Basis eines Unterraums berechnen

Aufrufe: 788     Aktiv: 17.02.2020 um 15:12

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Hallo! Ich würde Hilfe bei folgender Aufgabe benötigen:

(Quelle: https://vowi.fsinf.at/images/e/e2/TU_Wien-Algebra_und_Diskrete_Mathematik_VO_%28Panholzer%29_-_Pr%C3%BCfung_2018-01-30.pdf, aufgerufen am 17.02.2020)

 

Ich habe einen Vektor \(\vec x\) definiert, welcher die Koordinaten \(x_{1}\), \(x_{2}\), \(x_{3}\) und \(x_{4}\) besitzt.

 

 

Dann habe ich folgendes LGS abgeleitet:

 

1.) \(2*x_{1}+3*x_{2}+x_{3} = 0\)

2.) \(3*x_{1}+4*x_{2}+2*x_{3}-x_{4} = 0\)

3.) \(x_{1}+x_{2}+x_{3}-x_{4} = 0 \)

Ich habe dieses LGS in die Matrizenform übergeführt (die 1.) und 3.) habe ich vertauscht, da aufgrund der 0 später die untere Gleichung entfällt) und diese dann mit Hilfe des Gauß'schen Elimitionsverfahren "umgestellt".

Nun bleiben mir noch folgende Gleichungen (Nummerierung ist nun neu gewählt - hat also nichts mir der vorherigen Nummerierung der Gleichung zu tun):

1.) \(x_{1}+x_{2}+x_{3}-x_{4} = 0 \)

2.) \(x_{2}-x_{3}+2*x_{4} = 0\)

 

nun weiß ich aber nicht, wie ich hier weiter verfahren soll, um mir daraus die Basis zu basteln.

Wäre sehr froh um eine Erklärung.

 

 

P.S.

Mir wurde gesagt, dass ich durch umstellen \(x_{3} = x_{2} + 2*x_{4} \) erhalte und dann \(x_{3} = t_{1} \) setzen kann. Wenn man dann noch ein \(t_{2}\) definiert, sollte man auf die Lösung \(x = t1 * Basis1 + t2* Basis2\) kommen.

Jedoch kann ich damit leider nicht viel anfangen...

 

 

 

 

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Erstmal wär es glaube ich besser, wenn du direkt mit Matrizen statt mit Gleichungssystem arbeitest, das ist normalerweise üblicher. Man bekäme also diese Koeffizientenmatrix:

$$\left( \begin{array}{rrrrr}2 & 3 & 1 & 0 & 0 \\3 & 4 & 2 & -1 & 0 \\1 & 1 & 1 & -1 & 0 \\\end{array}\right) $$

Also eigentlich sucht man nur den Kern von dieser Matrix:

$$\left( \begin{array}{rrrr}2 & 3 & 1 & 0 \\3 & 4 & 2 & -1 \\1 & 1 & 1 & -1 \\\end{array}\right) $$

Jetzt Gaußt man fröhlich:

\(\left( \begin{array}{rrrr}2 & 3 & 1 & 0 \\3 & 4 & 2 & -1 \\1 & 1 & 1 & -1 \\\end{array}\right) \rightarrow \left( \begin{array}{rrrr}0 & 1 & -1 & 2 \\0 & 1 & -1 & 2 \\1 & 1 & 1 & -1 \\\end{array}\right) \rightarrow \left( \begin{array}{rrrr}0 & 0 & 0 & 0 \\0 & 1 & -1 & 2 \\1 & 1 & 1 & -1 \\\end{array}\right) \rightarrow \left( \begin{array}{rrrr}1 & 1 & 1 & -1 \\0 & 1 & -1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 0\\\end{array}\right)\)

Soweit warst du ja auch bereits. Nun müssen wir den Kern ablesen, dazu stellen wir uns die Matrix wieder als Gleichungssystem vor, und wir erhalten dann:

\( x_1 + x_2 + x_3 - x_4 = 0\)

\( x_2 - x_3 + 2x_4 = 0\)

Nun haben wir 4 Unbekannte, aber nur 2 Gleichungen. Dieses Gleichungssystem hat also mehrere Lösungen. Man wählt sich jetzt zwei von den Variablen einfach als als \( t_1\) und \( t_2\) aus und löst dann das LGS ganz normal. Man formt also um und erhält:

\( x_2 = x_3 - 2x_4\)

\( x_1 = -2x_3 + 3x_4\)

Jetzt sagt man einfach, \( x_3 = t_1\) und \( x_4 = t_2\) und bekommt dann halt

\( x_2 = t_1 - 2t_2\)

\( x_1 = -2t_1 + 3t_2\)

Das bedeutet also:

\( \ker\left( \begin{array}{rrrr}2 & 3 & 1 & 0 \\3 & 4 & 2 & -1 \\1 & 1 & 1 & -1 \\\end{array}\right)= \left\{ \left( \begin{array}{r}-2t_1 + 3t_2 \\ t_1-2t_2 \\t_1 \\ t_2 \\\end{array}\right), t_1,t_2\in\mathbb{R} \right\} = \left\{ \left( \begin{array}{r}-2t_1  \\ t_1 \\t_1 \\ 0 \\\end{array}\right)+\left( \begin{array}{r}3t_2\\ -2t_2 \\0 \\ t_2 \\\end{array}\right), t_1,t_2\in\mathbb{R} \right\} \)

= \( \left\{ t_1\left( \begin{array}{r}-2  \\ 1 \\1 \\ 0 \\\end{array}\right)+t_2\left( \begin{array}{r}3\\ -2 \\0 \\ 1 \\\end{array}\right), t_1,t_2\in\mathbb{R} \right\}\)

Jetzt weiss man, dass sich der Kern dieser Matrix aus den beiden Vektoren Linear kombinieren lässt, also hat man somit seine Basis (Ich nenn die Matrix mal A):

\(\ker(A) = span \left( \left( \begin{array}{r}-2  \\ 1 \\1 \\ 0 \\\end{array}\right), \left( \begin{array}{r}3\\ -2 \\0 \\ 1 \\\end{array}\right) \right) \)

 

 

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