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3.1 Vektorräume

Allgemeine Definition

  • Ein Vektorraum ist eine algebraische Struktur. Vektorräume bilden den zentralen Untersuchungsgegenstand der linearen Algebra.

  • Die Elemente eines Vektorraums heißen Vektoren. Sie können addiert oder mit Skalaren (Zahlen) multipliziert werden.

  • Das Ergebnis ist wieder ein Vektor desselben Vektorraums.

Definition

Sei V eine Menge und K ein Körper. zusammen haben sie zwei Verknüpfungen:

  • Vektoraddition: +:V×VV
  • Skalarmultiplikation: :K×VV

Die Menge V wird Vektorraum über K oder K-Vektorraum genannt, wenn folgende Axiome erfüllt sind:

  • Eine Menge V mit Elementen u,v,wV (Vektoren)
  • Ein Körper K mit Elementen α,βK (Skalare)
  • Vektoraddition

    Die Menge (V,+) ist eine abelsche Gruppe:
    1. Assoziativität: (v+w)+u=v+(w+u)
    2. Kommutativität: v+w=w+v
    3. Neutrales Element: Es existiert ein Nullvektor 0VV, sodass v+0V=v, für alle vV
    4. Inverses Element: Für jedes vV existiert ein vV mit v+(v)=0V
  • Skalarmultiplikation

    Für V(,+,) gilt:
    1. Assoziativität: (αβ)v=α(βv)
    2. Distributivität über die Vektoraddition: α(v+w)=αv+αw
    3. Distributivität über die Skalarmultiplikation: (α+β)v=αv+βv
    4. Neutrales Skalar: 1v=vfür alle vV

Beispiel: Der Vektorraum Kn der n-Tupel

Sei K ein Körper und nN eine natürliche Zahl ohne Null. Dann ist der Vektorraum Kn definiert als

Kn:=K×K××Kn mal={(x1x2xn)xjK für j=1,2,,n}

mit den Verknüpfungen:

  • Vektoraddition für x,yKn:

(x1x2xn)+(y1y2yn)=(x1+y1x2+y2xn+yn)

  • Skalarmultiplikation für αK und xKn:

α(x1x2xn)=(αx1αx2αxn)

Dieser Vektorraum ist ein K-Vektorraum, wobei der Nullvektor durch

(000)

gegeben ist.

  • Falls K=R, so nennt man Rn den Standardvektorraum.