1. Lineaarinen yhtälöryhmä ja matriisi - PDF Ilmainen lataus
Download "1. Lineaarinen yhtälöryhmä ja matriisi"
1 I LINEAARISET YHTÄLÖRYHMÄT 1 Lineaarinen yhtälöryhmä ja matriisi Tällä kurssilla käytämme kirjainta K tarkoittamaan reaalilukuja R, kompleksilukuja C tai rationaalilukuja Q (aluksi K = R) Nämä lukujoukot ovat kuntia, mikä tarkoittaa sitä, että neljä peruslaskutoimitusta ovat määriteltyjä ja noudattavat tavallisia lukujen laskusääntöjä Lineaarialgebrassa joudutaan jatkuvasti tekemisiin lineaaristen yhtälöiden ja yhtälöryhmien kanssa Muuttujien x 1,x 2,,x n lineaarinen yhtälö on muotoa a 1 x 1 + a 2 x a n x n = b, missä a j,b ovat annettuja kunnan K lukuja Vastaavasti yleinen lineaarinen yhtälöryhmä on muotoa a 11 x 1 + a 12 x a 1n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x a 2n x n = b 2 (1) a m1 x 1 + a m2 x a mn x n = b m, missä a ij,b i K Kunnan K luvut s 1,s 2,,s n muodostavat yhtälöryhmän (1) ratkaisun, jos jokainen ryhmän (1) yhtälö toteutuu, kun x 1 = s 1,x 2 = s 2,,x n = s n Yhtälöryhmän ratkaisemisella tarkoitetaan sen kaikkia ratkaisujen, ns ratkaisujoukon, määrittämistä Yleensä ratkaisuja on yksi, äärettömän monta tai ei yhtään Yhtälöryhmien tarkastelu on helpointa matriisien avulla Kunnan K alkioista a ij muodostettua kaaviota a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n (2) A = a m1 a m2 a mn sanotaan lajia m n olevaksi matriisiksi tai m n-matriisiksi Usein merkitään A = (a ij ) m n = (a ij ) Tämän matriisin vaakavektorit (tai vaakarivit) ovat ja pystyvektorit (tai sarakkeet) vastaavasti (a i1,a i2,,a in ), i = 1,2,,m, a 1j a 2j a mj, j = 1,2,,n 1
2 2 Matriisia (2) sanotaan yhtälöryhmän (1) kerroinmatriisiksi Täydentämällä tätä matriisia vakioista b 1,b 2,,b m koostuvalla sarakkeella B = b 1 b 2 b m saadaan yhtälöryhmän (1) täydennetty kerroinmatriisi a 11 a 12 a 1n b 1 a (A,B) = 21 a 22 a 2n b 2 = (a ij,b i ) a m1 a m2 a mn b n 2 Gaussin eliminointimenetelmä Esitämme seuraavassa Gaussin eliminointimenetelmän, jolla lineaarinen yhtälöryhmä saadaan ratkaistua Tarkastelemme aluksi esimerkkiä Esimerkki Ratkaise yhtälöryhmä x 1 + 3x 2 + 4x 3 = 5 3x 1 + 2x 2 + 7x 3 = 3 2x 1 x 2 + x 3 = 4, jonka täydennetty kerroinmatriisi on Ratkaisemme yhtälöryhmän muuntamalla sen yhtäpitävää muotoon, josta ratkaisu saadaan Vieressä on aina vastaava täydennetty kerroinmatriisi Lisätään toiseen yhtälöön ensimmäinen luvulla 3 kerrottuna: x 1 + 3x 2 + 4x 3 = 5 7x 2 5x 3 = 12 2x 1 x 2 + x 3 = 4, Lisätään kolmanteen yhtälöön ensimmäinen luvulla 2 kerrottuna:
3 3 x 1 + 3x 2 + 4x 3 = 5 7x 2 5x 3 = 12 7x 2 7x 3 = 14, Vähennetään toinen yhtälö kolmannesta: x 1 + 3x 2 + 4x 3 = 5 7x 2 5x 3 = 12 2x 3 = 2, Nyt saamme kolmannesta yhtälöstä x 3 = 1, sen jälkeen sijoittamalla tämä toiseen yhtälöön x 2 = 1, ja sitten sijoittamalla nämä arvot ensimmäiseen yhtälöön x 1 = 2 Yhtälöryhmän ratkaisu on siis x 1 = 2,x 2 = 1,x 3 = 1 Olkoot nyt (1) ja (1 ) a 11 x 1 + a 12 x a 1n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x a 2n x n = b 2 a m1 x 1 + a m2 x a mn x n = b m c 11 x 1 + c 12 x c 1n x n = d 1 c 21 x 1 + c 22 x c 2n x n = d 2 c m1 x 1 + c m2 x c mn x n = d m yhtälöryhmiä, joiden täydennetyt kerroinmatriisit ovat (A, B) ja (C, D) Edellisessä esimerkissä käytettiin ns elementaarisia (vaakarivi)muunnoksia Sanotaan, että yhtälöryhmä (1 ) on saatu ryhmästä (1) elementaarisella muunnoksella, joka on tyyppiä: I (vaihto), jos yhtälöryhmien (1) ja (1 ) yhtälöt ovat muuten samat, mutta yhtälöt r ja s ovat vaihtaneet paikkaansa Täydennetyssä kerroinmatriisissa rivit r ja s ovat vaihtaneet paikkaansa II (skaalaus), jos yhtälöryhmien (1) ja (1 ) yhtälöt ovat muuten samat, mutta ryhmän (1 ) yhtälö r on saatu kertomalla ryhmän (1) yhtälö r jollakin nollasta eroavalla luvulla e K Yhtälöryhmän (1 ) täydennetyn kerroinmatriisin rivi r on e ryhmän (1) täydennetyn kerroinmatriisin rivi r III (korvaus), jos yhtälöryhmien (1) ja (1 ) rivin ovat muuten samat, mutta ryhmän (1 ) yhtälö r on saatu lisäämällä ryhmän (1) yhtälöön r ryhmän (1) yhtälö s kerrottuna
4 4 eräällä luvulla e K, ts c rj = a rj +ea sj,d r = b r +eb s Yhtälöryhmän (1 ) täydennetyn kerroinmatriisin rivi r on ryhmän (1) täydennetyn kerroinmatriisin rivi r lisättynä e kertaa rivi s Määritelmä Yhtälöryhmiä (1) ja (1 ) sanotaan ekvivalenteiksi, jos ryhmä (1 ) saadaan ryhmästä (1) äärellisen monella elementaarisella muunnoksella Tätä merkitään (1) (1 ) Vastaavia täydennettyjä kerroinmatriiseja sanotaan myös ekvivalenteiksi ja tätä merkitään (A, B) (C, D) Lause 21 Ekvivalenteilla yhtälöryhmillä on samat ratkaisut Tod Riittää osoittaa, että yhtälöryhmäillä (1) ja (1 ) on samat ratkaisut, jos (1 ) on saatu ryhmästä (1) tyyppiä III olevalla muunnoksella (tyypit I ja II selviä) Olkoon s 1,s 2,,s n yhtälöryhmän (1) ratkaisu Se on myös ryhmän (1 ) ratkaisu, jos c r1 s 1 + c r2 s c rn s n = d r, missä c rj = a rj + ea sj,d r = b r + eb s Tämä yhtälö pätee, koska c r1 s 1 + c r2 s c rn s n = a r1 s 1 + a r2 s a rn s n + e(a s1 s 1 + a s2 s a sn s n ) = b r + eb s = d r Vastaavasti jokainen yhtälöryhän (1 ) ratkaisu on myös ryhmän (1) ratkaisu (totea!) Jos ryhmällä (1) ei ole ratkaisua, ei sitä voi olla myöskään ryhmällä (1 ) (ryhmän (1 ) ratkaisu olisi myös ryhmän (1) ratkaisu) ja kääntäen mot Esitetään nyt menettely, jolla yhtälöryhmä (1) saadaan sellaiseen ekvivalenttiin muotoon, mistä ratkaisu on helposti nähtävissä (mikäli on olemassa) Tämä ns Gaussin eliminointimenettely perustuu täydennetyssä kerroinmatriisissa (A, B) suoritettaviin elementaarisiin vaakarivimuunnoksiin Rajoituksetta voidaan olettaa, että ainakin yksi ensimmäisen sarakkeen alkioista a i1 on 0 (muutoin x 1 ei esiinny yhtälöryhmässä (1)) Jos a 11 = 0, niin suoritetaan sellainen tyyppiä(i) oleva muunnos, että ensimmäisen rivin ensimmäinen alkio tulee nollasta eroavaksi, olkoon se a 11 Tämän jälkeen vähennetään kullakin arvolla i = 2,3,4,,m rivistä i ensimmäinen rivi sellaisella vakiolla kerrottuna, että rivin i ensimmäiseksi alkioksi jää 0 (Tämä on tyyppiä (III) oleva elementaarinen vaakarivimuunnos) Näin täydennetty kerroinmatriisi saadaan ekvivalenttiin muotoon a 11 a 12 a 1n b 1 a 21 a 22 a 2n b 2 a m1 a m2 a mn b m a 11 a 1k a 1n b 1 a 2k a 2n b 2 0 a mk a mn b m,
5 missä k 2 on pienin sellainen indeksi, että muuttujan x k kerroin a ik on 0 jollakin riveistä i = 2,3,,m Pidetään nyt ensimmäinen rivi muuttumattomana ja tehdään ym tarkastelu uudelleen riveille 2,, m (ensimmäisen sarakkeen sijasta tarkastellaan saraketta k), jolloin päästään muotoon a 11 a 1k a 1l a 1n b 1 a 2k a 2l a 2n b 2 a 3l a 3n b 3 0, a ml a mn b m missä a 2k 0 ja l > k Näin jatkamalla päästään äärellisen monen elementaarimuunnoksen jälkeen ns porrasmuotoon crs c 11 c 1n d 1 c 2k c 2n d 2 c 3l c 3n d 3 crn dr 0 0 d r missä c 11,c 2k,c 3l,,c rs ovat kaikki 0 ja 1 < k < l < < s n, r m ja porraskuvion alapuolella on pelkästään nollia Jos d r+1 0, niin viimeiseltä sarakkeelta tulee vielä uusi porras Ylläolevan nojalla on voimassa: Lause 22 Jokainen yhtälöryhmä (1) on ekvivalenttinen porrasmuodossa olevan yhtälöryhmän, c 11 x c 1n x n = d 1 c 2k x k + + c 2n x n = d 2 5 (2) c 3l x l + + c 3n x n = d 3 c rs x s + + c rn x n = d r 0 = d r+1 0 = 0 0 = 0
6 6 kanssa, missä c 11 0, c 2k 0,,c rs 0, 1 < k < l < < s n, r m (jos r = m, niin viimeisiä yhtälöitä ei ole) Määritelmä Yllä muuttujia x 1,x k,x l,,x s sanotaan päämuuttujiksi ja muita muuttujia (jos niitä on olemassa) vapaiksi muuttujiksi Edellä päämuuttujia on r kappaletta ja vapaita muuttujia n r kappaletta Lause 23 Yhtälöryhmällä (1) on ratkaisuja jos ja vain jos d r+1 = 0 Tällöin ratkai- suissa vapaille muuttujille voidaan antaa mielivaltaisia arvoja K, jonka jälkeen päämuuttujat määräytyvät yksikäsitteisesti Seuraus Jos r = n ja (1) on ratkeava, niin sillä on yksikäsitteinen ratkaisu, sillä vapaita muuttujia ei ole Lauseen 23 tod Jos d r+1 0, yhtälöryhmässä (2) on yhtälö 0 = d r+1, joka ei toteudu millään muuttujien arvoilla Lauseen 21 mukaan yhtälöryhällä (1) ei tällöin ole ratkaisua Jos d r+1 = 0, annetaan vapaille muuttujille (jos niitä on) mielivaltaiset arvot K Tällöin ryhmän (2) alin yhtälö tulee muotoon c rs x s = b K, mistä saadaan x s = b/c rs K (tarvitaan tietoa c rs 0) Sijoittamalla tämä arvo ryhmän (2) muihin yhtälöihin ja jakamalla samalla tavoin saadaan näin takaisinsijoituksilla peräkkäin ratkaistua x s,,x l,x k,x 1 mot Määritelmä Yhtälöryhmää (1) sanotaan homogeeniseksi, jos b 1 = b 2 = = b m = 0 Homogeenisille yhtälöryhmille (1) pätee Lause 24 Homogeeninen yhtälöryhmä on aina ratkeava Jos r = n, niin on olemassa vain triviaali ratkaisu x 1 = = x n = 0 Jos r < n, niin on olemassa myös epätriviaaleja ratkaisuja Tod Homogeenisen yhtälöryhmän tapauksessa edellä d 1 = d 2 = d r = d r+1 = 0, joten yhtälöryhmä on ratkeava Lauseen 23 nojalla Jos r = n, niin kaikki muuttujat ovat päämuuttujia ja yhtälöryhmästä (2) saadaan takaisinsijoituksilla x n = 0, x n 1 = 0,, x 1 = 0 Jos taas r < n, niin vapaita muuttujia löytyy ja niille voidaan antaa nollasta eroavia arvoja mot Huomautus Koska r m, niin Lauseen 24 nojalla homogeenisella yhtälöryhmällä on epätriviaaleja ratkaisuja aina, kun tuntemattomien lukumäärä n on suurempi kuin yhtälöiden lukumäärä m Yhtälöryhmä (1) ratkaistaan käytännössä seuraavasti: 1) Muunnetaan täydennetty kerroinmatriisi (A, B) elementaarisilla vaakarivimunnoksilla porrasmuotoon (C,D)
7 2) Kirjoitetaan porrasmuotoa (C,D) vastaava yhtälöryhmä (2) 3) Ratkaistaan (2) takaisinsijoituksilla (esitetään päämuuttujat vapaiden muuttujien avulla), jos (1) on ratkeava Vaihetta (3) ei tarvita, jos porrasmuodosta (C, D) jatketaan vaiheessa 1) ns pelkistettyyn porrasmuotoon seuraavasti: Skaalauksella muunnetaan kaikki porraspaikoilla olevat alkiot c 11,c 2k,,c rs alkioiksi 1 ja sen jälkeen korvauksilla kaikki näiden ykkösten yläpuoliset alkiot nolliksi Pelkistetyssä porrasmuodossa on siis porrassarakkeilla porraspaikalla 1 ja muut alkiot ovat 0 Matriisin porrasmuoto ei ole yksikäsitteinen Porrasrivien lukumäärä ja porraspaikkojen sijainti ovat kuitenkin aina samat Matriisin pelkistetty porrasmuoto on yksikäsitteinen, kuten myöhemmin osoitamme Määritelmä Matriisin A asteeksi kutsutaan matriisin A kanssa ekvivalenttisen porrasmuotoisen matriisin porrasrivien lukumäärää (joka on sama kuin porrassarakkeiden lukumäärä) Asteelle käytetään merkintää rank A Lauseesta 23 ja sen seurauksesta saadaan seuraava yhteys yhtälöryhmä ratkeavuuden ja sen kerroinmatriisin asteen välille Lause 25 Lineaarinen yhtälöryhmä (1) ratkeaa jos ja vain jos rank A = rank (A,B) Edelleen ratkaisu on yksikäsitteinen jos ja vain jos tuntemattomien lukumäärä n = rank A = rank (A,B) 7
8 8 II K n, LINEAARINEN RIIPPUVUUS 1 K n, vektorien lineaarinen yhdiste Käytämme seuraavassa merkintää K n tarkoittamaan n-pituisten (pysty)vektorien U = u 1 u 2 u n, u i K, joukkoa Vastaavasti K (n) tarkoittaa n-pituisten vaakavektorien (u 1,u 2,,u n ),u i K, muodostamaa joukkoa Alkioita u i sanotaan vektorin koordinaateiksi Geometrisesti R voidaan tulkita suoraksi, R 2 tasoksi ja R 3 kolmiuloitteiseksi avaruudeksi Määritelmä Olkoot U, V K n sekä Tällöin määritellään: U = u 1 u 2 u n ja V = v 1 v 2 v n (i) U = V jos ja vain jos u i = v i aina, kun i = 1,,n, u 1 + v 1 cu 1 u (ii) U + V = 2 + v 2 cu, (iii) cu = 2, c K u n + v n cu n Edellä määritellyt summa U + V ja skalaarilla kertominen cu toteuttavat selvästi seuraavat laskusäännöt Vastaavat tulokset pätevät myös vaakavektoreille Lause 11 Jokaisella U,V,Z K n ja c,d K pätee 1) U + V = V + U, 2) U + (V + Z) = (U + V ) + Z, 3) U + 0 = U (nollavektorin 0 kaikki koordinaatit ovat = 0), 4) U + ( U) = 0 ( U = ( 1)U on vektorin U vastavektori), 5) c(u + V ) = cu + cv, 6) (c + d)u = cu + du, 7) c(du) = (cd)u, 8) 1U = U
9 9 Esimerkki Suunnikassääntö, tason R 2 ja avaruuden R 3 suorat Määritelmä Vektorien U 1,U 2,,U p K n lineaariyhdisteeksi kutsutaan vektoria c 1 U 1 + c 2 U c p U p, missä c 1,c 2,,c p K Kaikkien tälläisten lineaariyhdisteiden joukkoa sanotaan vektorien U 1,U 2,,U p virittämäksi joukon K n osajoukoksi ja sille käytetään merkintää L({U 1,U 2,,U p }) = {c 1 U 1 + c 2 U c p U p c i K} Esimerkki Avaruuden R 3 tasot Esimerkki Tutki, onko vektori B vektorien A 1 ja A 2 virittämässä avaruuden R 3 osajoukossa L({A 1,A 2 }), kun 1 5 A 1 = 2 5, A 2 = ja B = Elementaaristen muunnosten tärkeä ominaisuus on seuraava Lause 12 Jos m n-matriisit A ja B ovat ekvivalentteja ja niiden vaakarivit ovat vastaavasti A (1),A (2),,A (m) ja B (1),B (2),,B (m), niin 1 9 L({A (1),A (2),,A (m) }) = L({B (1),B (2),,B (m) }) Tod Riittää todeta tulos kullekin muunnostyypille I, II ja III Tyypit I ja II ovat selviä Korvausta III koskeva väite saadaan suoraan seuraavasta yleisemmästä tuloksesta: Jos Y K (n) on vektorien A (1),A (2),,A (m) lineaariyhdiste ja kukin vektori A (i) on vektorien B (1),B (2),,B (m) lineaariyhdiste, niin Y on vektorien B (1),B (2),,B (m) lineaariyhdiste Jos nimittäin Y = m i=1 m a i A (i) ja A (i) = b ij B (j), j=1 niin Y = m i=1 a i A (i) = m m m m a i ( b ij B (j) ) = ( a i b ij )B (j) i=1 j=1 j=1 i=1 mot Yleinen lineaarinen yhtälöryhmä a 11 x 1 + a 12 x a 1n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x a 2n x n = b 2 (1) a m1 x 1 + a m2 x a mn x n = b m,
10 10 jonka kerroimatriisi on A = (A 1 A 2 A n ) ja täydennetty kerroinmatriisi (A,B), voidaan esittää vektorimuodossa (2) x 1 A 1 + x 2 A x n A n = B Näin ollen yhtälöryhmä (1) on ratkeava jos ja vain jos vakiovektori B on kerroinmatriisin A sarakkeiden lineaariyhdiste Määritellään nyt matriisin ja vektorin tulo Määritelmä Olkoon A = (A 1 A 2 A n ) lajia m n oleva matriisi ja X K n Tulo AX määritellään yhtälöllä AX = (A 1 A 2 A n ) x 1 x 2 x n = x 1A 1 + x 2 A x n A n Huomautus Tulo on määritelty vain, jos matriisin A sarakkeiden lukumäärä on vektorin X koordinaattien lukumäärä Edelleen tulovektorin i:s alkio saadaan kertomalla skalaaristi matriisin A i:s vaakavektori ja X Tulo toteuttaa ehdot: A(X + Y ) = AX + AY ja A(cX) = c(ax) Edellä olevan nojalla saadaan Lause 13 Olkoon A = (A 1 A 2 A n ) lajia m n oleva matriisi ja B K m Tällöin lineaarisella yhtälöryhmällä (1), vektoriyhtälöllä (2) ja matriisiyhtälöllä (3) AX = B on samat ratkaisuvektorit X Ratkaisujoukko saadaan Gaussin eliminointimenetelmällä Nyt voidaan täsmentää aikaisempaa luvun I Lausetta 24, jossa tarkastellaan yhtälöä (3) vastaavaa homogeenistä yhtälöä (3h) AX = 0 Lause 14 Olkoon A m n-matriisi, jonka aste on r = rank A Jos r = n, niin homogeenisen yhtälön (3h) ainoa ratkaisu on X = 0 Jos r < n, niin on olemassa h = n r sellaista ratkaisua X 1,X 2,X h, että ratkaisujoukko on L({X 1,X 2,,X h }) Tod Tapaus r = n on selvä Olkoon h = n r > 0 Päämuuttujia on r kpl ja vapaita muuttujia h kpl, olkoot ne x i1,x i2,,x ih Yhtälön (3h) ratkaisemiseksi muunnetaan matriisi A elementaarisilla muunnoksilla pelkistettyyn porrasmuotoon, josta päämuuttujat saadaan lausuttua vapaiden muuttujien avulla Näin ratkaisut saadaan muotoon (ks esimerkkejä) X = x i1 X 1 + x i2 X x ih X h,
11 missä X 1,X 2,,X h K n ja vapaille muuttujille x ij voidaan antaa mielivaltaisia arvoja K Selvästi jokainen vektori X 1,X 2,,X h on ratkaisu ja kaikki ratkaisut saadaan niiden lineaariyhdisteinä mot Lause 15 Jos yhtälö (3) on ratkeava ja X 0 on eräs ratkaisu, niin ratkaisujoukko on {X 0 + Y Y yhtälön (3h) ratkaisu} 11 Tod Oletetaan, että X 0 on yhtälön (3) ratkaisu, ts AX 0 = B Tällöin A(X 0 + Y ) = AX 0 + AY = B + 0 = B, joten vektorit X 0 +Y ovat ratkaisuja Jos taas X on mielivaltainen yhtälön (3) ratkaisu, niin A(X X 0 ) = AX AX 0 = B B = 0 Näin ollen Y = X X 0 toteuttaa yhtälön (3h) ja X = X 0 + Y mot Lause 16 Olkoon A = (A 1 A 2 A n ) m n-matriisi ja r = rank A Ehdot a) Yhtälö AX = B on ratkeava aina, kun B K m ; b) K m = L({A 1,A 2,,A n }); c) r = m ovat yhtäpitäviä Tod Tulon AX määritelmän nojalla ehto a) tarkoittaa sitä, että jokaisella vektorilla B K m on esitys B = x 1 A 1 + x 2 A x n A n, missä x i K Siten ehdot a) ja b) ovat yhtäpitäviä Riittää osoittaa, että ehdot a) ja c) ovat yhtäpitäviä Jos c) pätee, on m = rank A = rank (A,B) jokaisella vektorilla B K m Kappaleen I Lauseen 25 nojalla a) on voimassa Oletetaan nyt, että a) pätee Todistamme epäsuoralla todistuksella, että myös c) pätee Teemme vastaoletuksen: c) ei ole voimassa Tällöin välttämättä r < m ja A U, missä porrasmuotoisen matriisin U alin rivi on nollarivi Valitaan nyt D K m siten, että alin alkio =1 Tällöin r = rank U < rank (U,D) ja yhtälö UX = D ei ole ratkeava Koska A U, on (U,D) (A,B) eräällä B K m Koska yhtälö UX = D ei ole ratkeava, ei myöskään yhtälö AX = B ole ratkeava (I, Lause 21) Tämä on mahdotonta, jos a) pätee Saatu ristiriita osoittaa, että vastaoletus on väärä ja c) pätee mot
12 12 2 Lineaarinen riippuvuus ja riippumattomuus Lineaarisen riippuvuuden käsite osoittautuu myöhemmin erittäin hyödylliseksi Joukon K n tai K (n) vektorien lineaarinen riippuvuus liittyy läheisesti homogeenisiin yhtälöryhmiin, joten tarkastelemme tätä tapausta seuraavassa Määritelmä Vektorijoukkoa S = {V 1,V 2,,V p } K n (tai K (n) ) sanotaan lineaarisesti riippuvaksi tai lineaarisesti sidotuksi, jos vektoriyhtälöllä x 1 V 1 + x 2 V x p V p = 0 on epätriviaali ratkaisu x 1,x 2,,x p (ts ratkaisu, missä ainakin yksi x i 0) Joukkoa S sanotaan lineaarisesti riippumattomaksi tai lineaarisesti vapaaksi, jos ylläolevalla yhtälöllä on vain triviaali ratkaisu x 1 = x 2 = = x p = 0 Jos merkitsemme A = (V 1 V 2 V p ) n p, niin luvun 1 nojalla voimme sanoa: S on lineaarisesti riippumaton jos ja vain jos homogeenisella yhtälöllä on vain triviaali ratkaisu X = 0 AX = 0 Lause 21 Jos 0 S, niin S on lineaarisesti riippuva Tod Selvä Lause 22 Jos S = {V 1,V 2,,V p } K n ja p > n, niin S on lineaarisesti riippuva Tod Jos A on kuten edellä, niin rank A n < p, joten Lauseen 14 nojalla yhtälöllä AX = 0 on epätriviaaleja ratkaisuja Väite seuraa tästä mot Lause 23 S = {V 1,V 2,,V p } K n on lineaarisesti riippuva jos ja vain jos jokin joukon S vektoreista voidaan esittää muiden lineaariyhdisteenä Tod Jos S on lineaarisesti riippuva, niin on olemassa epätriviaalit x 1,x 2,,x p, joilla x 1 V 1 + x 2 V x p V p = 0 Olkoon j suurin indeksi, jolla x j 0 Jos j = 1, niin V 1 = 0 = 0 V V p Jos taas j > 1, niin x j V j = x 1 V 1 x j 1 V j 1 (x k = 0 aina, kun k > j), V j = x 1 x j V 1 x j 1 x j V j 1
13 13 Siis jokin vektoreista on muiden lineaariyhdiste Oletetaan nyt, että jokin vektoreista, esimerkiksi V p, on muiden lineaariyhdiste Tällöin ja V p = c 1 V c p 1 V p 1 c 1 V c p 1 V p 1 V p = 0 Joukko S on näin ollen lineaarisesti riippuva mot Nyt voimme osoittaa aikaisemmin mainitun (s7) pelkistetyn porrasmuodon yksikäsitteisyyttä koskevan tuloksen Tätä varten asetamme määritelmän Määritelmä Matriisien C = (c ij ) m n ja D = (d ij ) m n yhtäsuuruus määritellään asettamalla C = D c ij = d ij aina, kun i = 1,,m ja j = 1,,n Lause 24 Jos m n-matriisi A C ja A D, missä C ja D ovat pelkistetyssä porrasmuodossa, niin C = D Tod Selvästi C D, joten yhtälöillä CX = 0 ja DX = 0 on samat ratkaisut X Näin ollen (1) x 1 C 1 + x 2 C x n C n = 0 x 1 D 1 + x 2 D x n D n = 0, missä on merkitty C = (C 1 C 2 C n ) ja D = (D 1 D 2 D n ) Siis matriisien C ja D sarakkeet toteuttavat samat lineaarisen riippuvuuden ehdot Koska porrassarakkeet ovat tarkalleen ne sarakkeet, joita ei voida esittää niiden vasemmalla puolella olevien sarakkeiden lineaariyhdisteenä, ovat matriisien D ja C porrassarakkeet samoilla paikoilla (kullakin nollarivistä poikkeavalla rivillä on porraspaikalla 1 ja sen vasemmalla puolella alkiot = 0) Jos porrassarakkeita on r kpl, ne ovat E 1,E 2,,E r, missä 0 0 E i = 1 i:s alkio 0 0 Siis porrassarakkeet ovat samoilla paikoilla ja samat Tarkastellaan nyt matriisin C saraketta C j, joka ei ole porrasarake (jos tällainen on olemassa) Tämä sarake on joko nollasarake tai sen vasemmalla puolella olevien porrassarakkeiden lineaariyhdiste, joten C j = x 1 C 1 + x 2 C x j 1 C j 1, missä x k = 0, jos C k ei ole porrassarake Ehdon (1) nojalla D j = x 1 D 1 + x 2 D x j 1 D j 1 Koska porrassarakkeet ovat samat ja x k = 0, jos C k ei ole porrassarake, on C j = D j Siis C = D mot
14 14 III MATRIISIALGEBRAA 1 Matriisien laskutoimitukset Määritellään aluksi matriisien summa ja skalaarilla (kunnan K alkiolla) kertominen Määritelmä Matriisien A = (a ij ) m n ja B = (b ij ) m n sekä c K summa ja skalaarilla kertominen määritellään asettamalla A + B = (a ij + b ij ) m n, ca = (ca ij ) m n Lause 11 Jos A, B ja C ovat m n-matriiseja, niin A + B = B + A (vaihdannaisuus), A + (B + C) = (A + B) + C (liitännäisyys), A + 0 = A, A + ( A) = 0, 0 = (0) m n on ns nollamatriisi, A = ( 1)A on matriisin A vastamatriisi Tod Selvä Tutkitaan seuraavaksi matriisien tuloa Olkoot A = (a ij ) m n ja B = (b ij ) n p Jos X K p, niin tulo BX = (B 1 B 2 B p )X = x 1 B 1 + x 2 B x p B p K n Siis myös matriisin A ja tämän vektorin tulo A(BX) K m on määritelty ja on A(BX) = A(x 1 B 1 + x 2 B x p B p ) = A(x 1 B 1 ) + A(x 2 B 2 ) + + A(x p B p ) = x 1 AB 1 + x 2 AB x p AB p = (AB 1 AB 2 AB p )X Kahden matriisin tulo on nyt luontevaa määritellä seuraavasti Määritelmä Matriisien A = (a ij ) m n ja B = (b ij ) n p tulo AB on m p-matriisi, jonka sarakkeet ovat AB 1,AB 2,,AB p missä B = (B 1 B 2 B p ) Siis AB = (AB 1 AB 2 AB p ) m p Huomautus 1) AB on määritelty vain, jos matriisin A sarakkeiden lukumäärä on sama kuin matriisin B rivien lukumäärä 2) AB = (c ij ) m p, missä c ij = a i1 b 1j + a i2 b 2j + + a in b nj = n a ik b kj, k=1
15 ts tulomatriisin ij-alkio saadaan kertomalla skalaaristi matriisin A i:s vaakarivi ja matriisin B j:s sarake 3) Yleensä AB BA, joten matriisien kertolasku ei ole vaihdannainen Jos AB = BA, niin matriisit kommutoivat 4) Ylläolevan määritelmän ja sitä edeltävän tarkastelun nojalla A(BX) = (AB)X aina, kun X K p 15 Lajia n n olevaa matriisia I n = sanotaan yksikkömatriisiksi Nimitys tulee siitä, että se on n n-neliömatriisien kertolaskun ns neutraalialkio, eli n n I n A = AI n = A aina, kun A = (a ij ) n n Matriisilla I n on siis samanlainen rooli n n-matriisien joukossa matriisikertolaskun suhteen kuin luvulla 1 R reaalilukujen joukossa tavanomaisen lukujen kertolaskun suhteen Lause 12 Aina, kun seuraavat laskutoimitukset ovat määriteltyjä, niin A(BC) = (AB)C, A(B + C) = AB + AC, (A + B)C = AC + BC, c(ab) = (ca)b = A(cB) aina, kun c K, I m A = AI n = A jokaisella m n-matriisilla A Tod Osoitetaan ensimmäinen väite Jos C = (C 1 C 2 C q ), niin kertolaskun määritelmän ja huomautuksen 4) nojalla A(BC) = A(BC 1 BC 2 BC q ) = (A(BC 1 )A(BC 2 ) A(BC q )) = 4) ((AB)C 1 (AB)C 2 (AB)C q ) = (AB)(C 1 C 2 C q ) = (AB)C mot
16 16 Määritelmä Matriisin A = (a ij ) m n transpoosiksi tai transponoiduksi matriisiksi kutsutaan matriisia A T, joka saadaan matriisista A vaihtamalla tämän rivit sarakkeiksi, ts Transpooseille pätee A T = a 11 a 21 a m1 a 12 a 22 a m2 a 1n a 2n a mn Lause 13 Jos laskutoimitukset ovat määriteltyjä, niin (A T ) T = A, (A + B) T = A T + B T, (ca) T = ca T aina, kun c K, (AB) T = B T A T n m Tod Viimeisen kohdan todistus jätetään harjoituksiin, muut kohdat ovat selviä 2 Käänteismatriisi Olkoon A n n-matriisi Selvitämme nyt käänteisalkion olemassaoloa matriisikertolaskun suhteen Koska yksikkömatriisi I n on kertolaskun neutraalialkio, on luonnollista etsiä sellaista n n-matriisia B, että (1) AB = BA = I n Määritelmä Jos n n-matriisi B toteuttaa yhtälöt (1), niin matriisia B sanotaan matriisin A käänteismatriisiksi, merkitään B = A 1 Matriisia A sanotaan säännölliseksi, jos A 1 on olemassa Muulloin neliömatriisia A sanotaan singulaariseksi eli epäsäännölliseksi Esimerkki 2 2-matriisit Lause 21 Oletetaan, että A ja B ovat säännöllisiä n n-matriiseja Tällöin 1) A 1 on yksikäsitteinen, 2) (A 1 ) 1 = A, 3) AB on säännöllinen ja (AB) 1 = B 1 A 1, 4) A T on säännöllinen ja (A T ) 1 = (A 1 ) T Tod 1) Jos B ja C toteuttavat käänteismatriisin määritelmän ehdot (1), niin B = BI n = B(AC) = (BA)C = I n C = C
17 17 3) Koska (AB)(B 1 A 1 ) = A(BB 1 )A 1 = AI n A 1 = AA 1 = I n ja (B 1 A 1 )(AB) = B 1 (A 1 A)B = B 1 I n B = B 1 B = I n, niin (AB) 1 = B 1 A 1 määritelmän nojalla Kohdat 2) ja 4) jätetään harjoitustehtäviksi mot Edellisessä esimerkissä määritimme 2 2-matriisien käänteismatriisin Tarkastellaan nyt yleistä n n-matriisia A Tulisi siis löytää sellainen n n-matriisi X, että AX = XA = I n Merkitsemällä X = (X 1 X 2 X n ), I n = (E 1 E 2 E n ) nähdään, että (2) AX = I n jos ja vain jos AX j = E j aina, kun j = 1,,n Matriisi X voi siis olla olemassa vain, jos yhtälö AX j = E j on ratkeava jokaisella j = 1,, n Kukin näistä yhtälöistä voidaan selvittää muuntamalla täydennetty kerroinmatriisi (A,E j ) pelkistettyyn porrasmuotoon Kaikki yhtälöt voidaan käsitellä samanaikaisesti saattamalla n 2n-matriisi (A,E 1 E 2 E n ) = (A,I n ) pelkistettyyn porrasmuotoon (C,B), jolloin (A,I n ) (C,B), B = (B 1 B 2 B n ) Nyt A C, matriisi C on pelkistetyssä porrasmuodossa ja aina, kun j = 1,,n AX j = E j jos ja vain jos CX j = B j Lause 22 Olkoon C ylläoleva pelkistetyssä porrasmuodossa oleva matriisi, jolle A C 1) Jos C = I n eli A I n, niin A on säännöllinen Tällöin A 1 = B, missä (A,I n ) (I n,b) 2) Jos C I n niin A on singulaarinen (ja käänteismatriisia A 1 ei ole olemassa) Tod Luvun II Lauseen 24 mukaan ylläoleva C on yksikäsitteinen 1) Olkoon C = I n Tällöin ylläolevan mukaan X j = B j toteuttaa yhtälön AX = E j,j = 1,,n, joten matriisi X = B toteuttaa yhtälöiden (2) nojalla yhtälön AX = I n Koska (A,I n ) (I n,b), on myös (B,I n ) (I n,a) Kuten edellä todetaan, että X = A toteuttaa yhtälön BX = I n Nyt AB = BA = I n, joten B = A 1
18 18 2) Jos C I n, niin matriisin C alin rivi on nollarivi ja rank A < n Tällöin luvun II Lauseen 16 nojalla on olemassa sellainen Q K n, että yhtälö AX = Q ei ole ratkeava Nyt on olemassa sellainen j, että yhtälö AX j = E j ei ole ratkeava Jos nimittäin kaikki nämä yhtälöt olisivat ratkeavia ja X 1,X 2,,X n ovat ratkaisut sekä niin Q = q 1 q 2 q n, A(q 1 X 1 + q 2 X q n X n ) = q 1 AX 1 + q 2 AX q n AX n = q 1 E 1 + q 2 E q n E n = Q Näin yhtälöllä AX = Q olisi ratkaisu, mikä on mahdotonta Siis yhtälöiden (2) nojalla ehdon AX = I n toteuttavaa matriisia X ei ole, joten A on singulaarinen mot Lauseesta 22 ja aikaisemmista yhtälöryhmiä koskevista tuloksista saadaan seuraavat ehdot matriisin säännöllisyydelle ja singulaarisuudelle Seuraus Olkoon A n n-matriisi Tällöin seuraavat kohdan 1) ehdot ovat keskenään yhtäpitävät, samoin kohdan 2) ehdot keskenään 1) a) A on säännöllinen, b) A I n, c) rank A = n, d) homogeenisella yhtälöllä AX = 0 on vain triviaali ratkaisu X = 0, e) matriisin A sarakkeet ovat lineaarisesti riippumattomia; 2) a) A on singulaarinen, b) rank A < n, c) homogeenisella yhtälöllä AX = 0 on epätriviaaleja ratkaisuja
19 19 IV LINEAARISET AVARUUDET ELI VEKTORIAVARUUDET 1 Vektoriavaruuden määrittely Määritelmä Olkoon V epätyhjä joukko ja K kunta Olkoon lisäksi määritelty laskutoimitukset V V V, merkitään (X,Y ) X+Y, ja K V V, merkitään (a,x) ax Joukkoa V varustettuna näillä laskutoimituksilla sanotaan K-kertoimiseksi vektoriavaruudeksi eli lineaariseksi avaruudeksi, jos seuraavat ehdot toteutuvat: V1 X + (Y + Z) = (X + Y ) + Z aina, kun X,Y,Z V ; V2 X + Y = Y + X aina, kun X,Y, V ; V3 on olemassa alkio 0 V (ns nollavektori), jolle X + 0 = X aina, kun X V ; V4 Jos X V, niin on olemassa sellainen Y V, että X + Y = 0, merk Y = X; V5 a(x + Y ) = ax + ay aina, kun a K, ja aina, kun X,Y V ; V6 (a + b)x = ax + bx aina, kun a,b K, ja aina, kun X V ; V7 (ab)x = a(bx) aina, kun a, b K, ja aina, kun X V ; V8 1X = X aina, kun X V Tässä 1 on kunnan K ykkösalkio Vektoriavaruuden alkioita sanotaan vektoreiksi ja niitä merkitään seuraavassa yleensä loppupään isoilla kirjaimilla X,Y,Z,X 1,X 2, jne Kerroinkunnan K alkioita sanotaan usein skalaareiksi Vektoria X + Y sanotaan vektorien X ja Y summaksi, vektoria ax taas skalaarin a ja vektorin X tuloksi Jos K = R tai C, puhutaan vastaavasti reaalisesta tai kompleksisesta vektoriavaruudesta 1) K n ja K (n) ovat K-kertoimisia vektoriavaruuksia 2) Polynomiavaruudet Lause 11 Olkoon V K-kertoiminen vektoriavaruus Tällöin a) 0 on yksikäsitteinen; b) Jos X,Y V, niin yhtälöllä X + Z = Y on yksikäsitteinen ratkaisu Z V ; c) X on yksikäsitteinen aina, kun X V ; d) 0X = 0 ja ( 1)X = X aina, kun X V ; e) ax = 0 jos ja vain jos a = 0 tai X = 0 (tai molempia) Tod a) Jos 0 1 ja 0 2 ovat avaruuden V nollavektoreita, niin 0 1 = = = 0 2 V3 V2 V3 b) Z = X + Y toteuttaa yhtälön, sillä X + ( X + Y ) = (X + ( X)) + Y = 0 + Y = Y V1 V4 V3
20 20 Jos Z 1 ja Z 2 ovat ratkaisuja, niin Z 1 = Z = Z 1 + (X + ( X)) = Y + ( X) = Z 2 + X + ( X) = Z = Z 2 c) Kohdan b) nojalla yhtälöllä Z + X = 0 on yksikäsitteinen ratkaisu, joka on ehdon V 4 nojalla X d) ja e) jätetään harjoituksiin mot 2 Aliavaruudet Määritelmä Olkoon V K-kertoiminen vektoriavaruus Osajoukkoa U V sanotaan avaruuden V aliavaruudeksi, jos VA1 X + Y U aina, kun X,Y U; VA2 ax U aina, kun a K, ja aina, kun X U; VA3 0 U Huomautus Ehdon VA3 nojalla U Vektoriavaruuden V laskutoimitukset on määritelty myös aliavaruudessa U V ja luonnollisesti ehdot V1-V8 toteutuvat aliavaruudessa U Siis jokainen aliavaruus on myös vektoriavaruus Haluttaessa osoittaa jokin joukko vektoriavaruudeksi onkin usein helpointa osoittaa se jonkin tunnetun vektoriavaruuden (vaikkapa avaruuden K n ) aliavaruudeksi Tällöin riittää todeta ehdot VA1-VA3 (ehtojen V1-V8 sijasta) 1) Avaruudella V on aina aliavaruudet {0} ja V Nämä ovat sen ns triviaalit aliavaruudet 2) Olkoon X K n Joukko S = {tx t K} on avaruuden K n aliavaruus (vrt origon kautta kulkevat suorat avaruuksissa R 2 ja R 3 ) Yleistämme nyt aikaisemman lineaariyhdisteen määritelmän Määritelmä Olkoon V K-kertoiminen vektoriavaruus ja olkoot a i K, X i V, i = 1,2,,n Vektoria a 1 X 1 + a 2 X a n X n sanotaan vektorien X 1,X 2,,X n lineaariyhdisteeksi Induktioperiaatteella ehdoista VA1 ja VA2 saadaan seuraava tulos Lause 21 Olkoon U vektoriavaruuden V aliavaruus Jokainen aliavaruuden U vektorien lineaariyhdiste on aliavaruuden U alkio
21 Olkoon nyt S V epätyhjä osajoukko Joukon S vektorien virittämä avaruuden V osajoukko L(S) koostuu joukon S vektorien lineaariyhdisteistä: L(S) = {Y Y on joukon S vektorien lineaariyhdiste} = {Y Y = a 1 X a n X n, X i S, a i K} Jos joukko S = {X 1,X 2,,X p } on äärellinen, käytetään myös merkintää L(S) = L({X 1,X 2,,X p }) Jos Y 1 ja Y 2 L(S), niin selvästi myös Y 1 + Y 2 ja cy 1 L(S) aina, kun c K Tämä on usein käyttökelpoinen ja voidaan esittää seuraavana lauseena Lause 22 Jos S V,S, niin L(S) on avaruuden V aliavaruus Esimerkki K n = L({E 1,E 2,,E n }), missä vektorin E i i:s koordinaatti on 1 ja muut ovat 0 Tämä seuraa siitä, että a 1 a 2 a n = a 1E 1 + a 2 E a n E n Lause 23 Olkoon A m n-matriisi Homogeenisen yhtälön AX = 0 ratkaisut muodostavat avaruuden K n aliavaruuden Tod Väite seuraa Lauseesta 22 ja luvun II Lauseesta 14 Tulos on helppo todistaa myös suoraan VA1: Jos X ja Y ovat ratkaisuja, niin A(X + Y ) = AX + AY = = 0, joten X + Y on ratkaisu VA2: Jos X on ratkaisu ja c K, niin A(cX) = c(ax) = c0 = 0, joten cx on ratkaisu VA3: 0 on selvästi ratkaisu mot Määritelmä Olkoon A m n-matriisi Lauseen 23 mukaista avaruuuuden K n aliavaruutta sanotaan matriisin A nolla-avaruudeksi ja sille käytetään merkintää Nul A = {X K n AX = 0} Luvun II Lauseen 14 mukaan nolla-avaruuden Nul A virittävät n r ratkaisua, missä r = rank A 3 Kanta Määrittelimme aikaisemmin avaruuden K n vektorien lineaarisen riippuvuuden Nyt voimme yleistää tämän määritelmän yleiseen vektoriavaruuteen 21
22 22 Määritelmä Vektoriavaruuden V äärellistä vektorijoukkoa S = {V 1,V 2,,V p } sanotaan lineaarisesti riippuvaksi tai lineaarisesti sidotuksi, jos yhtälöllä x 1 V 1 + x 2 V x p V p = 0 on epätriviaali ratkaisu x 1,x 2,,x p Joukkoa S sanotaan lineaarisesti riippumattomaksi tai lineaarisesti vapaaksi, jos ylläolevalla yhtälöllä on vain triviaali ratkaisu x 1 = x 2 = = x p = 0 Ääretöntä osajoukkoa sanotaan lineaarisesti riippumattomaksi, jos sen jokainen äärellinen osajoukko on lineaarisesti riippumaton, muutoin lineaarisesti riippuvaksi Huomautus Yleisessä tapauksessa lineaarisella riippuvuudella ei ole suoraviivaista yhteyttä lineaarisiin yhtälöryhmiin Luvun 2 Lausetta 23 vastaava tulos pätee yleisesti Todistus yleisessä tapauksessa on samanlainen kuin avaruudelle K n Lause 31 Vektoriavaruuden V vektorijoukko S = {V 1,V 2,,V p } on lineaarisesti riippuva jos ja vain jos jokin joukon S vektoreista on muiden lineaariyhdiste Nyt voidaan määritellä kanta Määritelmä Olkoon U vektoriavaruuden V aliavaruus Vektorijoukkoa S V sanotaan aliavaruuden U kannaksi, jos 1) U = L(S) ja 2) joukko S on lineaarisesti riippumaton Vektoriavaruutta V sanotaan äärellisulotteiseksi, jos sillä on äärellinen virittäjäjoukko, muutoin ääretönulotteiseksi Huomautus 1) Aliavaruudella U = {0} ei ole kantaa 2) Jokaisella aliavaruudella U {0} on kanta Todistamme tämän äärellisulotteisessa tapauksessa seuraavassa (Lause 32 b) 3) Kannan määritelmässä voidaan valita U = V, joten huomautuksen 2) mukaan jokaisella vektoriavaruudella on kanta 1) Avaruuden K n vektorit E 1,E 2,,E n muodostavat ns luonnollisen kannan 2) Olkoon A m n-matriisi Tällöin nolla-avaruuden Nul A kannan muodostavat luvun II Lauseen 14 todistuksen mukaiset vektorit X 1,X 2,,X h, missä h = n rank A
23 Lause 32 (virittäjäjoukosta kantaan) Olkoon V vektoriavaruus Olkoon lisäksi S = {T 1,T 2,,T q } V ja U = L(S) Tällöin: a) Jos jokin joukon S vektoreista, esimerkiksi T k, on muiden lineaariyhdiste, niin joukko S \ {T k } = {T 1,,T k 1,T k+1,,t q } virittää aliavaruuden U b) Jos U {0}, niin jokin joukon S osajoukko on aliavaruuden U kanta Tod a) Järjestämällä tarvittaessa joukon S vektorit uudelleen voimme olettaa, että T q on muiden lineaariyhdiste: Jos X U, niin X = c 1 T 1 + c 2 T c q T q T q = a 1 T 1 + a 2 T a q 1 T q 1 = (c 1 + a 1 c q )T 1 + (c 2 + a 2 c q )T (c q 1 + a q 1 c q )T q 1 L({T 1,,T q 1 }), joten U = L({T 1,,T q 1 }) b) Jos S on lineaarisesti riippumaton, se on aliavaruuden U kanta Jollei, jokin joukon S vektoreista on muiden lineaariyhdiste, joten a)-kohdan nojalla kyseinen vektori voidaan poistaa joukosta S Jos näin saatu joukko on lineaarisesti riippumaton, se on aliavaruuden U kanta Jollei, edellinen menettely voidaan toistaa Koska U {0}, päädytään äärellisen monen askeleen jälkeen lineaarisesti riippumattomaan virittäjäjoukkoon, joka on kanta mot Lauseen 32 b)-kohdan nojalla äärellisulotteisella vektoriavaruudella on kanta, joka saadaan poistamalla virittäjäjoukosta turhat alkiot eli ne, jotka ovat jäljelle jäävien lineaariyhdisteitä Huomautus Kun aliavaruuden U kantaa muodostetaan Lauseen 32 mukaan virittäjäjoukosta, kanta saadaan jäljellä olevan joukon tullessa lineaarisesti riippumattomaksi Jos tästä joukosta poistettaisiin jokin vektori, se ei enää virittäisi koko aliavaruutta U Kanta on siis mahdollisimman pieni virittäjäjoukko Toisaalta kanta on mahdollisimman suuri aliavaruuden U lineaarisesti riippumattomien vektorien joukko Jos nimittäin kantaan lisätään jokin aliavaruuden U vektori, esimerkiksi W, saatu joukko ei ole lineaarisesti riippumaton, koska W on kantavektorien lineaariyhdiste Kannalla on seuraava tärkeä ominaisuus Lause 33 Olkoon V {0} vektoriavaruus ja S = {U 1,U 2,,U n } V Joukko S on avaruuden V kanta jos ja vain jos jokainen avaruuden V vektori voidaan esittää yksikäsitteisesti joukon S vektorien lineaariyhdisteenä 23
24 24 Tod 1) Olkoon osajoukko S V kanta Tällöin V = L(S), joten jokaisella X V on esitys X = c 1 U 1 + c 2 U c n U n Jos nyt myös X = a 1 U 1 + a 2 U a n U n, niin 0 = X X = (c 1 a 1 )U 1 + (c 2 a 2 )U (c n a n )U n Kantavektorien lineaarisesta riippumattomuudesta seuraa, että c i a i = 0 eli c i = a i aina, kun i = 1,, n Vektorin X esitys on siis yksikäsitteinen 2) Oletetaan, että jokaisella avaruuden V vektorilla X on yksikäsitteinen esitys X = c 1 U 1 + c 2 U c n U n Tällöin V = L(S) Joukon S lineaarisen riippumattomuuden toteamiseksi huomaamme, että 0 = 0U 1 + 0U U n Jos nyt x 1 U 1 + x 2 U x n U n = 0, niin esityksen yksikäsitteisyydestä seuraa, että x 1 = x 2 = = x n = 0 Siis S on lineaarisesti riippumaton ja siten kanta mot Lauseen 33 nojalla voimme asettaa määritelmän Määritelmä Jos V on vektoriavaruus ja S = {U 1,U 2,,U n } avaruuden V kanta, niin vektorin X V esityksen X = c 1 U 1 + c 2 U c n U n kertoimia c 1,c 2,,c n sanotaan vektorin X koordinaateiksi kannan S suhteen ja vektoria X S = c 1 c 2 c n Kn vektorin X koordinaattivektoriksi kannan S suhteen Huomautus 1) Selvästi (X + Y ) S = X S + Y S ja (cx) S = cx S aina, kun c K 2) Määritelmän nojalla tapauksessa V = K n on X = PX S, missä P = (U 1 U 2 U n ) Tämä P on ns koordinaattien muunnosmatriisi kannasta S luonnolliseen kantaan
25 25 4 Vektoriavaruuden dimensio Yleistämme aluksi luvun 2 Lauseen 22 tulosta, jossa osoitimme avaruuden K n vektorijoukon lineaarisesti riippuvaksi, jos vektorien lukumäärä on (aidosti) suurempi kuin n Lause 41 Olkoon V vektoriavaruus, jolla on kanta S = {(U 1,U 2,,U n } Tällöin jokainen avaruuden V vektorijoukko, jossa vektorien lukumäärä on > n, on lineaarisesti riippuva Tod Oletetaan, että {T 1,T 2,,T p } V ja p > n Luvunn II Lauseen 22 nojalla koordinaattivektorit (T 1 ) S,(T 2 ) S,,(T p ) S K n ovat lineaarisesti riippuvia, joten on olemassa sellaiset epätriviaalit c 1,c 2,,c p K, että c 1 (T 1 ) S + c 2 (T 2 ) S + + c p (T p ) S = 0 K n Tästä seuraa yhtälö (koordinaattivektorin määritelmän jälkeinen Huomautus 1) (c 1 T 1 + c 2 T c p T p ) S = 0 K n Täten c 1 T 1 + c 2 T c p T p = 0U 1 + 0U U n = 0 V eli joukko {T 1,T 2,,T p } on lineaarisesti riippuva mot Lause 42 Äärellisulotteisen vektoriavaruuden V {0} jokaisessa kannassa on yhtä monta alkiota Tod Olkoot {U 1,U 2,,U n } ja {V 1,V 2,,V p } vektoriavaruuden V kantoja Koska {V 1,V 2,,V p } on kantana lineaarisesti riippumaton, p n Lauseen 41 nojalla Vastaavasti todetaan, että n p Siis n = p mot Määritelmä Jos vektoriavaruudella V on kanta, jossa on n vektoria, niin avaruuden V sanotaan olevan n-ulotteinen tai n-dimensioinen, merkitään dim V = n Jos V = {0}, niin dimensioksi asetetaan dim{0} = 0 Jos avaruudella V ei ole äärellistä virittäjäjoukkoa, niin avaruutta V sanotaan ääretönulotteiseksi 1) dim K n = dim K (n) = n 2) Polynomiavaruuden P n dimensio dim P n = n + 1 Matriisin A nolla-avaruudelle pätee
26 26 Lause 43 (astelause) Jos A on m n- matriisi, niin dim Nul A = n rank A Tod Nolla-avaruuden Nul A kannan muodostavat luvun II Lauseen 14 todistuksen mukaiset vektorit X 1,X 2,,X h (ks Esimerkki 2 s ), missä h = n rank A Väite seuraa tästä mot Lause 44 Olkoon U äärellisulotteinen vektoriavaruuden V aliavaruus Jokainen aliavaruuden U lineaarisesti riippumaton vektorijoukko voidaan laajentaa aliavaruuden U kannaksi, ja dim U dim V Tod Jos U = {0}, niin dim U = 0 dim V Oletetaan nyt, että U {0} Olkoon S = {U 1,,U k } U lineaarisesti riippumaton Jos U = L(S), niin S on kanta Muussa tapauksessa on olemassa U k+1 U, U k+1 / L(S) Silloin S 1 = {U 1,,U k,u k+1 } on lineaarisesti riippumaton (Perustele tarkasti!) Jos nyt U = L(S 1 ), niin S 1 on kanta Jollei, ylläoleva päättely voidaan toistaa ja aliavaruuteen U löydetään lineaarisesti riippumaton osajoukko S 2 = {U 1,,U k,u k+1,u k+2 } Koska U V ja avaruuden V lineaarisesti riippumattomien vektorien lukumäärä on dim V Lauseen 41 nojalla, saadaan äärellisen monen laajennuksen jälkeen aliavaruuden U kanta ja dim U dim V Jos dimensio tunnetaan, kannan määritystä helpottaa seuraava tulos Lause 45 (kantalause) Oletetaan, että vektoriavaruuden V dimensio dim V = p 1 Olkoon S = {V 1,V 2,,V p } V Tällöin: a) Jos S on lineaarisesti riippumaton, niin se on avaruuden V kanta b) Jos V = L(S), niin S on kanta Tod a) Lauseen 44 mukaan joukko S voidaan laajentaa avaruuden V kannaksi Koska dim V = p, tässä kannassa on p alkioita, joten S on kanta b) Lauseen 32 mukaan jokin joukon S osajoukko S on avaruuden V kanta Koska kannassa on p alkiota, on oltava S = S mot 5 Matriisin rivi- ja sarakeavaruus Olkoon A lajia m n oleva matriisi Olkoot A 1,A 2,,A n K m sen sarakkeet ja A (1),A (2),,A (m) K (n) sen vaakarivit Määritelmä Matriisin A riviavaruus Row A = L({A (1),A (2),,A (m) }) K (n) ja matriisin A sarakeavaruus Col A = L({A 1,A 2,,A n }) K m Lause 51 dim Row A = dim Col A = rank A
27 Tod Olkoon B pelkistetyssä porrasmuodossa oleva matriisi, joka saadaan matriisista A elementaarisilla muunnoksilla, A B Olkoot matriisin B sarakkeet B 1,B 2,, B n ja rivit B (1),B (2),,B (m) Luvun II Lauseen 12 mukaan Row A = L({A (1),A (2),,A (m) }) = L({B (1),B (2),,B (m) }) Matriisin B porrasrivien lukumäärä on rank A (muut rivit nollarivejä) ja ne ovat lineaarisesti riippumattomia (Totea tarkasti!), joten ne muodostavat riviavaruuden Row A kannan Siis dim Row A = rank A Koska A B, yhtälöillä AX = 0 ja BX = 0 ovat samat ratkaisut, joten (1) x 1 A 1 + x 2 A x n A n = 0 x 1 B 1 + x 2 B x n B n = 0 Matriisin B porrasarakkeet ovat avaruuden K n luonnollisen kannan vektorit E 1, E 2,, E r, r = rank A, ja ovat näin lineaarisesti riippumattomia Muut sarakkeet ovat niiden lineaariyhdisteitä (luvun II Lauseen 24 todistus) Ehdon (1) nojalla matriisien A ja B sarakkeet toteuttavat samat lineaarisen riippuvuuden ehdot, joten matriisin B porrassarakkeita vastaavat matriisin A sarakkeet muodostavat sarakeavaruuden Col A kannan ja myös dim Col A = rank A mot Seuraus 1 rank A = rank A T Huomautus 1) Jos on määrättävä riviavaruuden Row A kanta, niin se saadaan muuntamalla matriisi A elementaarisilla muunnoksilla porrasmuotoon Saadun matriisin porrasrivit muodostavat kannan 2) Sarakeavaruuden Col A kannan muodostavat porrassarakkeita vastaavat matriisin A sarakkeet (tässä ei saa käyttää porrasmatriisin sarakkeita, ne eivät välttämättä ole ole edes sarakeavaruuden Col A vektoreita) Toinen tapa määrittää avaruuden Col A kanta on tehdä matriisissa A T kohdan 1) menettely 6 Aliavaruuksien summat Määritelmä Vektoriavaruuden V aliavaruuksien M ja N summa määritellään asettamalla M + N = {Z Z = X + Y,X M,Y N} Lause 61 Jos M ja N ovat avaruuden V aliavaruuksia, niin myös summa M + N on avaruuden V aliavaruus Tod Harjoitustehtävä Määritelmä Olkoot M ja N vektoriavaruuden V aliavaruuksia Jos summan M + N jokaisen vektorin Z = X + Y esitys on yksikäsitteinen, ts jos X + Y = X 1 + Y 1, X, X 1 M, Y, Y 1 N vain, kun X = X 1, Y = Y 1, 27
28 28 niin sanotaan, että M + N on aliavaruuksien M ja N suora summa Tällöin merkitään M + N = M N Lause 62 Jos M ja N ovat avaruuden V aliavaruuksia, niin V = M N jos ja vain jos V = M + N ja M N = {0} Tod 1) Oletetaan, että V = M + N ja M N = {0} Jos X + Y = X 1 + Y 1, missä X,X 1 M ja Y,Y 1 N, niin X X 1 = Y Y 1 Nyt X X 1 M ja Y Y 1 N, joten molemmat M N = {0} Siis X = X 1 ja Y = Y 1, joten V = M N 2) Oletetaan nyt, että V = M N Jos X M N, niin X M ja X N Siis 0 = X + ( X) M + N Koska 0 = M + N ja summa on suora, niin esityksen yksikäsitteisyyden nojalla X = 0 Siis M N = {0} mot Lause 63 Olkoot M ja N vektoriavaruuden V äärellisulotteisia aliavaruuksia Tällöin myös M + N on äärellisulotteinen ja dim(m + N) = dimm + dim N dim(m N) Tod Leikkaus M N on avaruuden V aliavaruus (Totea!) ja Lauseen 44 nojalla dim(m N) min{dim M,dimN} Merkitään seuraavassa dimm = r, dimn = s ja dim(m N) = t Olkoon ensin t > 0 Olkoon E = {X 1,,X t } jokin laikkauksen M N kanta Lauseen 44 mukaan E voidaan täydentää aliavaruuden M kannaksi E 1 = {X 1,,X t,y 1,, Y r t } ja aliavaruuden N kannaksi E 2 = {X 1,,X t,z 1,,Z s t } Koska M,N M + N, niin F = {X 1,,X t,y 1,,Y r t,z 1,,Z s t } M + N Osoitetaan, että F on summan M + N kanta, jolloin dim(m + N) = r + s t = dim M + dim N dim(m N) Todistus täydennetään luennolla mot Seuraus Jos vektoriavaruus V on äärellisulotteinen ja V = M + N, niin 1) dimv dimm + dim N, 2) dimv = dimm + dim N jos ja vain jos V = M N Tod Seuraus 1) saadaan Lauseesta 63 Edelleen tämän lauseen nojalla dim V = dimm +dim N täsmälleen, kun dim(m N) = 0 eli M N = {0} Lauseen 62 nojalla tämä on yhtäpitävää ehdon V = M N kanssa mot Lause 64 Jos M on äärellisulotteisen vektoriavaruuden V aliavaruus, niin on olemassa sellainen avaruuden V aliavaruus N, että V = M N Huomautus Edellisen lauseen N ei ole yksikäsitteinen Tod Jos M = {0} tai V, valitaan vastaavasti N = V tai {0} Olkoon nyt M {0}, V Olkoon {X 1,,X p } jokin aliavaruuden M kanta (Lause 44) Täydennetään tämä
29 avaruuden V kannaksi {X 1,,X p,y 1,,Y q } (edelleen Lause 44), jolloin dimv = p + q Jos valitaan N = L({Y 1,,Y q }), niin V = M + N ja dimv = dim M + dim N Seurauksen 2) nojalla V = M N mot 29