 t = B 0 C 0, και άρα A + A t = B 0 + C 0 + B 0 C 0 = 2B 0 B 0 = 1 2 (A + At ) Ομοίως, A A t = B 0 + C 0 B 0 + C 0 = 2C 0 C 0 = 1 2 (A At ) Άσκηση 1 10 Εστω A = Βρείτε 2 2 πίνακες B, C με τον B συμμετρικό και τον C αντισυμμετρικό 6 9 ώστε A = B + C Πολλαπλασιασμός Πινάκων Αν A ειναι ένας n m πίνακας και B ένας m k πίνακας, τότε ο πίνακας AB είναι ο n k πίνακας που ορίζεται ως εξής: Το γινόμενο μιας γραμμής του πίνακα A r = (a 1 a 2 a m ) με μια στήλη του πίνακα A c = είναι ο 1 1 πίνακας ( m a i b i ) = r c Το γινόμενο c r είναι ο m m πίνακας: b b 1 a 1 b 1 a 2 b 1 a m 1 b c r = b 2 (a 1 a 2 a m ) == 2 a 1 b 2 a 2 b 2 a m Ασφαλώς, οι πίνακες r c και b m a 1 b m a 2 b m a m c r δεν είναι ίσοι Επιπλέον, αν A είναι ένας 2 3 πίνακας και B ένας 3 4 πίνακας, τότε το γινόμενο AB ορίζεται και είναι ένας 2 4 πίνακας Ομως το γινόμενο BA δεν ορίζεται Παράδειγμα 1 0 Αν A = και B = Τότε: 0 1 b 1 b 2

9 AB = = Είναι λοιπόν, AB BA 1 1 και BA = 1 2 Παράδειγμα Αν A = και B = Τότε: A 2 = A A = = = O Επίσης ( είναι ) AB = = και BA = = = O ( ) 1 0 = Ο ταυτοτικός n n πίνακας I n ειναι ο διαγώνιος πίνακας με 1 στη διαγώνιο Αν γράψω I n = (δ ij ), τότε: { 0 1 I n = 0 0, δ 1, αν i = j ij = 0, αν i j Παρατήρηση I n A = A και A I m = A, για κάθε n m πίνακα A : Αν A = (a ij ) I n A = (ξ ij ), είναι ξ ij = n δ ik a kj = a ij και άρα I n A = 1 k=1 Αν A I m = (n ij ) τότε n ij = m a ik δ kj = a ij k=1 Ιδιότητες (i) (AB)C = A(BC), όπου A : n m πίνακας, B : m k πίνακας, C : k l πίνακας (ii) A(B + C) = AB + AC όπου A : n m πίνακας, B, C : m k πίνακας (iii) (A + B) + C = A + (B + C) (iv) (λa)b = λ(ab) ( του ) (ii:) a b e f k l A = B = C = c d g h m n a b e + k f + l a(e + k) + b(g + m) a(f + l) + b(h + n) A(B + C) = = c d g + m h + n c(e + k) + d(g + m) c(f + l) + d(h + n) ae + bg af + bh ak + bm al + bn a(e + k) + b(g + m) a(f + l) + b(h + n) AB+AC = + = ce + dg cf + dh ck + dm cl + dn c(e + k) + d(g + m) c(f + l) + d(h + n) Επομένως, ισχύει ότι A(B + C) = AB + AC Στο σύνολο των n m πινάκων, ορίζω για κάθε (i, j) με 1 i n και 1 j n τον πίνακα

10 E ij, ο οποίος έχει 1 στην i, j- θέση και 0 εκτός Πχ Στο ( σύνολο ) των 2 ( 2 πινάκων ) ορίζω E 11 =, E =, E =, E = 0 1 Παρατηρήσεις a b (i) Για τον πίνακα A = μπορώ να γράψω c d a 0 0 b A = = ae c 0 0 d 11 + be 12 + ce 21 + de 22 Γενικά, στο σύνολο των n m πινάκων, έχω ότι για κάθε A = (a ij ) ισχύει ότι: A = a ij E ij = m n a ij E ij i,j j=1 (ii) Αν i, k { {1, n} και j, l {1, m}, τότε στο σύνολο των n m πινάκων ισχύει η ισότητα E il, αν j = k E ij E kl = 0, αν j k Πχ (για 2 ( 2 πίνακες) ) E 11 E 12 = = = E E 11 E 21 = = = O Μάθημα 4 Άσκηση Αν I n = A, όπου A ένας n m πίνακας I n = (δ ij ), A = (a ij ) Ποιό είναι το στοιχείο στην (i, j) θέση του A Λύση: n δ ik a kj = δ i1 a 1j + δ i2 a 2j + + δ in a nj = δ ii a ij = 1a ij = a ij k=1 Παραδείγματα (i) Αν A είναι ένας n m πίνακας και B είναι ένας m k πίνακας, τότε είναι (AB) t = B t A t όπου B t : k m πίνακας και A t : m n πίνακας Γράφω A = (a ij ) και B = (b ij ) Θα δείξω ότι τα στοιχεία στην (i, j) θέση των (AB) t και B t A t ειναι ίσα [(i, j) θέση του (AB) t ]=[(j, i) θέση του (AB)]= m a jk b ki [(i, j) θέση του B t A t ]= m b ki a jk = m a jk b ki όπου b ki στοιχείο του B και a ji στοιχείο του A k=1 Άρα είναι (AB) t = B t A t n n 4n (ii) Να δείξω ότι = για κάθε n n 2n + 1 Το ζητούμενο ισχύει για n 0, 1, Χρησιμοποιώ επαγωγή και υποθέτω ότι n 0 και k=1 k=1

11 n n 4n = Τότε 1 3 n 2n + 1 n+1 n n 4n 1 4 = = = n 2n n 4n 4 8n + 12n 1 2n 4 + 4n = = = n 2n 1 4n + 6n + 3 n 1 2n (n + 1) 4(n + 1) = (n + 1) 2(n + 1) + 1 Άρα με βάση την αρχή της επαγωγής, έπεται ότι το ζητούμενο ισχύει για κάθε n 0 a 0 c 0 ac 0 (iii) = 0 b 0 d 0 bd Αν οι A, B ειναι διαγώνιοι πίνακες n n, τότε 0 AB είναι επίσης διαγώνιος πίνακας λ λ A = 2 0 = n λ i E ii 0 λ n µ µ B = 2 0 = n µ i E ii 0 µ n Άρα είναι AB = ( n λ i E ii )( n µ i E ii ) = (λ i E ii )(µ j E jj ) = λ i µ j E ii E jj = λ i µ j δ ij E ij = i,j i,j ij λ 1 µ λ i µ i δ ii E ii = n 0 λ λ i µ i E ii = 2 µ 2 0 i 0 λ n µ n a b d e ad ae + bz (iv) = 0 c 0 z 0 cz a b c 0 d e = h t cg ah at + bk cg + el + mc 0 k l = 0 dk dl + em 0 0 z 0 0 m 0 0 zm Γενικά αν οι A, B είναι άνω τριγωνικοί n n πίνακες, τότε ο πίνακας AB είναι επίσης άνω τριγωνικός Γράφω A = (a ij ) και B = (b ij ) Για κάθε i > j είναι a ij = b ij = 0 Για να δειξω ότι ο AB ειναι άνω τριγωνικός πρέπει να δειξω ότι για κάθε i > j το στοιχειο στην (i, j) θέση του είναι n 0 Άρα πρέπει να δείξω ότι για i > j είναι a ik b kj = 0 Άρα να δείξω ότι για i > j και κάθε k = 1, 2,, n είναι a ik b kj = 0 Αν i > k τότε a ik = 0 και άρα a ik b kj = 0 Αν i k τότε j < k και άρα b kj = 0 και άρα a ik b jk = 0 Ποιό είναι το στοιχείο στην (i, i) θέση του AB? Απάντηση n a ik b ki = ik + b ki + a ii b ii ) + k=1 k<i(a a ik b ki = a ii b ii k>i k=1

12 (v) Αν A, B είναι τετραγωνικοί πίνακες και AB = BA τότε για κάθε n N είναι A n B = BA n ( ) και (AB) n = A n B n ( ) της (*) n = 0 IB = BI, ισχύει Υποθέτω ότι n 0 και A n B = BA n και υπολογίζω: A n+1 B = AA n B = ABA n = BAA n = BA n+1 της (**) Για n = 0 πρέπει να δείξω ότι I n = I n A, ισχύει Υποθέτω ότι n 0 και (AB) n = A n B n υπολογίζω ότι: (AB) n+1 = (AB)(AB) n = ABA n B n = ( ) AA n BB n = A n+1 B n+1 (vi) Για κάθε λ R και κάθε n n πίνακα A είναι: (λi n )A = A(λI n ) Αν B είναι ένας n n πίνακας, έτσι ώστε AB = BA για κάθε n n πίνακα A τότε υπάρχει λ R λ λ 0 με B = λi n = 0 λ Γράφω B = (b ij ) = b ij E ij i,j Θεωρώ δείκτες µ, ρ με µ ρ Είναι B E µρ = E µρ B b iµ E iρ Υπολογίζω B E µρ = ( ij Είναι E µρ B = E µρ ( i,j b ij E ij )E µρ = i,j b ij E ij ) = i,j b ij E ij E µρ = i,j b ij E µρ E ij = i,j b ij δ jµ E iρ = i b ij δ ρi E µj = j b ρj E µj Συνεπώς, b iµ E iρ = b ρj E µj, δηλαδή πρέπει: i j b ρρ = b µµ και b iµ = 0 για i µ Ο n n πίνακας A καλείται αντιστρέψιμος αν υπάρχει n n πίνακας B με AB = I n = BA Παρατήρηση: Αν ο A είναι αντιστρέψιμος τότε ο πίνακας B με BA = I n = AB είναι μοναδικός (συμβολίζεται με A 1 και καλείται αντίστροφος του A) παρατήρησης: Εστω G με AG = I n = GA Τότε, G = I n G = (BA)G = B(AG) = BI n = B Παραδείγματα 1 2 a b (i) A = Ψάχνω B = με AB = I 3 7 c d 2 = BA Είναι: 1 2 a b 1 0 a 2c b 2d AB = I 2 = = 3 7 c d 0 1 3a 7c 3b + 7d a 2c = 1 a = 7 3a + 7c = 0 c = 3 b 2d = 0 b = 2 3b + 7d = 1 d = Άρα αν υπάρχει ο Β, είναι B =

13 Μένει να δείξω ( ότι BA ) = ( I 2 Πράγματι: ) = = = I Συνεπώς, ο A είναι αντιστρέψιμος και μάλιστα A 1 = a b (ii) A = Ψάχνω να βρω B = με AB = I 5 10 c d 2 = BA Είναι: 1 2 a b 1 0 a + 2c b + 2d AB = I 2 = = 5 10 c d 0 1 5a + 10c 5b + 10d a + 2c = 1 b + 2d = 0 Αν a + 2c = 1, τότε 5a + 10c = 5(a + 2c) = 5 0 Συνεπώς δεν υπάρχει 5a + 10c = 0 5b + 10d = 1 τέτοιος B και άρα ο A δεν είναι αντιστρέψιμος λ λ (iii) Ο πίνακας A = 2 0 = n λ i E ii είναι αντιστρέψιμος, αν και μόνο αν λ i 0 0 λ n 1 λ για κάθε i Στην περίπτωση αυτή, είναι A 1 0 λ λ n Υποθέτοντας ότι λ i 0 για κάθε i μπορώ να θεωρήσω τον διαγώνιο πίνακα 1 λ λ B = 2 0 = n λ 1 i E ii 1 0 λ n 1 λ 1 λ λ Υπολογίζω AB = 2 λ 2 0 = = I n και όμοια είναι 1 0 λ n λ n 0 1 BA = I n Άρα ο A είναι αντιστρέψιμος και A 1 = B Αντίστροφα, ας υποθέσουμε ότι ο A είναι αντιστρέψιμος Αν λ i = 0, τότε: b λ 2 0 b λ n b n Για τον ίδιο λόγο, είναι λ i 0 για κάθε i = 1, 2,, n (iv) Εστω A ένας n n πίνακας με A k = 0 για κάποιο k N Τότε ο I n A είναι αντιστρέψιμος και (I n A) 1 = I n + A + A 2 + A k 1 Πράγματι, μπορώ να υπολογίσω: (I n A)(I n + A + A A k 1 ) = I n + A + + A k 1 (A + A A k ) = I n A k = I n και (I n + A + + A k 1 )(I n A) = I n + A + + A k 1 (A + A A k ) = I n A k = I n

14 Μάθημα 5 Ιδιότητες Εστω A, B δύο αντιστρέψιμοι n n πίνακες (i) ο A 1 είναι αντιστρέψιμος και (A 1 ) 1 = A (ii)ο AB είναι αντιστρέψιμος και (AB) 1 = B 1 A 1 (iii) αν λ R, τότε ο λa είναι αντιστρέψιμος και (λa) 1 = λ 1 A 1 (iv)ο A t είναι αντιστρέψιμος και (A t ) 1 = (A 1 ) t : (i) Γνωρίζουμε ότι AA 1 = I n = A 1 A Άρα υπάρχει ο (A 1 ) 1 και είναι (A 1 ) 1 = A (ii) Υπολογίζω ABB 1 A 1 = A I n A 1 = AA 1 = I n B 1 A 1 AB = B 1 I n B = B 1 B = I n Άρα υπάρχει ο (AB) 1 και είναι ίσος με B 1 A 1 (iii) Υπολογίζω (λa)(λ 1 A 1 ) = λλ 1 AA 1 = 1 I n = I n (λ 1 A 1 )(λa) = λ 1 λa 1 A = 1 I n = I n Συνεπώς, ο λa είναι αντιστρέψιμος και (λa) 1 = λ 1 A 1 (iv) Η σχέση AA 1 = I n δίνει (A 1 ) t A t = (AA 1 ) t = I n t = I n Ομοίως η σχέση A 1 A = I n δίνει A t (A 1 ) t = (A 1 A) t = I n t = I n Συνεπώς ο A t είναι αντιστρέψιμος και (A t ) 1 = (A 1 ) t Παράδειγμα Εστω A ένας n m πίνακας και B ένας m n πίνακας ώστε ο I n AB ειναι αντιστρέψιμος Τότε ο πίνακας I m BA είναι αντιστρέψιμος και μάλιστα: (I m BA) = I m + B(I n AB) 1 A Εστω G = (I n AB) 1 Τότε είναι G(I n AB) = I n και (I n AB)G = I n, δηλαδή G GAB = I n ( ) και G ABC = I n ( ) Για να δείξω ότι (I m BA) 1 = I m + BGA, αρκεί να δείξω ότι (I m BA)(I m + BGA) = I m = (I m + BGA)(I m BA) Υπολογίζω: (I m BA)(I m + BGA) = I m + BGA BA BABGA = = I m + BGA BA B(G I n )A(από( )) = I m + BGA BA BGA + BI n A = = I m BA + BA = I m Ομοίως είναι: (I m + BGA)(I m BA) = I m BA + BGA BGABA = = I m BA + BGA B(G I n )A = I m BA + BGA BGA + BI n A = = I m BA + BA = I m (1 x) 1 = 1 + x + x 2 + (I AB) 1 = I + AB + BABA + BABABA + Ψάχνω τον (I BA) 1 = I + BA + BABA + BABABA + = I + B(A + ABA + ABABA + ) = I + B(I + AB + ABAB + )A = I + B(I AB) 1 A Γραμμικά Συστήματα Ενα { γραμμικό σύστημα } 2 εξισώσεων με 3 αγνώστους είναι της μορφής: αx1 + βx 2 + γx 3 = δ, όπου α,β,γ,δ,ε,ζ,η,θ R ɛx 1 + ζx 2 + ηx 3 = θ

15 α β γ Ο 2 3 πίνακας καλείται πίνακας των συντελεστών του συστήματος ɛ ζ η ( ) α β γ δ Ο 2 4 πίνακας καλειται επαυξημένος πίνακας του συστήματος ɛ ζ η θ Ο πίνακας των αγνώστων είναι ο x 1 x 2 x 3 Μπορώ να γράψω το σύστημα ως εξής: α β γ x ( 1 x ɛ ζ η 2 δ = θ) x 3 Γενικά, ένα γραμμικό σύστημα n εξισώσεων με m αγνώστους: a 11 x 1 + a 12 x 2 + a 13 x a 1m x m = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + a 23 x a 2m x m = b 2 a n1 x 1 + a n2 x 2 + a n3 x a nm x m = b n μπορεί να γραφεί ισοδύναμα ως εξής: a 11 a 12 a 13 a 1m x 1 b 1 a 21 a 22 a 23 a 2m x 2 = b 2 δηλαδή ως Ax = b, με A τον πίνακα των συντελεστών και b τον πίνακα των σταθερών a n1 a n2 a n3 a nm x n b n όρων Πρόβλημα c Βρες λύσεις του συστήματος A 2 = b c m c 1 Αν b 1 = b 2 = = c m = 0 (αν δηλαδή b = 0, ως n 1 πίνακας) το γραμμικό σύστημα καλείται ομογενές Η μηδενική (ή τετριμένη) λύση ενός ομογενούς συστήματος είναι αυτή για την οποία c 1 = c 2 = = c m = 0 Παρατήρηση Εστω A ένας n m πίνακας, b ένας n 1 πίνακας και E ένας n n πίνακας Τότε: (i) κάθε λύση του συστήματος Ax = b ειναι λύση του συστήματος (EA)x = Eb (ii) αν ο E είναι αντιστρέψιμος, τότε τα συστήματα Ax = b και (EA)x = Eb έχουν τις ίδιες λύσεις (είναι ισοδύναμα) Στόχος: Για να λύσω το σύστημα Ax = b, επιλέγω κατάλληλα τον αντιστρέψιμο πίνακα E, έτσι ώστε το ισοδύναμο σύστημα (EA)X = Eb να είναι απλό

16 λ λ Πχ Αν υπάρχει αντιστρέψιμος E ώστε ο EA = 2 0, τότε το σύστημα 0 λ n (EA)x = Eb είναι ακριβώς το: λ x 1 λ 1 x 1 0 λ 2 0 x 2 = Eb λ 2 x 2 = Eb 0 λ n x n λ n x n : (i) Αν c είναι μια λύση του Ax = b, είναι Ac = b και άρα (EA)c = E(Ac) = Eb Συνεπώς το c είναι μια λύση του συστήματος (EA)x = Eb (ii) Αν ο E είναι αντιστρέψιμος, τότε μια λύση του (EA)x = Eb είναι λύση του E 1 (EA)x = E 1 (Eb), δηλαδή του Ax = b Μέθοδος απαλοιφής του Gauss r Εστω A ένας n m πίνακας Μπορώ να γράψω A = 2, όπου r 1, r 2,, r n είναι οι γραμμές r n του 1 m πίνακα : Στοιχειώδεις μετασχηματισμοί γραμμών του A (στοιχειώδεις γραμμοπράξεις) τύπου Ι: Διαλέγω λ R και i {1, 2,, n} και αντικαθιστώ την r i με το λr i : r i 1 r i 1 A = r i λr i r i+1 r i+1 τύπου ΙΙ: Διαλέγω i, j {1, 2,, n} με i j και λ R και αντικαθιστώ την r i με το r i + λr j : r A = i r i + λr j r j r j τύπου ΙΙΙ: Επιλέγω δείκτες i, j {1, 2,, n} με i j και εναλλάσσω τις γραμμές r i και r j : r i r j A = r j r i Δύο n m πίνακες A, B καλούνται γραμμοϊσοδύναμοι αν μπορώ να λάβω τον B από τον A μέσω μιας πεπερασμένης επαλληλίας στοιχειωδών μετασχηματισμών γραμμών r 1

17 Ο n m πίνακας B είναι κλιμακωτός αν: (i) το πρώτο μη μηδενικό στοιχείο κάθε μη-μηδενικής γραμμής είναι 1 (ii)αν η γραμμή r i είναι μηδενική, τότε r i = r i+1 = = r n = 0 (iii)αν i < i και το πρώτο μη-μηδενικό στοιχείο της r i (αντίστοιχα της r i ) ειναι στη θέση j (αντίστοιχα j ), τότε j < j Αν επιπλέον το πρώτο μη-μηδενικό στοιχειο μιας γραμμής είναι το μοναδικό μη-μηδενικό στοιχείο της στήλης τότε λέμε ότι ο B είναι σε ανηγμένη κλιμακωτή μορφή Παραδείγματα Ο 4 5 πίνακας B = είναι κλιμακωτός Ο 4 5 πίνακας G = είναι ανηγμένος κλιμακωτός x Το γραμμικό σύστημα Gx = b, δηλαδή το x x 3 x = x 5 x 1 + 2x 2 + 6x 5 = b 1 x 3 + 7x 5 = b 2 είναι απλό x 4 = b 3 0 = b 4 Αν b 4 = 0, τότε οι λύσεις είναι της μορφής: x 1 = b 1 2x 2 6x 5 x 3 = b 2 7x 5 x 4 = b 3 όπου x 2, x 5 R b 1 b 2 b 3 b 4 Θεώρημα (απαλοιφής του Gauss): Κάθε n m πίνακας A είναι γραμμοϊσοδύναμος με έναν ανοιγμένο κλιμακωτό πίνακα B Παράδειγμα A = r1 r r2 r 2 2r r3 r 3 3r r r r1 r 1 +r 3,r 2 r 2 2r r1 r 1 4r Μάθημα 6

18 Γραμμοϊσοδυναμία Ανοιγμένη κλιμακωτή μορφή Στοιχειώδεις πίνακες: Προκύπτουν από τον I n εφαρμόζοντας κάποια στοιχειώδη γραμμοπράξη τύπου Ι: Για λ 0: D(i, λ) = = I λ n + (λ 1)E ii 1 τύπου ΙΙ: Επιλέγω i, j και λ R : M(i, j, λ) = I n + λe ij τύπου ΙΙΙ: E(i, j), πχ E(1, 3) = και E(1, 2) = Πρόταση Οι στοιχειώδεις πίνακες είναι αντιστρέψιμοι Μάλιστα είναι: D(i, λ) 1 = D(i, λ 1 ), M(i, j, λ) 1 = M(i, j, λ) και E(i, j) 1 = E(i, j) : Υπολογίζω D(i, λ)d(i, λ ) = λ λ = I λ λ 1 n και D(i, λ 1 )D(i, λ) = = I n 1 Άρα ο D(i, λ) είναι αντιστρέψιμος και D(i, λ) 1 = D(i, λ 1 ) = M(i, j, λ)m(i, j, λ) = (I n + λe ij )(I n λe ij ) = = I n λe ij + λe ij I n λ 2 E ij E ij = I n λ 2 E ij E ij = I n και ομοίως M(i, j, λ)m(i, j, λ) = I n Άρα ο M(i, j, λ) είναι ( αντιστρέψιμος ) και M(i, ( j, ) λ) 1 = M(i, j, λ) Πχ E(1, 2)E(1, 2) = = = I Γενικά, E(i, j)e(i, j) = I n Πρόταση Κάθε στοιχειώδης γραμμοπράξη οδηγεί από ένα πίνακα A στον πίνακα EA, για κάποιον κατάλληλο

19 στοιχειώδη πίνακα τύπου Ι: D(i, λ)a Ο πίνακας D(i, λ)a προκύπτει από τον A μέσω της πράξης r i λr i τύπου ΙΙ: 1 λ 0 0 a 11 a a E(1, 2, λ)a = a = a 11 + λa 21 a 12 + λa 12 a 1m + λa 2m a 21 a 22 a 2m = a 31 a 32 a 3m a n1 a n2 a nm Άρα ο πίνακας M(1, 2, λ)a προκύπτει από τον A μέσω της στοιχειώδους γραμμοπράξης r 1 r 1 + λr r 1 r r 2 r τύπου ΙΙΙ: E(1, 2)A = r = 1 r r n r n Συνεπώς ο πίνακας E(1, 2)A προκύπτει από τον A μέσω της πράξης r 1 r 2 Πρόταση Εστω A, B δύο n m πίνακες Τότε οι A, B είναι γραμμοϊσοδύναμοι ανν υπάρχει k N και στοιχειώδες n n E 1 E 2 E k ώστε B = E k E 2 E 1 A [ ] Μπορώ να εφαρμόσω διαδοχικά στοιχειώδεις γραμμοπράξεις ώστε να μετασχηματίσω τον A στον B A = A 0 A 1 A 2 A k 1 A k = B Από το προηγούμενο, υπάρχουν στοιχειώδεις πίνακες E 1, E 2,, E k ώστε: A 1 = E 1 A 0 A 2 = E 2 A 1 A k = E k A k 1 Άρα A k = E k A k 1 = E k E k 1 A k 2 = = E k Ek 1 E 2 E 1 A 0, δηλαδή B = E k E k 1 E 2 E 1 A [ ] Μπορώ να μετασχηματίσω τον A στον B κάνοντας ακριβώς k βήματα ως εξής: A E 1 A E 2 E 1 A E k E 2 E 1 A = B Άρα οι A και B είναι γραμμοϊσοδύναμοι Πρόταση Η γραμμοϊσοδυναμία είναι μια σχέση ισοδυναμίας στο σύνολο των n n πινάκων

20 : Ανακλαστική και συμμετρική ιδιότητα: Αν ο A είναι γραμμοϊσοδύναμος με τον B, μπορώ να βρω k N και στοιχειώδεις πίνακες E 1, E 2,, E k ώστε B = E k E 2 E 1 A Τότε, A = (E k E 2 E 1 ) 1 B = E 1 1 E 2 1 E k 1 B Άρα ο B είναι γραμμοϊσοδύναμος με τον A Μεταβατική ιδιότητα: Ο A είναι γραμμοϊσοδύναμος με τον B και ο B με τον C Συνεπώς μπορώ να γράψω B = E k E 1 A και G = E k+λ E k+1 B για κάποιο k, λ N και στοιχειώδεις πίνακες E 1, E 2,, E k, E k+1,, E k+λ Συνεπώς, G = E k+λ E k+1 E k E 1 A και άρα ο A είναι γραμμοϊσοδύναμος με τον G Πόρισμα Για κάθε n m πίνακα A υπάρχει k N και στοιχειώδεις πίνακες E 1, E 2,, E k τέτοιοι ώστε ο πίνακας E k E 2 E 1 είναι σε ανηγμένη κλιμακωτή μορφή Πρόταση Οι επόμενες συνθήκες είναι ισοδύναμες για έναν n n πίνακα A: (i) ο A είναι αντιστρέψιμος (ii) ο A είναι γραμμοϊσοδύναμος με τον I n (iii) ο A είναι γινόμενο στοιχειωδών πινάκων : (i) (ii) Γνωρίζουμε ότι υπάρχει k N και στοιχειώδεις πίνακες E 1, E 2,, E k ώστε ο B = E k E 2 E 1 A να είναι σε ανηγμένη κλιμακωτή μορφή Καθώς οι πίνακες A, E 1, E 2,, E k είναι αντιστρέψιμοι, το ίδιο ισχύει για το γινόμενο B = E k E 2 E 1 A Συνεπώς, ο B δεν έχει καμία μηδενική γραμμή Άρα B = I n, δηλαδή ο A είναι γραμμοϊσοδύναμος με τον I n (ii) (iii) Γνωρίζουμε ότι (καθώς ο I n είναι γραμμοϊσοδύναμος με τον A) υπάχει k N και στοιχειώδεις πίνακες E 1, E 2,, E k με A = E k E 2 E 1 I n = E k E 2 E 1 (iii) (i) Αυτό ειναι προφανές, καθώς οι στοιχειώδεις πίνακες είναι αντιστρέψιμοι και το γινόμενο αντιστρέψιμων πινάκων είναι αντιστρέψιμος Επίλυση γραμμικών συστημάτων Παραδείγματα x 1 + x 2 x 3 x 4 = 6 (i) x 1 x 2 x 3 + x 4 = 0 x 1 x 3 = 12 Θεωρώ τον επαυξημένο πίνακα: Το ισοδύναμο σύστημα εξισώσεων είναι το εξής:

21 x 1 + 0x 2 x 3 + 0x 4 = 0 0x 1 + x 2 + 0x 3 x 4 = 0 ΑΣΥΜΒΙΒΑΣΤΟ! 0x 1 + 0x 2 + 0x 3 + 0x 4 = 1 x 1 + 2x 2 x 3 + 2x 4 = 4 (ii) x 1 + x 2 + 3x 3 x 4 = 2 2x 1 x 2 + x 3 x 4 = 1 Ο επαυξημένος πίνακας είναι ο εξής: Το αντίστοιχο γραμμικό σύστημα είναι το εξής: x x x 1 = 21 2 x 4 = x 2 = 32 39x x x 57 4 = x 3 = x 3 10x 19 4 = x x 4 R Παράδειγμα Μάθημα 7 x 1 + x 2 2x 3 + x 4 + 3x 5 = 1 2x 1 x 2 + 2x 3 + 2x 4 + 6x 5 = 2 3x 1 + 2x 2 4x 3 3x 4 9x 5 = 3 Θεωρώ τον επαυξημένο πίνακα: Συνεπώς το αρχικό σύστημα είναι ισοδύναμο με το:

22 x 1 = 1 x 1 = 1 x 2 2x 3 = 0 x 2 = 2x 3, όπου x 3, x 5 είναι ελεύθερες μεταβλητές x 4 + 3x 5 = 0 x 4 = 3x 5 Παρατήρηση Εστω A ένας n n πίνακας, ο οποίος είναι αντιστρέψιμος Γνωρίζουμε ότι ο A είναι γραμμοϊσοδύναμος με τον I n Συνεπώς υπάρχει k N και στοιχειώδεις πίνακες E 1, E 2,, E k ώστε I N = E k E 2 E 1 A Συνεπώς είναι I n A 1 = E k E 2 E 1 AA 1, δηλαδή A 1 = E k E 2 E 1 = E k E 2 E 1 I n Άρα μπορώ να υπολογίσω τον A 1 ξεκινώντας από τον I n, αν εφαρμόσω την ίδια ακολουθία γραμμοπράξεων που οδηγεί από τον A στον I n Παράδειγμα Να υπολογιστεί ο A 1 (αν υπάρχει) του A = Θεωρώ τον (AI 3 ) = = (I 3A 1 ) Συνεπώς A 1 = R n n = {n nπραγματικοί πίνακες} r 1 Ορίζουσες r Αν A R n n γράφω A = 2 όπου r i ειναι η i γραμμή του πίνακα r n Μια οριζουσα απεικόνιση D : R n n R είναι μια απεικόνιση που ικανοποιεί τις εξής ιδιότητες:

23 r 1 r 1 (i) Αν A = r i + r i και B = r i, C = r i, τότε D(A) = D(B) + D(C) r n r n r n r 1 (ii) Αν A = λr i και = r i, τότε D(A) = λd( ) r n (iii) Αν δυο γραμμές του A είναι ίσες τότε D(A) = 0 (iv) D(I n ) = 1 r 1 r n Παραδείγματα (i) n = 1 D(a) = ( ad(1) ) = ad(i 1 ) = a a b (ii) για n = 2 D = ad bc c d Αυτή η απεικόνιση ικανοποιεί τις ιδιότητες (i), (ii), (iii), (iv) του ορισμού r Για την (iv): D(I 2 ) = D = = a b Για την (iii): D = a b b a = 0 a b a1 + a Για την (i): Αν A = 2 b 1 + b 2 a1 b, B = D 1 a2 b και C = 2, τότε: c d c d c d D(A) = (a 1 + a 2 )d ((b 1 + b 2 )c) = (a 1 d b 1 ( c) + (a) 2 d b 2 c) = D(B) + D(C) λa λb Για την (ii): Αν A = a και A c d b =, τότε: c d D(A) = (λa )d (λb )c = λ(a d b c) = λd(a ) Πως μεταβάλλεται το D(A) αν εφαρμόσω στον A μια στοιχειώδη γραμμοπράξη τύπου Ι: r i λr i Αν ο B προκύπτει από τον A μέσω του μετασηματισμού r i λr i, τότε D(B) = λd(a) (από την ιδιότητα (ii) του ορισμού) τύπου ΙΙ: r i r i + λr j για i j r i + λr j Αν ο B προκύπτει από τον A μέσω του μετασηματισμού r i r i +λr j, τότε D(B) = D r i λr j r i D + D = (ii) D(A) + λd = (iii) D(A) λ 0 = D(A) r j r j r j r j = (i)

24 τύπου ΙΙΙ: r i r j Αν ο B προκύπτει από τον A μέσω του μετασηματισμού r i r j, τότε D(B) = D(A) Πράγματι, είναι: r i + r j r i r j 0 = (iii) = (i) D + D = (i) r i + r j r i + r j r i + r j r i r i r j r j = D + D + D + D = (iii) D(A) + D(B) r i r j r i r j Άρα, D(B) = D(A) Πόρισμα Εστω A, B R n n και D μια ορίζουσα απεικόνιση Αν ο B προκύπτει από τον A μέσω μιας στοιχειώδους γραμμοπράξης τότε D(A) = 0 D(B) = 0 : τύπου Ι: Για κάποιο λ R είναι D(B) = λd(a) τύπου ΙΙ: D(B) = D(A) τύπου ΙΙΙ: D(B) = D(A) Πόρισμα Αν οι A, B R n n είναι γραμμοϊσοδύναμοι, και 0 είναι μια απεικόνιση ορίζουσας, τότε D(A) = 0 D(B) = 0 : Γνωρίζουμε ότι υπάρχει k N και πίνακες A 0, A 1,, A k R n n, με A 0 = A 1 A k = B έτσι ώστε ο A i+1 να προκύπτει από τον A i μέσω ενός στοιχειώδους μετασχηματισμού γραμμών Από το παραπάνω πόρισμα, είναι: D(A 0 ) = 0 D(A 1 ) = 0 D(A 2 ) = 0 D(A k ) = 0 Πρόταση Αν A R n n και D είναι μια απεικόνιση ορίζουσας, τότε D(A) 0 ο A είναι αντιστρέψιμος : [ ] Γνωρίζω ότι ο A είναι γραμμοϊσοδύναμος με έναν B R n n, ο οποίος έχει ανηγμένη κλιμακωτή μορφή Καθώς D(A) 0, έπεται ότι D(B) 0 Αν ο B έχει μηδενική n οστή γραμμή, τότε D(B) = (ii) 0D(B) = 0, άτοπο Συνεπώς ο B δεν έχει καμία μηδενική γραμμή Άρα B = I n Καθώς ο A είναι γραμμοϊσοδύναμος με τον I n, αυτός είναι αντιστρέψιμος [ ] Αν ο A είναι αντιστρέψιμος, τότε ο A είναι γραμμοϊσοδύναμος με τον I n Καθώς D(I n ) = 1 0 (από ιδιότητα (iv) του ορισμού), έπεται ότι D(A) 0 Στόχος

25 Υπαρξη D (για κάθε n) Μοναδικότητα D (για κάθε n) Υπαρξη ορίζουσας απεικόνισης: Χρησιμοποιώ επαγωγή στο n n = 1 : D 1 (a) ( = a) a b n = 2 : D 2 = ad bc (ισχύουν οι ιδιότητες (i)-(iv) του ορισμού) c d Γενικά, υποθέτοντας ότι D n 1 : R (n 1) (n 1) R είναι μια απεικόνιση ορίζουσας, ορίζουμε την D n : R n n R ως εξής: Θεωρώ τον n n πίνακα A = (a ij ) και για κάθε δείκτες i, j ορίζω A ij τον (n 1) (n 1) πίνακα ο οποίος προκύπτει από τον A διαγράφοντας την i γραμμή και την j στήλη Με τον συμβολισμό αυτό ορίζω D n (A) = n ( 1) i+1 a i1 D n 1 (A i1 ) Πχ n = 2 a b D 2 = = ( 1) c d 1+1 ad 1 (d) + ( 1) 2+1 cd 1 (b) = ad bc n = 3 D 3 a b c d e f e f b c b c = ( 1) 1+1 ad 2 + ( 1) h k 2+1 dd 2 h k + ( 1) 3+1gD 2 = e f g h k = a(ek fh) d(bk ch) + g(bf ce) = aek afh dbk + dch + gbf gce Μάθημα 8 Αν D n 1 : R (n 1) (n 1) R ειναι μια απεικόνιση ορίζουσας, τότε ορίζουμε D n : R n n R ως εξής: D n (A) = n ( 1) i+1 a i1 D n 1 (A i1 ) i 1 Ισχυρισμός: Η απεικόνιση D n ειναι μια απεικόνιση ορίζουσας Πχ D = 1 D 2 4D D = = 1 ( ) 4( ) + 7( ) Ι ιδιότητα Ορισμού: Υποθέτω ότι A R n n με A = (a ij ) και r 1 = r + r, (δηλαδή (a 11 a 1n ) = (a 11a 12 + a 1n) + (a 11 + a 12 + a 1n)) r Θεωρώ A = r 2 και A = r 2, A = r 2 r n r r n Υπολογίζω D(A) = n ( 1) i+1 a i1 D(A ij ) = a 11 + D(A 11 ) + n ( 1) i+1 a i1 D(A i1 ) = = a 11D(A 11 ) + a 11D(A 11 ) + n ( 1) i+1 a i1 (D(A i1) + D(A i1)) = i=2 r 1 r n i=2

26 = a 11D(A 11) + a 11D(A 11) + n ( 1) i+1 a i1 D(A i1) + n ( 1) i+1 a i1 D(A = D(A ) + D(A ) i=2 i=2 i1) = ΙΙ ιδιότητα Ορισμού: r 1 r r A = 2, r 1 = r a 11 a 12 a 1n, r = b11 b 12 b 1n, B = 2, r 1 = λr r n r n Υπολογίζω: D(A) = n ( 1) i+1 a i1 D(A i1 ) = a 11 D(A 11 ) + n ( 1) i+1 a i1 D(A i1 ) = = λb 11 D(B 11 ) + n ( 1) i+1 b i1 λd(b i1 ) = λ[b 11 D(B 11 ) + n ( 1) i+1 b i1 D(B i1 )] = λd(b) i=2 ΙΙΙ ιδιότητα Ορισμού: r 1 r A = 2, r 1 = r 2 r n Από τον ορισμό του D είναι: D(A) = n ( 1) i+1 a i1 D(A i1 ) = a 11 D(A 11 ) D(A 21 ) + n ( 1) i+1 a 11 D(A i1 ) = = n ( 1) i+1 a i1 D(A i1 ) = 0 i=3 IV ιδιότητα Ορισμού: D n (I n ) = 1 D n 1 (I n 1) = D n 1 (I n 1) = 1 Στόχος: μοναδικότητα της ορίζουσας απεικόνισης D i=2 X: μη κενό σύνολο F : X X Αν f, g : X X μπορώ να ορίσω τηνfog : X X με (fog)(x) = f(g(x)) για κάθε x X Γνωρίζουμε ότι αν f, g : X X είναι 1 1 συναρτήσεις, τότε η fog ειναι επίσης 1 1 Ομοίως, αν f, g : X X επί, τότε η fog ειναι επίσης επί Συνεπώς, αν f, g : X X είναι 1 1 και επί, τότε η fog είναι επίσης 1 1 και επί S X = {f : X X η f 1 1 και επί} Συνεπώς, αν f και g S X τότε fog S X Το σύνολο S X αν X = {1, 2,, n} συμβολίζεται με S n και ονομάζεται σύνολο μεταθέσεων σε n σύμβολα Τα στοιχεία σ S n καλούνται μεταθέσεις σε n σύμβολα Μια μετάθεση σ S n καλείται αντιμετάθεση αν υπάρχουν i, j {1,, n} με i j, σ(i) = j, σ(j) = i και σ(k) = k για k i, j i=2 i=3

27 Μια μετάθεση σε S n καλείται κύκλος μήκους και αν υπάρχει {i 1, i 2,, i k } {1, 2,, n} ώστε σ(i 1 ) = i 2, σ(i 2 ) = i 3, σ(i k 1 ) = i k, σ(i k ) = i 1 και σ(j) = j αν j / {i 1, i 2,, i k } Παρατήρηση 1 Ενας κύκλος μήκους 2 είναι ακριβώς μια αντιμετάθεση Παρατηρήσεις 2 (i) Κάθε μετάθεση είναι σύνολο κύκλων: i, σ(i), σ 2 (i), σ 3 (i),, σ k (i) = σ λ (i), k < λ Είναι i = σ λ k (i) (ii)κάθε κύκλος είναι σύνθεση αντιμεταθέσεων Πχ σ S n σ(1) = 2, σ(2) = 3, σ(3) = 1, σ(i) = i για i 4 σ 1, σ 2 S n σ 1 (1) = 3 σ 1 (3) = 1 σ 1 (i) = iγια i 1, 3 σ 2 (1) = 2 σ 2 (2) = 1 σ 2 (i) = i για i 1, 2 σ 2 oσ 1 : 1 σ2 2 σ1 2 2 σ2 1 σ1 3 3 σ2 3 σ1 1 i σ2 i σ1 i για (i 4) (iii) Κάθε αντιμετάθεση σ S n μπορει να γραφεί ως σύνθεση αντιμεταθέσεων Πρόταση Εστω D 1, D 2 : R n n R δυο απεικονίσεις ορίζουσας Τότε D 1 = D 2 Θα δείξω ότι η συνάρτηση D = D 1 D 2 : R n n R με D(A) = D 1 (A) D 2 (A) είναι η μηδενική συνάρτηση Η συνάρτηση D ικανοποιεί τις ιδιότητες (i),(ii),(iii) στον ορισμό των οριζουσών Συνεπώς, όπως έχουμε δει είναι D(A) = D(B) αν ο B προκύπτει από τον A μέσω ενός στοιχειώδους μετασχηματισμού γραμμών τύπου ΙΙ Θεωρώ A = (a ij ) R n n Για κάθε i = 1,, n γράφω r i = (a i1 a i2 a in ) και r i = a i1 (1 0 0) + a i2 (0 1 0) + + a in (0 0 1) = a i1 e 1 + a i2 e a in e n = a ij e j j a 1j e j r 1 j a 2j e j Συνεπώς είναι A = Άρα D(A) = j 1 j 2 j n r 2 r n a 1j1 D = j a nj e j e j1 r j r n j = j 1 e j1 e j2 a 1j1 a 2j2 D r 3 j 2 = = r n e j1 e j2 = a 1j1 a 2j2 a njn D j 1 (nn όροι) e jn

28 e j1 e j2 Αν κάποιο j a ισούται με κάποιο j 2, τότε D = = 0 e jn Αν j a j b για a b, είναι {j 1, j 2,, j n } = {1, 2,, n} Άρα η αντιστοιχία k j k είναι μια μετάθεση σε n σύμβολα Συνεπώς η k j k είναι σύνθεση m αντιμεταθέσεων (για κάποιο m) e j1 e j2 Ετσι λοιπόν D = ( 1)n D e jn Τελικά ειναι D(A) = 0 e 1 e 2 e n = ( 1)m D(I n ) = ( 1) m [D 1 (I n ) D 2 (I n )] = 0 Μάθημα 9 Υπαρξη - μοναδικότητα ορίζουσας det : R n n R a b det = ad bc c d det(a) = n ( 1) i+1 a i1 det(a i1 ) Παρατηρήσεις: (i)είδαμε στην απόδειξη της μοναδικότητας της det, ότι e j1 e j2 det(a) = a 1j1 a 2j2 a njn det = a 1σ(1) a 2σ(2) a nσ(n) det σ S n = ±a 1σ(1) a 2σ(2) a nσ(n) det σ S n e jn e 1 e 2 e n = ±a 1σ(1) a 2σ(2) a nσ(n) σ S n e σ(1) e σ(2) e σ(n) = (ii)η απεικόνιση A n ( 1) i+2 a i2 det(a i2 ) έχει επίσης τις ιδιότητες της det Λόγω μοναδικότη- τας της ορίζουσας είναι det(a) = n ( 1) i+2 a i2 det(a i2 ) Πιο γενικά, για κάθε j {1, 2,, n} είναι det(a) = n ( 1) i+1 a ij det(a ij ) (ανάπτυγμα κατά Laplace της ορίζουσας ως προς τη j στήλη) (iii)η οριζουσα ενός A R n n του οποίου δυο στήλες είναι ίσες, είναι 0 Γράφω A = (c 1 c 2 c n ) με c 1, c 2,, c n τις στήλες του Υπάρχουν j, j {1, 2,, n} με j j και c j = c j Θέλω να δείξω ( ότι ) det(a) = 0 Χρησιμοποιώ επαγωγή στο n a a n = 2 A = det(a) = ac ac = 0 c c Επαγωγικό βήμα n > 2: Επιλέγω j {1, 2,, n} με j j, j Αναπτύσσοντας κατά Laplace ως προς τη j στήλη, έχω: det(a) = n ( 1) i+j a ij det(a ij ) = n ( 1) i+j a ij 0 = 0 (ο Α έχει δυο στήλες ίσες) (iv)αν Α είναι ένας τριγωνικός πίνακας τότε det(a) = a 11 a 22 a nn

29 Επαγωγή ως προς n: Για n = 1 ισχύει Επαγωγικό βήμα: Υποθέτω ότι το ζητούμενο ισχύει για (n 1) (n 1) τριγωνικούς πίνακες (όπου n 2) και θεωρώ έναν τριγωνικό n n πίνακα A = (a ij ) Υποθέτω ότι a ij = 0 αν i > j Αναπτύσσοντας ως προς την πρώτη στήλη είναι: det(a) = ( 1) 1+1 a 11 det(a 11 ) + ( 1) 2+1 a 21 det(a 21 ) + + ( 1) n+1 a n1 det(a n1 ) = = ( 1) 1+1 a 11 det(a 11 ) ο οποίος είναι ένας άνω τριγωνικός (n 1) (n 1) πίνακας = ( 1) 1+1 a 11 (a 22 a nn ) = a 11 a 22 a nn Υποθέτω ότι a ij = 0 αν i < j Αναπτύσσοντας ως προς τη n οστή στήλη, είναι: det(a) = n ( 1) i+n a in det(a in ) = n 1 ( 1) i+n a in det(a in ) + ( 1) n+n a nn det(a nn ) = = ( 1) n+n a nn (a 11 a 22 a n 1 a n 1 ) = a 11 a 22 a nn Παραδείγματα (i) A = (a), ( det(a) ) = a 0 a (ii) A =, det(a) = ab b c (iii) A = 0 0 a 0 b c 0 a, det(a) = d det = d( ab) = abd b c d e z a (iv) A = 0 0 b c 0 d e z, det(a) = ( n)det 0 0 a 0 b c = ( n)d( ab) = abdn d e z n t i k A = (a ij ) R n n Ορίζω B = adja R n n τον προσαρτημένο πίνακα του Α ως εξής: B = (b ij ), b ij = ( 1) i+1 det(a ji ) Πχ A = R adj(a) = det(a 11) det(a 21 ) det(a 31 ) det(a 12 ) det(a 22 ) det(a 32 ) = det(a 13 ) det(a 23 ) det(a 33 ) Πρόταση Για κάθε A R n n είναι (adja)a = det(a)i n Πόρισμα Αν A R n n ειναι αντιστρέψιμος, τότε: A 1 = 1 deta adja : Η σχέση (adja)a = (deta)i n δίνει ότι: adja = (deta)i n A 1, δηλαδή ότι adja = (deta)a 1 1 deta 0 Συνεπώς, έπεται ότι deta adja = A 1 Εφαρμογή Καθώς ο Α είναι αντιστρέψιμος, είναι

30 Αν A = , τότε είναι adja = Μπορούμε να ( υπολογίσουμε ) ( ότι: ) deta = det + det + det = 27 + ( 19) + ( 7) = Άρα, ο Α είναι αντιστρέψιμος και A 1 = deta adja = Πρότασης: Εστω A = (a ij ) και adja = (b ij ), όπου b ij = ( 1) i+j det(a ij ) Θέλω να υπολογίσω τον πίνακα (adja)a = c ij Είναι c ij = n b ik a kj = ( 1) i+k det(a ki )a kj = n ( 1) k+1 a kj det(a ki ) k=1 k=1 Αν i = j, τότε c ii = n ( 1) k+i a ki det(a ki ) = deta (ανάπτυγμα της ορίζουσας κατά k=1 Laplace ως προς τη i στήλη) Αν i j, τότε αν γράψω A = (c 1 c 2 c n ) και ορίσω x ij = (c 1 c i 1 c j c i+1 c n ) τότε c ij = detx ij = 0 (ο πίνακας X ij έχει δυο στήλες ίσες) (ανάπτυγμα κατά Laplace ως προς την i στήλη) Πρόταση (τύπος του Cramer) x Θεωρώ ένα σύστημα n εξισώσεων με n αγνώστους Ax = b, όπου A R n n, x = 2 Rn 1 x n b 1 b και b = 2 Rn 1 b n Αν ο Α είναι αντιστρέψιμος, τότε το σύστημα έχει μια μοναδική λύση, την εξής: x 1 = deta 1 deta, x 2 = deta 2 deta,, x n = deta n deta Εδώ A j R n n είναι ο πίνακας που προκύπτει αντικαθιστώντας τη j στήλη του Α με τη στήλη b (Αν A = (c 1 c 2, c n ), τότε A j = (c 1 c j 1 b c j+1 c n ) για j = 1, 2,, n) n ( 1) i+j b j det(a ji ) = 1 deta deta i (ανάπτυγ- Η σχέση Ax = b δίνει x = A 1 b, δηλαδή: x = 1 deta (adja)b Συνεπώς, x i = 1 n ( 1) i+1 det(a ji )b j = 1 deta j=1 deta μα κατά Laplace ως προς την i στήλη) j=1 x 1 Μάθημα 10

31 Παράδειγμα x + 2y 3z = 1 x + y + z = 6 x + 2y + 3z = 11 Χρησιμοποιώ τον τύπο του Cramer : D = det = D x = det = D y = det = D z = det = x = D x D = 18 6 = 3, y = D y D = 6 6 = 1, z = D z D = 12 6 = 2 Διανυσματικοί Χώροι Ενας R διανυσματικός χώρος είναι ένα σύνολο V, εφοδιασμένο με πράξεις: V V V (u, u ) u + u άθροισμα R V V (λ, u) λu (βαθμωτός εξωτερικός πολλαπλασιασμός) έτσι ώστε να ισχύουν τα εξής: (i) u + u = u + u για u, u V (ii) (u + u ) + u = u + (u + u ) για u, u, u V (iii) υπάρχει 0 V ώστε u + 0 = u για κάθε u V (iv) για κάθε u V υπάρχει ū V με u + ū = 0 V (v) λ(u + u ) = λu + λu για λ R και u, u V (vi) (λ + µ)u = λu + µu για λ, µ R και u V (vii) (λµ)u = λ(µu) για λ, µ R και u V (viii) 1 u = u για κάθε u V Παραδείγματα (i) Το R με τις συνήθεις πράξεις είναι ένας R διανυσματικός χώρος (ii) Το σύνολο R n m των n m πινάκων (με το σύνηθες άθροισμα και βαθμωτό πολλαπλασιασμό) είναι ένας διανυσματικός χώρος (iii) Το σύνολο X των διανυσμάτων με αρχή το 0 του επιπέδου είναι ένας διανυσματικός χώρος (iv) Θεωρώ το C[0, 1] = {f : [0, 1] R fσυνεχής} Καθώς το άθροισμα δυο συνεχών συναρτήσεων είναι συνεχής συνάρτηση ορίζεται η απεικόνιση: C[0, 1] C[0, 1] C[0, 1] (f, g) f + g, (f + g)(t) = f(t) + g(t) Ομοίως ορίζεται η απεικόνιση: R C[0, 1] C[0, 1] (λ, f) λf

32 (λf)(t) = λf(t) Καθώς αυτές οι δυο πράξεις ανάγονται στο άθροισμα και το γινόμενο αριθμών, ικανοποιούνται οι ιδιότητες του ορισμού ενός διανυσματικού χώρου (v) Το R[x] των πολυωνύμων στη μεταβλητή x είναι ένας R διανυσματικός χώρος με τις συνήθεις πράξεις: Αν f(x) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + (πεπερασμένο άθροισμα) και g(x) = b 0 + b 1 x + b 2 x 2 + (πεπερασμένο άθροισμα) τότε: f(x)+g(x) = (a 0 +b 0 )+(a 1 +b 1 )x+(a 2 +b 2 )x 2 + και λf(x) = (λa 0 )+(λa 1 )x+(λa 2 )x 2 + (vi) Για κάθε n N θεωρώ το διανυσματικό χώρο R n = R 1 n Είναι R n = {(a 1, a 2,, a n ) : a i R} Οι πράξεις ορίζονται ως εξής: (a 1, a 2,, a n ) + (b 1, b 2,, b n ) = (a 1 + b 1, a 2 + b 2,, a n + b n ) λ(a 1, a 2,, a n ) = (λa 1, λa 2,, λa n ) (vii) Για κάθε n N θεωρώ το σύνολο V = {f(x) R[x] : degf(x) n} Με το σύνηθες άθροισμα και εξωτερικό πολλαπλασιασμό, το V είναι ένας διανυσματικός χώρος (viii) V = {(a n ) : a n R} το σύνολο των πραγματικών ακολουθιών Γενικές Ιδιότητες (i) Το στοιχείο 0 V για το οποίο είναι u + 0 = u( ) για κάθε u V, είναι μοναδικό και ονομάζεται ουδέτερο στοιχείο του V : Πράγματι, αν w V είναι ένα στοιχείο ώστε u + w = u( ) για κάθε u V τότε η σχέση (*) για u = 0 θα είναι: 0 = 0 + w = w + 0 = w και προκύπτει η σχέση (**) για u = w Άρα w = 0 (ii) Για κάθε u V το στοιχείο ū V με u + ū = 0 V είναι μοναδικό και ονομάζεται αντίθετο του u και συμβολόζεται με u : Εστω ότι ū V ειναι ένα στοιχείο με u + ū = 0 Τότε: ū = ū + 0 = ū + (u + ū) = (ū + u) + ū = 0 + ū = ū (iii) Αν u, u V, τότε (u + u ) = ( u) + ( u ) : Προφανές, γιατί u + u + ( u) + ( u ) = u + u + ( u) + ( u ) = u ( u ) = u + ( u ) = 0 (iv) 0u = λ0 = 0 V (u V, λ R) : 0u = (0 + 0)u = 0u + 0u 0 = 0u λ0 = λ(0 + 0) = λ0 + λ0 0 = λ0 (v) λ( u) = ( λu) = λu : 0 = λ0 = λ[u + ( u)] = λu + λ( u) λ( u) = λu 0 = 0u = [λ + ( λ)]u = λu + ( λ)u ( λu) = λu Εστω V ένας διανυσματικός χώρος Ενα υποσύνολο U V ονομάζεται διανυσματικός υπόχωρος του V αν: (i) 0 U (ii) u, u U, τότε u + u U (iii) λ R και u U, τότε λu U Παρατήρηση

33 Ενας διανυσματικός υπόχωρος U του διανυσματικού χώρου V είναι ο ίδιος διανυσματικός χώρος ως προς τους περιορισμούς των πράξεων του V Παραδείγματα (i) Το υποσύνολο T n R n n των άνω τριγωνικών n n πινάκων είναι ένας διανυσματικός υπόχωρος του R n n (ii) Το σύνολο Λ των λύσεων ενός ομογενούς γραμμικού συστήματος n εξισώσεων με m α- γνώστους είναι ένας υπόχωρος του R m 1 Εστω Ax = 0 το σύστημα (A R n m ) Αν u, u Λ, τότε: Au = 0 και Au = 0 Συνεπώς, A(u + u ) = Au + Au = = 0 u + u Λ και για λ R είναι A(λu) = λau = λ0 = 0 λu Λ Τέλος, A 0 = 0 0 Λ (iii) Εστω V = {(a n ) n : a n R} ο διανυσματικός χώρος των πραγματικών ακολουθιών Αν U = {(a n ) n V : υπάρχει το όριο lima n }, τότε ο U είναι ένας διανυσματικός υπόχωρος του V (0, 0, 0, ) U Αν (a n ) n, (b n ) n U, τότε (a n + b n ) n U και μάλιστα lim(a n + b n ) = lima n + limb n Αν (a n ) n U και λ R, τότε (λa n ) n U και μάλιστα lim(λa n ) = λlima n Αν U 0 = {(a n ) n V : lima n = 0}, τότε το U 0 είναι ένας διανυσματικός υπόχωρος του V (του U άρα και του V ) Αν U 00 = {(a n ) n V : υπάρχει n 0 με a n = 0 για n n 0 }, όπου το n 0 εξαρτάται από την (a n ) n, τότε ο U 00 είναι ένας διανυσματικός υπόχωρος του U 0 άρα και του U και του V, αφού U 00 U 0 U V (iv) Εστω V ένας διανυσματικός χώρος Ο μέγιστος υπόχωρος του V είναι ο ίδιος ο V Ο ελάχιστος υπόχωρος του V είναι ο μηδενικός υπόχωρος, το {0} Αν u V, τότε το υποσύνολο A = {λu : λ R} V είναι ένας διανυσματικός υπόχωρος 0 = 0 u A λu + µu = (λ + µ)u A λ (λu) = (λ λ)u A Παρατήρηση Εστω V ένας διανυσματικός χώρος και A, B V δυο υπόχωροι Η τομή A B V ειναι ένας διανυσματικός υπόχωρος του V : 0 A, καθώς ο Α είναι υπόχωρος 0 B καθώς ο B είναι υπόχωρος Συνεπώς, 0 A B Εστω u, u A B και λ R Τότε u, u A και άρα (καθώς ο Α είναι υπόχωρος) είναι u + u, λu A Ομοίως, u, u B και άρα (καθώς ο B είναι υπόχωρος) είναι u + u B Συνεπώς, u + u A B και λu A B Προφανώς είναι: A B A, A B B Επιπλέον, αν U V είναι ένας υπόχωρος με UA A και U B, τότε U A B

34 Ορίζω A + B = {u V : υπάρχει a A και b B με u = a + b} Το A + B είναι ένας διανυσματικός υπόχωρος του V, ο οποίος καλείται αθροισμα των υποχώρων A και B 0 = A + B Εστω u, u A + B και λ R Τότε μπορώ να γράψω u = a+b και u = a +b για κάποια a, a A και b, b B Συνεπώς, είναι u+u = a+b+a +b = (a+a )+(b+b ) A+B και λu = λ(a+b) = λa+λb A+B V διανυσματικός χώρος A, B V διανυσματικοί υπόχωροι Μάθημα 11 A + B = {u V : u = a + b για κάποια a A και b B} Γνωρίζουμε ότι ο A + B είναι επίσης ένας διανυσματικός υπόχωρος του V Παρατηρήσεις: (i) Είναι A A + B και B A + B Πράγματι, αν a A, τότε a = a + 0 A + B Άρα A A + B Ανάλογα, αν b B τότε b = b + 0 A + B (ii) Αν U V είναι ένας υπόχωρος με A U και B U, τότε A + B U Πράγματι, έστω u A + B Τότε υπάρχουν a A και b A με u = a + b Καθώς A U έπεται ότι a U Ομοίως είναι B U και άρα b U Τελικά, είναι a, b U u = a + b U A + B U Αν A, B V είναι διανυσματικοί υπόχωροι και A B = 0, τότε το άθροισμα A+B ονομάζεται ευθύ και γράφεται ως A B (με άλλα λόγια, γράφω W = A B αν είναι W = A+B και A B = 0) Πρόταση Εστω A, B V διανυσματικοί υπόχωροι Τότε τα επόμενα είναι ισοδύναμα: (i) Ο υπόχωρος W = A B είναι το ευθύ άθροισμα των A + B (ii) Κάθε w W = A + B μπορεί να γραφτεί με μοναδικό τρόπο στη μορφή a + b, όπου a A και b B (i ii) Γνωρίζουμε ότι για κάθε στοιχείο w W = A + B υπάρχουν a A και b B με w = a + b Εστω ότι a A και b B με w = a + b Συνεπώς, είναι a + b = a + b a a = b b A B Ομως, A B = {0} και άρα a a = b b = 0 Τότε όμως a = a και b = b (ii i) Για να δείξω ότι το άθροισμα A + B είναι ευθύ, θα δείξω ότι A B = 0 Εστω w A B Τότε είναι w A + B = W και άρα από την υπόθεση (ii) μπορώ να γράψω το w με μοναδικό τρόπο ως a + b (με a A και b B) Παρατηρώ ότι w = w + 0 = 0 + w Αναγκαστικά, πρέπει να είναι w = 0, A B = 0