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3.6 Matrizen und lineare Abbildungen ​

Definition: Matrizenraum Kp×n ​

  • Eine Matrix mit p∈N∗,n∈N∗ ist eine rechteckige Anordnung von Elementen aus einem Körper K, mit p Zeilen und n Spalten.
  • Der Raum aller p×n-Matrizen über K wird mit Kp×n bezeichnet.

Algebraische Struktur von Kp×n ​

Addition von Matrizen ​

Für Matrizen A,B∈Kp×n:

  • Kommutativität: A+B=B+A
  • Assoziativität: (A+B)+C=A+(B+C)
  • Neutrales Element: Die Nullmatrix 0 mit allen Einträgen 0∈K erfüllt A+0=A

Skalarmultiplikation ​

Für λ∈K, A∈Kp×n:

  • Assoziativität: λ(μA)=(λμ)A
  • Neutrales Element: 1⋅A=A
  • Distributivgesetze:
    • λ(A+B)=λA+λB
    • (λ+μ)A=λA+μA

→ Damit ist Kp×n ein Vektorraum über K.

Besondere Matrizen ​

  • Quadratische Matrix: p=n
  • Transponierte Matrix: Für A=(αjk)∈Kp×n istAT:=(αkj)∈Kn×p
  • Eigenschaften der Transposition:
    • (A+B)T=AT+BT
    • (λA)T=λAT
    • (AT)T=A
    • (AB)T=BTAT für passende Dimensionen

Invertierbarkeit ​

  • Eine quadratische Matrix A∈Kn×n heißt invertierbar (oder regulär), wenn eine Matrix A−1∈Kn×n existiert mitA⋅A−1=A−1⋅A=In
  • Andernfalls heißt sie singulär.

Eigenschaften ​

  • Das Inverse ist eindeutig.
  • Nicht jede Matrix mit von null verschiedenen Einträgen ist invertierbar.
  • Beispiel nicht-invertierbar: Wenn zwei Spalten linear abhängig sind (z. B. Vielfache voneinander), ist die Matrix singulär.

Äquivalente Aussagen für A∈Kn×n ​

Die folgenden Aussagen sind äquivalent:

  1. A ist invertierbar.
  2. Rang(A)=n
  3. ker⁡(A)={0}

Lineare Abbildungen und Matrizen ​

Darstellung linearer Abbildungen ​

Sei Φ:V→W eine lineare Abbildung zwischen endlichdimensionalen Vektorräumen über K, mit

  • dim⁡(V)=n, dim⁡(W)=p
  • B={b1,…,bn} Basis von V
  • C={c1,…,cp} Basis von W

Dann existiert eine Matrix A∈Kp×n, sodass für jeden x∈V mit Koordinatenvektor x→∈Kn gilt:

Φ(x)=Ax→

→ Jede lineare Abbildung ist durch eine Matrix darstellbar.
→ Umgekehrt stellt jede Matrix eine lineare Abbildung dar.

Rang und Kern ​

Für A∈Kp×n, Spalten a1,…,an∈Kp:

  • Rang:Rang(A):=dim⁡(span(a1,…,an))
  • Kern:ker⁡(A):={x∈Kn:Ax=0}

Matrixprodukt und Inverse ​

Für A,B∈Kn×n invertierbar gilt:

  • (AB)−1=B−1A−1

Allgemeine lineare Gruppe ​

  • Die Menge aller invertierbaren Matrizen A∈Kn×n mit der Matrixmultiplikation bildet eine Gruppe, die allgemeine lineare Gruppe genannt wird:GL(n,K):={A∈Kn×n∣A invertierbar}