Mathematics · Buku 3 · Bachelor Year 1

Matematika Universitas — Tahun 1

Matematika Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1

20Pemetaan Linear

Pemetaan yang pantas ditelaah antara ruang vektor adalah yang selaras dengan strukturnya: yaitu pemetaan linear. Adapun kedua subruang fundamentalnya — kernel dan peta — mengukur keinjektifan dan kesurjektifannya, dan dalam dimensi hingga teorema rank–nulitas mengikat ukurannya menjadi satu hukum kekekalan. Lalu proyeksi dan simetri, kemudian bentuk linear dan hiperbidang, menutup bab ini.

20.1 Definisi dan sifat yang pertama

Definisi 20.1

Misalkan E,FE, F ruang vektor atas KK. Sebuah pemetaan u ⁣:E→Fu \colon E \to F disebut linear bila

∀x,y∈E, ∀λ∈K,u(x+λy)=u(x)+λu(y).\forall x, y \in E,\ \forall \lambda \in K, \qquad u(x + \lambda y) = u(x) + \lambda u(y).

Maka u(0)=0u(0) = 0 dan u(∑λixi)=∑λiu(xi)u(\sum \lambda_i x_i) = \sum \lambda_i u(x_i). Adapun himpunan L(E,F)\mathcal{L}(E, F) berisi pemetaan linear sendirinya merupakan ruang vektor; komposisi pemetaan linear bersifat linear, dan bilinear pada pasangannya. Sebuah endomorfisma adalah pemetaan linear E→EE \to E; sedangkan isomorfisma adalah pemetaan linear yang bijektif (yang inversnya lalu otomatis linear); adapun u−1u^{-1} sebuah isomorfisma, dan komposisi isomorfisma, merupakan isomorfisma.

Bukti bahwa inversnya linear. Misalkan uu linear dan bijektif, y,y′∈Fy, y' \in F dan λ∈K\lambda \in K. Tetapkanlah x=u−1(y)x = u^{-1}(y) dan x′=u−1(y′)x' = u^{-1}(y'). Maka

u(x+λx′)=u(x)+λu(x′)=y+λy′,u\bigl(x + \lambda x'\bigr) = u(x) + \lambda u(x') = y + \lambda y' ,

lalu menerapkan u−1u^{-1} pada kedua ujungnya: u−1(y+λy′)=x+λx′=u−1(y)+λ u−1(y′)u^{-1}(y + \lambda y') = x + \lambda x' = u^{-1}(y) + \lambda\,u^{-1}(y'). Jadi tak ada apa pun tentang u−1u^{-1} yang dihitung: karena kelinearannya terangkut lewat sifat pendefinisi uu belaka — yaitu pola yang pantas diingat, sebab struktur sering menumpang bijeksi secara cuma-cuma. ∎

Proposisi 20.2 (Sebuah pemetaan linear dikenal pada sebuah basis)

Misalkan (e1,…,en)(e_1, \dots, e_n) sebuah basis EE dan (v1,…,vn)(v_1, \dots, v_n) vektor FF yang sebarang. Maka ada tepat satu pemetaan linear u ⁣:E→Fu \colon E \to F dengan u(ei)=viu(e_i) = v_i untuk setiap ii. Lebih lanjut:

u injektif  ⟺  (vi) bebas;u surjektif  ⟺  (vi) membangun F.u \text{ injektif} \iff (v_i) \text{ bebas}; \qquad u \text{ surjektif} \iff (v_i) \text{ membangun } F .

Bukti. Keberadaan dan ketunggalannya: setiap xx mempunyai koordinat tunggal x=∑λieix = \sum \lambda_i e_i (Proposisi 18.15); lalu kelinearannya memaksa u(x)=∑λiviu(x) = \sum \lambda_i v_i, dan rumus ini memang mendefinisikan sebuah pemetaan linear.

Keinjektifannya: menurut Proposisi 20.5 di bawah, uu bersifat injektif jika dan hanya jika kernelnya sepele. Sekarang u(∑λiei)=0u\bigl(\sum\lambda_i e_i\bigr) = 0 persis berarti ∑λivi=0\sum\lambda_i v_i = 0. Jika (vi)(v_i) bebas, maka ini memaksa setiap λi=0\lambda_i = 0, yakni kernelnya tereduksi menjadi 00: jadi injektif. Sedangkan jika (vi)(v_i) terikat, sebuah relasi taksepele ∑λivi=0\sum\lambda_i v_i = 0 menghasilkan vektor taknol ∑λiei\sum\lambda_i e_i pada kernelnya (karena (ei)(e_i) bebas): jadi tak injektif. Sehingga kedua syaratnya cocok suku demi suku.

Kesurjektifannya: peta uu adalah himpunan semua ∑λivi\sum\lambda_i v_i, yakni tepat Vect⁡(v1,…,vn)\operatorname{Vect}(v_1, \dots, v_n), yang sama dengan FF jika dan hanya jika keluarganya membangun. ∎

Definisi 20.3 (Kernel dan peta)

Untuk u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F):

ker⁡u={x∈E:u(x)=0}⊆E,im⁡u=u(E)⊆F,\ker u = \{x \in E : u(x) = 0\} \subseteq E, \qquad \operatorname{im} u = u(E) \subseteq F ,

keduanya subruang (lewat pemeriksaan langsung dengan kriterianya).

Metode 20.4 (Kernel dan peta, dalam praktik)

Kernelnya: tulislah u(x)=0u(x) = 0 sebagai sebuah sistem atas koordinat (atau koefisien) xx, pecahkanlah, lalu parameterkanlah — maka kernelnya keluar dengan sebuah basis yang menempel (Metode 19.10). Petanya: ia rentang peta sebarang keluarga pembangun EE — biasanya sebuah basis, sehingga im⁡u=Vect⁡(u(e1),…,u(en))\operatorname{im} u = \operatorname{Vect}\bigl(u(e_1), \dots, u(e_n)\bigr); lalu hapuslah peta yang berlebihan untuk menyarikan sebuah basis. Jalan pintasnya: hitunglah yang mana pun di antara keduanya yang lebih mudah lalu peroleh dimensi yang lain cuma-cuma lewat rank–nulitas (Teorema 20.7); dan ketika sebuah calon subruang yang masuk akal bagi petanya sudah dikenal, membandingkan dimensinya menaikkan inklusi yang mudah menjadi kesamaan (Teorema 19.14). Kedua jalan pintasnya dipakai pada Contoh 20.11 di bawah.

Proposisi 20.5

Pemetaan uu bersifat injektif   ⟺  \iff ker⁡u={0}\ker u = \{0\}; dan uu bersifat surjektif   ⟺  \iff im⁡u=F\operatorname{im} u = F.

Bukti. Seperti pada grup (Proposisi 7.11): u(x)=u(y)  ⟺  u(x−y)=0  ⟺  x−y∈ker⁡uu(x) = u(y) \iff u(x - y) = 0 \iff x - y \in \ker u. Adapun butir keduanya merupakan definisinya. ∎

20.2 Teorema rank–nulitas

Definisi 20.6

Adapun rank sebuah u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) (dengan EE yang berdimensi hingga) adalah rk⁡u=dim⁡im⁡u\operatorname{rk} u = \dim \operatorname{im} u — yang juga merupakan rank keluarga (u(e1),…,u(en))\bigl(u(e_1), \dots, u(e_n)\bigr) bagi sebarang basis (ei)(e_i) pada EE.

Teorema 20.7 (Rank–nulitas)

Misalkan EE berdimensi hingga dan u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F). Maka

dim⁡E=dim⁡ker⁡u+rk⁡u.\dim E = \dim \ker u + \operatorname{rk} u .

Lebih tepatnya, jika SS sebarang subruang pelengkap bagi ker⁡u\ker u di EE, maka uu terbatasi menjadi isomorfisma dari SS pada im⁡u\operatorname{im} u.

Bukti. Misalkan SS memenuhi E=ker⁡u⊕SE = \ker u \oplus S (Teorema 19.14), dan misalkan v ⁣:S→im⁡uv \colon S \to \operatorname{im} u pembatasan uu.

Adapun vv bersifat injektif: karena ker⁡v=S∩ker⁡u={0}\ker v = S \cap \ker u = \{0\}.

Dan vv bersifat surjektif: karena sebarang u(x)u(x) dengan x=k+sx = k + s (k∈ker⁡uk \in \ker u, s∈Ss \in S) sama dengan u(s)=v(s)u(s) = v(s).

Jadi vv sebuah isomorfisma; dan isomorfisma mengirim basis ke basis (Proposisi 20.2), sehingga dim⁡S=dim⁡im⁡u\dim S = \dim\operatorname{im} u, lalu dim⁡E=dim⁡ker⁡u+dim⁡S\dim E = \dim\ker u + \dim S menyimpulkannya. ∎

Contoh 20.8 (Membangun sebuah pemetaan menurut spesifikasi)

Konstruksikanlah u∈L(R3)u \in \mathcal{L}(\R^3) dengan ker⁡u=Vect⁡(1,1,1)\ker u = \operatorname{Vect}(1,1,1) dan im⁡u={z=0}\operatorname{im} u = \{z = 0\}. Periksa kewarasannya dulu: rank–nulitas menuntut 1+2=31 + 2 = 3 — yang selaras, sehingga sebuah penyelesaian mungkin ada. Pilihlah basis yang disesuaikan dengan kernelnya, katakanlah ((1,1,1), e1, e2)\bigl((1,1,1),\ e_1,\ e_2\bigr) (Contoh 19.7), lalu tetapkanlah petanya (Proposisi 20.2):

u(1,1,1)=0,u(e1)=e1,u(e2)=e2.u(1,1,1) = 0, \qquad u(e_1) = e_1, \qquad u(e_2) = e_2 .

Maka ker⁡u⊇Vect⁡(1,1,1)\ker u \supseteq \operatorname{Vect}(1,1,1) dan im⁡u=Vect⁡(e1,e2)={z=0}\operatorname{im} u = \operatorname{Vect}(e_1, e_2) = \{z = 0\}; lalu rank–nulitas memaksa dim⁡ker⁡u=1\dim\ker u = 1, sehingga kernelnya tepat garis yang ditetapkan itu. Adapun secara eksplisit, dengan menguraikan (x,y,z)=z(1,1,1)+(x−z)e1+(y−z)e2(x, y, z) = z(1,1,1) + (x - z)e_1 + (y - z)e_2:

u(x,y,z)=(x−z, y−z, 0).u(x, y, z) = (x - z,\ y - z,\ 0).

Resepnya tersamaratakan: bahwa pemetaan linear dengan kernel NN dan peta II yang ditetapkan ada tepat ketika dim⁡N+dim⁡I=dim⁡E\dim N + \dim I = \dim E — dengan keperluannya dari rank–nulitas, dan kecukupannya dari konstruksi ini.

Akibat 20.9

Jika dim⁡E=dim⁡F\dim E = \dim F (yang hingga), maka untuk u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F):

u injektif  ⟺  u surjektif  ⟺  u bijektif.u \text{ injektif} \iff u \text{ surjektif} \iff u \text{ bijektif}.

Khususnya ini berlaku bagi endomorfisma dalam dimensi hingga. (Adapun ia gagal dalam dimensi tak hingga: karena pada K[X]K[X], turunannya bersifat surjektif tetapi tak injektif, sedangkan P↦XPP \mapsto XP injektif tetapi tak surjektif.)

Bukti. Injektif   ⟺  dim⁡ker⁡u=0  ⟺  rk⁡u=dim⁡E=dim⁡F  ⟺  im⁡u=F\iff \dim\ker u = 0 \iff \operatorname{rk} u = \dim E = \dim F \iff \operatorname{im} u = F (karena subruang yang berdimensi penuh adalah segalanya, Teorema 19.14)   ⟺  \iff surjektif. ∎

Contoh 20.10 (Interpolasi, secara struktural)

Tetapkanlah x0,…,xnx_0, \dots, x_n yang berbeda lalu misalkan u ⁣:Rn[X]→Rn+1u \colon \R_n[X] \to \R^{n+1}, P↦(P(x0),…,P(xn))P \mapsto (P(x_0), \dots, P(x_n)): yang linear. Adapun kernelnya adalah {P:deg⁡P≤n, n+1 akar}={0}\{P : \deg P \leq n,\ n+1 \text{ akar}\} = \{0\} (Akibat 8.8). Dengan dimensi yang sama n+1n + 1: maka uu sebuah isomorfisma — sehingga keberadaan dan ketunggalan interpolan Lagrange (Teorema 8.23) dalam satu baris.

Adapun pola satu baris yang sama menangani data yang mencampur nilai dan turunan: v ⁣:R3[X]→R4v \colon \R_3[X] \to \R^4, P↦(P(0),P′(0),P(1),P′(1))P \mapsto \bigl(P(0), P'(0), P(1), P'(1)\bigr) bersifat linear, dan kernelnya terdiri atas polinomial berderajat ≤3\leq 3 dengan akar rangkap di 00 dan 11, yakni terbagi oleh X2(X−1)2X^2(X-1)^2 yang berderajat 44: sehingga hanya P=0P = 0. Dengan dimensi yang sama lagi: setiap kuadruple data (P(0),P′(0),P(1),P′(1))(P(0), P'(0), P(1), P'(1)) terwujud oleh tepat satu kubik — yaitu interpolasi Hermite, yang diberikan oleh perhitungan kernel sebelum rumus apa pun dituliskan (adapun soal akhir pekan Bab 22 bertemu determinannya).

Contoh 20.11 (Rank–nulitas dalam kerja: operator selisihnya)

Misalkan Δ ⁣:Rn[X]→Rn[X]\Delta \colon \R_n[X] \to \R_n[X], P↦P(X+1)−P(X)P \mapsto P(X+1) - P(X): yang linear. Kernelnya: jika ΔP=0\Delta P = 0, maka P(0)=P(1)=P(2)=…P(0) = P(1) = P(2) = \dots, sehingga P−P(0)P - P(0) berakar tak hingga banyak dan lenyap (Akibat 8.8): jadi ker⁡Δ\ker\Delta adalah garis konstantanya. Lalu rank–nulitas: rk⁡Δ=(n+1)−1=n\operatorname{rk}\Delta = (n + 1) - 1 = n. Dan karena deg⁡ΔP<deg⁡P\deg \Delta P < \deg P untuk PP yang takkonstan (sebab suku puncaknya saling meniadakan), im⁡Δ⊆Rn−1[X]\operatorname{im}\Delta \subseteq \R_{n-1}[X], yang berdimensi tepat nn: sehingga inklusinya menjadi kesamaan. Kesimpulannya, tanpa perhitungan prapeta apa pun: bahwa setiap polinomial QQ berderajat ≤n−1\leq n - 1 merupakan selisih Q=P(X+1)−P(X)Q = P(X+1) - P(X) — jadi antiturunan diskretnya ada. (Bandingkanlah soal akhir pekan Bab 18, yang di situ Δ\Delta dibalik secara eksplisit pada basis binomialnya.)

Contoh 20.12 (Pembukuan rank sepanjang sebuah komposisi)

Pada R2[X]\R_2[X], susunlah turunan D(P)=P′D(P) = P' (yang ber-rank 22: dengan peta R1[X]\R_1[X], dan kernel konstantanya) dengan dirinya sendiri. Maka D∘D=D2D \circ D = D^2 memetakan P↦P′′P \mapsto P'', dengan peta R0[X]\R_0[X]: jadi ber-rank 11. Bandingkanlah dengan batas umumnya: yang kasar memberikan rk⁡D2≤min⁡(2,2)=2\operatorname{rk} D^2 \leq \min(2, 2) = 2; sedangkan rumus persis pada Latihan 20.12 memperhitungkan kehilangannya dengan tepat,

rk⁡D2=rk⁡D−dim⁡(ker⁡D∩im⁡D)=2−1=1,\operatorname{rk} D^2 = \operatorname{rk} D - \dim\bigl(\ker D \cap \operatorname{im} D\bigr) = 2 - 1 = 1 ,

karena konstantanya (yaitu kernel DD yang luar) duduk di dalam R1[X]\R_1[X] (yaitu peta DD yang dalam) dengan dimensi 11. Jadi rank hilang persis di tempat kernel yang luar menyergap peta yang dalam — itulah kalimat yang harus diingat ketika rank komposisinya berkelakuan buruk.

Contoh 20.13 (Kernel dan peta operator Euler)

Pada Rn[X]\R_n[X], misalkan u(P)=X P′u(P) = X\,P' (yang linear: karena pendiferensialan dan perkalian dengan XX demikian). Kernelnya: XP′=0XP' = 0 memaksa P′=0P' = 0 (karena hasil kali polinomial lenyap hanya bila salah satu faktornya demikian), sehingga ker⁡u\ker u adalah garis konstantanya. Petanya: pada basis monomialnya,

u(Xk)=k Xk(k=0,1,…,n),u(X^k) = k\,X^{k} \qquad (k = 0, 1, \dots, n),

sehingga im⁡u=Vect⁡(X,2X2,…,nXn)=Vect⁡(X,X2,…,Xn)\operatorname{im} u = \operatorname{Vect}(X, 2X^2, \dots, nX^n) = \operatorname{Vect}(X, X^2, \dots, X^n): yaitu polinomial yang bersuku konstan nol. Periksalah terhadap rank–nulitas: rk⁡u=(n+1)−1=n\operatorname{rk} u = (n + 1) - 1 = n, yang memang dimensi yang ditemukan. Ada dua catatan yang pantas disimpan. Pertama, di sini im⁡u⊕ker⁡u=Rn[X]\operatorname{im} u \oplus \ker u = \R_n[X] — tetapi itu kebetulan yang membahagiakan bagi operator ini, bukan sebuah teorema: karena bagi v(P)=P′v(P) = P' yang mirip geseran pada R1[X]\R_1[X], ker⁡v=im⁡v=R0[X]\ker v = \operatorname{im} v = \R_0[X] dan jumlahnya tak langsung. Kedua, relasi u(Xk)=kXku(X^k) = kX^k mengatakan bahwa setiap monomialnya sekadar diskalakan ulang oleh uu — yaitu basis yang disesuaikan dengan pemetaannya, yakni benih gagasan nilai eigen yang dikembangkan pada jilid Tahun 2.

20.3 Proyeksi dan simetri

Definisi 20.14

Misalkan E=F⊕GE = F \oplus G. Adapun proyeksi pada FF sepanjang GG memetakan x=f+gx = f + g (dengan penguraiannya yang tunggal) ke p(x)=fp(x) = f; sedangkan simetri yang berkaitan adalah s(x)=f−gs(x) = f - g. Keduanya linear, dan s=2p−ids = 2p - \mathrm{id}.

Teorema 20.15 (Pencirian aljabarnya)

  1. Sebuah endomorfisma pp merupakan proyeksi (pada suatu FF sepanjang suatu GG) jika dan hanya jika p∘p=pp \circ p = p; dan lalu F=im⁡p=ker⁡(p−id)F = \operatorname{im} p = \ker(p - \mathrm{id}) serta G=ker⁡pG = \ker p.
  2. Sebuah endomorfisma ss merupakan simetri jika dan hanya jika s∘s=ids \circ s = \mathrm{id}; dan lalu E=ker⁡(s−id)⊕ker⁡(s+id)E = \ker(s - \mathrm{id}) \oplus \ker(s + \mathrm{id}).

Bukti. (1) Sebuah proyeksi memenuhi p(f+g)=fp(f + g) = f dan p(f)=fp(f) = f: sehingga p2=pp^2 = p. Sebaliknya, misalkan p2=pp^2 = p; tetapkanlah F=im⁡pF = \operatorname{im} p, G=ker⁡pG = \ker p. Maka setiap xx tertulis x=p(x)+(x−p(x))x = p(x) + (x - p(x)) dengan p(x)∈Fp(x) \in F dan p(x−p(x))=p(x)−p2(x)=0p\bigl(x - p(x)\bigr) = p(x) - p^2(x) = 0: sehingga E=F+GE = F + G. Jika y∈F∩Gy \in F \cap G: maka y=p(z)y = p(z) dan p(y)=0p(y) = 0, sehingga y=p(z)=p2(z)=p(y)=0y = p(z) = p^2(z) = p(y) = 0: jadi jumlahnya langsung, dan pp merupakan proyeksi pada FF sepanjang GG. Akhirnya pada FF: y=p(z)y = p(z) memberikan p(y)=yp(y) = y, sehingga F⊆ker⁡(p−id)F \subseteq \ker(p - \mathrm{id}), dan sebaliknya p(y)=yp(y) = y menaruh yy di petanya.

(2) Korespondensi s=2p−ids = 2p - \mathrm{id}, p=s+id2p = \frac{s + \mathrm{id}}2 merupakan bijeksi antara endomorfismanya, dan di bawahnya

s2=4p2−4p+id=id  ⟺  4p2=4p  ⟺  p2=p:s^2 = 4p^2 - 4p + \mathrm{id} = \mathrm{id} \iff 4p^2 = 4p \iff p^2 = p :

sehingga simetrinya tepat bersesuaian dengan proyeksinya. Lalu menerjemahkan subruangnya: s(x)=x  ⟺  p(x)=xs(x) = x \iff p(x) = x, sehingga ker⁡(s−id)=im⁡p=F\ker(s - \mathrm{id}) = \operatorname{im} p = F; sedangkan s(x)=−x  ⟺  2p(x)=0  ⟺  x∈ker⁡p=Gs(x) = -x \iff 2p(x) = 0 \iff x \in \ker p = G, sehingga ker⁡(s+id)=G\ker(s + \mathrm{id}) = G. Jadi jumlah langsung E=F⊕GE = F \oplus G pada butir (1) menjadi penguraian yang diumumkan menjadi vektor yang tetap dan vektor yang terbalik oleh ss. ∎

Contoh 20.16 (Sebuah proyeksi dan simetrinya, secara eksplisit)

Di dalam R2\R^2, proyeksikanlah pada F=Vect⁡(1,1)F = \operatorname{Vect}(1,1) sepanjang G=Vect⁡(0,1)G = \operatorname{Vect}(0,1). Uraikanlah (x,y)=a(1,1)+b(0,1)(x, y) = a(1,1) + b(0,1): maka koordinat pertamanya memberikan a=xa = x, dan yang kedua b=y−xb = y - x. Sehingga

p(x,y)=(x,x),s(x,y)=2p(x,y)−(x,y)=(x, 2x−y).p(x, y) = (x, x), \qquad s(x, y) = 2p(x,y) - (x,y) = (x,\ 2x - y).

Periksalah aljabarnya: p(p(x,y))=p(x,x)=(x,x)p(p(x,y)) = p(x,x) = (x,x), dan s(s(x,y))=s(x,2x−y)=(x,2x−(2x−y))=(x,y)s(s(x,y)) = s(x, 2x - y) = (x, 2x - (2x - y)) = (x, y). Secara geometri, ss merupakan “pencerminan miring” terhadap garis y=xy = x pada arah tegaknya: karena ia menetapkan FF titik demi titik dan membalikkan GG. Seandainya kita memproyeksikan pada FF yang sama sepanjang G′=Vect⁡(1,−1)G' = \operatorname{Vect}(1,-1), maka rumusnya akan berubah menjadi p′(x,y)=(x+y2,x+y2)p'(x,y) = \bigl(\frac{x+y}2, \frac{x+y}2\bigr): jadi sebuah proyeksi ditentukan oleh petanya dan kernelnya, tak pernah oleh petanya belaka.

Proyeksi pada F = Vect(1,1) sepanjang G = Vect(0,1) beserta simetrinya, pada titik M = (2,\ 0.5): dengan meluncur tegak, M mengenai F di p(M) = (2,2) lalu mendarat di s(M) = 2p(M) - M = (2,\ 3.5), sejauh di atas F (yang diukur sepanjang G) sebagaimana M tadi di bawahnya.
Proyeksi pada F=Vect⁡(1,1)F = \operatorname{Vect}(1,1) sepanjang G=Vect⁡(0,1)G = \operatorname{Vect}(0,1) beserta simetrinya, pada titik M=(2, 0.5)M = (2,\ 0.5): dengan meluncur tegak, MM mengenai FF di p(M)=(2,2)p(M) = (2,2) lalu mendarat di s(M)=2p(M)−M=(2, 3.5)s(M) = 2p(M) - M = (2,\ 3.5), sejauh di atas FF (yang diukur sepanjang GG) sebagaimana MM tadi di bawahnya.

20.4 Bentuk linear dan hiperbidang

Definisi 20.17

Sebuah bentuk linear pada EE adalah pemetaan linear φ ⁣:E→K\varphi \colon E \to K. Sedangkan hiperbidang EE (dengan dim⁡E=n\dim E = n) adalah subruang berdimensi n−1n - 1.

Contoh 20.18 (Sebuah bentuk penilaian dan hiperbidangnya)

Pada R2[X]\R_2[X], penilaian φ(P)=P(2)\varphi(P) = P(2) merupakan bentuk linear yang taknol (karena φ(1)=1\varphi(1) = 1). Adapun kernelnya adalah hiperbidang berisi polinomial yang lenyap di 22, yakni (menurut teorema faktor, Teorema 8.7) kelipatan X−2X - 2 di dalam R2[X]\R_2[X]:

ker⁡φ=Vect⁡(X−2, X(X−2)),dim⁡=2.\ker\varphi = \operatorname{Vect}\bigl(X - 2,\ X(X - 2)\bigr), \qquad \dim = 2 .

Dalam koordinat pada (1,X,X2)(1, X, X^2), φ(a+bX+cX2)=a+2b+4c\varphi(a + bX + cX^2) = a + 2b + 4c: jadi setiap bentuk linear pada ruang yang berdimensi hingga, begitu sebuah basis ditetapkan, merupakan ungkapan linear yang tetap dalam koordinatnya — sehingga bentuknya menjadi “vektor baris”, sebagaimana Bab 21 akan membuatnya harfiah, dan baris koefisien di sini, (1,2,4)(1, 2, 4), merupakan baris Vandermonde: jadi bentuk penilaian adalah cara teori interpolasi pada soal akhir pekan Bab 22 masuk ke aljabar linear.

Teorema 20.19

Hiperbidang EE tepat merupakan kernel bentuk linear yang taknol. Dan dua bentuk taknol berkernel sama jika dan hanya jika keduanya sebanding.

Bukti. Jika φ≠0\varphi \neq 0: maka rk⁡φ=1\operatorname{rk}\varphi = 1 (karena petanya subruang taknol pada KK), sehingga dim⁡ker⁡φ=n−1\dim\ker\varphi = n - 1: yaitu sebuah hiperbidang. Sebaliknya, misalkan HH sebuah hiperbidang, dengan (e1,…,en−1)(e_1, \dots, e_{n-1}) sebuah basis HH yang dilengkapi oleh ene_n: maka bentuk “koordinat terakhir” berkernel HH.

Adapun bentuk yang sebanding berbagi kernelnya. Sebaliknya, andaikan ker⁡φ=ker⁡ψ=H\ker\varphi = \ker\psi = H lalu pilihlah a∉Ha \notin H: maka setiap xx tertulis x=h+λax = h + \lambda a (karena E=H⊕KaE = H \oplus Ka), dan

φ(x)=λφ(a),ψ(x)=λψ(a):\varphi(x) = \lambda \varphi(a), \qquad \psi(x) = \lambda\psi(a):

sehingga φ=φ(a)ψ(a) ψ\varphi = \frac{\varphi(a)}{\psi(a)}\,\psi. ∎

Contoh 20.20

Di dalam KnK^n, sebuah hiperbidang merupakan himpunan penyelesaian {a1x1+⋯+anxn=0}\{a_1 x_1 + \dots + a_n x_n = 0\} dengan tak semua aia_i nol — yaitu persamaan yang dikenal bagi sebuah bidang lewat titik asal di R3\R^3. Adapun pada ruang fungsi, bentuk penilaian P↦P(1)P \mapsto P(1) atau f↦∫01ff \mapsto \int_0^1 f mendefinisikan hiperbidang Rn[X]\R_n[X], dan C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) (bandingkan Latihan 19.6).

Contoh 20.21 (Satu hiperbidang, yang dikerjakan tiga cara)

Ambillah φ(x,y,z)=x−2y+3z\varphi(x, y, z) = x - 2y + 3z pada R3\R^3 dan H=ker⁡φH = \ker\varphi. Basisnya: pecahkanlah x=2y−3zx = 2y - 3z:

(2y−3z, y, z)=y (2,1,0)+z (−3,0,1),(2y - 3z,\ y,\ z) = y\,(2, 1, 0) + z\,(-3, 0, 1),

yaitu dua vektor yang bebas: sehingga dim⁡H=2\dim H = 2, jadi sebuah hiperbidang, sebagaimana diramalkan Teorema 20.19 dari φ≠0\varphi \neq 0. Garis pelengkapnya: sebarang vektor di luar HH merentangnya, misalnya a=(1,0,0)a = (1, 0, 0) (karena φ(a)=1≠0\varphi(a) = 1 \neq 0); dan penguraian sebarang vv bersifat eksplisit:

v=(v−φ(v) a)⏟∈ H+φ(v) a⏟∈ Vect⁡(a),v = \underbrace{\bigl(v - \varphi(v)\,a\bigr)}_{\in\,H} + \underbrace{\varphi(v)\,a}_{\in\,\operatorname{Vect}(a)},

karena φ(v−φ(v)a)=φ(v)−φ(v)φ(a)=0\varphi\bigl(v - \varphi(v)a\bigr) = \varphi(v) - \varphi(v)\varphi(a) = 0. Kesebandingannya: jika ψ(x,y,z)=−2x+4y−6z\psi(x,y,z) = -2x + 4y - 6z, maka ψ=−2φ\psi = -2\varphi dan keduanya berkernel HH; sebaliknya, sebarang bentuk yang lenyap pada HH merupakan kelipatan φ\varphi (Latihan 20.8) — jadi persamaan sebuah hiperbidang tunggal sampai skalanya, yaitu fakta yang terus-menerus dipakai bagi bidang dalam geometri.

Catatan 20.22 (Jebakan yang lazim)

Kernel dan peta hidup di ruang yang berbeda: karena ker⁡u⊆E\ker u \subseteq E, im⁡u⊆F\operatorname{im} u \subseteq F; sehingga jumlah ker⁡u+im⁡u\ker u + \operatorname{im} u hanya bermakna bagi endomorfisma, dan bahkan lalu ia tak harus langsung (karena u(x,y)=(y,0)u(x, y) = (y, 0) mempunyai ker⁡u=im⁡u\ker u = \operatorname{im} u; adapun Latihan 20.7 mencirikan kapan kelangsungannya berlaku). u2=0u^2 = 0 tak berarti u=0u = 0: karena u(x,y)=(y,0)u(x,y) = (y, 0) yang sama berkuadrat nol tanpa lenyap — adapun yang sungguh dikatakan u2=0u^2 = 0 adalah im⁡u⊆ker⁡u\operatorname{im} u \subseteq \ker u (Latihan 20.5). Injektif   ⟺  \iff surjektif menuntut dimensi hingga yang sama: karena pada K[X]K[X], turunannya bersifat surjektif dan tak injektif, sedangkan P↦XPP \mapsto XP injektif dan tak surjektif (Akibat 20.9); dan di antara ruang yang berdimensi berbeda, satu implikasinya sekadar mustahil (karena rk⁡u≤min⁡(dim⁡E,dim⁡F)\operatorname{rk} u \leq \min(\dim E, \dim F)). Menetapkan peta berjalan pada sebuah basis, bukan pada keluarga apa pun: karena menuntut u(1,0)=au(1, 0) = a, u(0,1)=bu(0, 1) = b, u(1,1)=cu(1, 1) = c menentukan uu secara berlebihan kecuali bila c=a+bc = a + b; jadi pemetaan linear bebas pada sebuah basis, tetapi terbelenggu di mana pun selainnya. Rank tak terawetkan oleh komposisi: karena ia hanya dapat turun, rk⁡(vu)≤min⁡(rk⁡u,rk⁡v)\operatorname{rk}(vu) \leq \min(\operatorname{rk} u, \operatorname{rk} v) (Latihan 20.4), dengan kehilangannya yang persis terukur pada Latihan 20.12.

Catatan 20.23 (Ke mana pemetaan ini pergi)

Pemetaan linear segera akan menjadi matriks: karena begitu basisnya ditetapkan, Bab 21 menyandikan setiap u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) lewat sebuah larik persegi panjang, dan komposisinya menjadi hasil kali matriks — lalu rank–nulitas menggerakkan teori sistem linear pada Bab 22. Adapun proyeksi kembali pada Bab 23 dalam kasus khususnya yang paling berguna, yaitu proyeksi ortogonal, yang di situ kernelnya dipilih tegak lurus terhadap petanya. Sedangkan soal akhir pekan di bawah mendorong aljabar proyektornya sejauh yang dijangkau perkakas tahun pertama, sampai lema Fitting; adapun jilid Tahun 2 melangkah lebih jauh dengan trace dan dengan teori nilai eigen, yang bagi teori itu proyektor pada subruang yang stabil merupakan balok bangunan dasarnya.

Catatan 20.24 (Cakrawala di dalam Buku 3: rank–nulitas tiga kali lagi)

Hukum kekekalan dim⁡E=dim⁡ker⁡u+rk⁡u\dim E = \dim\ker u + \operatorname{rk} u akan dibaca ulang tiga kali sebelum jilid ini berakhir. Pada Bab 22 ia menjadi bentuk himpunan penyelesaiannya: bahwa sistem yang selaras dengan pp anu dan ber-rank rr mempunyai himpunan penyelesaian berdimensi p−rp - r — yaitu dimensi kernel yang menyamar. Pada Bab 23 ia membelah secara ortogonal, dim⁡F+dim⁡F⊥=dim⁡E\dim F + \dim F^\perp = \dim E, lalu menggerakkan setiap perhitungan jarak. Sedangkan pada soal akhir pekan Bab 25, ia menjadi akuntan kuadrat terkecilnya: yaitu nn pengamatan, 22 parameter yang dicocokkan, dan n−2n - 2 dimensi sisanya, dengan kesamaan Pythagoras ∥b∥2=∥p∥2+∥b−p∥2\norm b^2 = \norm p^2 + \norm{b - p}^2 sebagai bayangan Euclid rank–nulitas. Jadi satu teorema, empat kostum.

20.5 Latihan

Latihan 20.1 ★

Pemetaan mana yang linear?

  1. R2→R2\R^2 \to \R^2, (x,y)↦(x+y,x−2y)(x, y) \mapsto (x + y, x - 2y);
  2. R2→R\R^2 \to \R, (x,y)↦xy(x, y) \mapsto xy;
  3. R[X]→R[X]\R[X] \to \R[X], P↦P′+XPP \mapsto P' + XP;
  4. F(R,R)→R\mathcal{F}(\R,\R) \to \R, f↦f(3)f \mapsto f(3).
Solusi

Solusi Latihan 20.1.

(1) Linear: karena koordinatnya berupa ungkapan linear. (2) Tak linear: karena u(2(1,1))=4≠2=2u(1,1)u(2(1,1)) = 4 \neq 2 = 2u(1,1). (3) Linear: karena pendiferensialan dan perkalian dengan XX demikian, dan jumlah pemetaan linear pun demikian. (4) Linear: karena penilaian menghormati operasi titik demi titiknya.

Latihan 20.2 ★

Misalkan u ⁣:R3→R3u \colon \R^3 \to \R^3, (x,y,z)↦(x+y−z,  2x+y+z,  3x+2y)(x,y,z) \mapsto (x + y - z,\; 2x + y + z,\; 3x + 2y). Tentukanlah ker⁡u\ker u (yaitu basis dan dimensinya), rk⁡u\operatorname{rk} u, serta sebuah basis im⁡u\operatorname{im} u. Apakah uu injektif? Dan surjektif?

Solusi

Solusi Latihan 20.2.

Kernelnya: pecahkanlah x+y−z=0x + y - z = 0, 2x+y+z=02x + y + z = 0, 3x+2y=03x + 2y = 0. Dari yang ketiga, y=−3x2y = -\frac{3x}{2}; lalu yang pertama memberikan z=x+y=−x2z = x + y = -\frac x2; lalu periksalah pada yang kedua: 2x−3x2−x2=02x - \frac{3x}{2} - \frac x2 = 0: jadi terpenuhi. Sehingga ker⁡u=Vect⁡((2,−3,−1))\ker u = \operatorname{Vect}\bigl((2, -3, -1)\bigr) (dengan mengambil x=2x = 2), berdimensi 11.

Lalu rank–nulitas: rk⁡u=3−1=2\operatorname{rk} u = 3 - 1 = 2. Adapun petanya: direntang oleh peta basis kanoniknya, u(e1)=(1,2,3)u(e_1) = (1,2,3), u(e2)=(1,1,2)u(e_2) = (1,1,2), u(e3)=(−1,1,0)u(e_3) = (-1,1,0); dengan dua yang pertama bebas, dan ranknya 22: sehingga basisnya ((1,2,3),(1,1,2))\bigl((1,2,3), (1,1,2)\bigr).

Jadi tak injektif (karena ker⁡≠{0}\ker \neq \{0\}), dan tak surjektif (karena ranknya 2<32 < 3): yang selaras dengan Akibat 20.9.

Latihan 20.3 ★

Misalkan u ⁣:Rn[X]→Rn[X]u \colon \R_n[X] \to \R_n[X], P↦P−P′P \mapsto P - P'. Buktikan bahwa uu sebuah isomorfisma: sekali lewat ker⁡u\ker u, sekali lagi dengan menunjukkan inversnya (tinjaulah P+P′+P′′+…P + P' + P'' + \dots).

Solusi

Solusi Latihan 20.3.

Kernelnya: P=P′P = P' memaksa deg⁡P=deg⁡P′\deg P = \deg P' kecuali bila P=0P = 0; padahal deg⁡P′<deg⁡P\deg P' < \deg P untuk P≠0P \neq 0: sehingga ker⁡u={0}\ker u = \{0\}, dan uu, sebagai endomorfisma injektif pada Rn[X]\R_n[X] yang berdimensi hingga, merupakan isomorfisma (Akibat 20.9).

Inversnya: misalkan v(P)=P+P′+P′′+⋯+P(n)v(P) = P + P' + P'' + \dots + P^{(n)} (yaitu jumlah yang hingga pada Rn[X]\R_n[X]). Maka

v(u(P))=∑k=0n(P−P′)(k)=∑k=0nP(k)−∑k=0nP(k+1)=P−P(n+1)=P,v\bigl(u(P)\bigr) = \sum_{k=0}^{n} (P - P')^{(k)} = \sum_{k=0}^{n} P^{(k)} - \sum_{k=0}^{n} P^{(k+1)} = P - P^{(n+1)} = P ,

secara teleskopis, karena P(n+1)=0P^{(n+1)} = 0. Jadi v=u−1v = u^{-1}.

Latihan 20.4 ★

Misalkan u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) dan v∈L(F,G)v \in \mathcal{L}(F, G), dengan ruang yang berdimensi hingga. Buktikan:

rk⁡(v∘u)≤min⁡(rk⁡u, rk⁡v).\operatorname{rk}(v \circ u) \leq \min\bigl(\operatorname{rk} u,\ \operatorname{rk} v\bigr).
Solusi

Solusi Latihan 20.4.

Di sini im⁡(v∘u)=v(im⁡u)⊆im⁡v\operatorname{im}(v \circ u) = v(\operatorname{im} u) \subseteq \operatorname{im} v: sehingga ranknya ≤rk⁡v\leq \operatorname{rk} v. Dan vv yang dibatasi pada im⁡u\operatorname{im} u berpeta im⁡(vu)\operatorname{im}(vu), sehingga dengan rank–nulitas di dalam im⁡u\operatorname{im} u: rk⁡(vu)≤dim⁡im⁡u=rk⁡u\operatorname{rk}(vu) \leq \dim\operatorname{im} u = \operatorname{rk} u.

Latihan 20.5 ★★

Misalkan uu sebuah endomorfisma EE (yang berdimensi hingga) dengan u2=0u^2 = 0. Buktikan bahwa im⁡u⊆ker⁡u\operatorname{im} u \subseteq \ker u, sehingga rk⁡u≤dim⁡E2\operatorname{rk} u \leq \frac{\dim E}{2}. Untuk E=R2E = \R^2, berikanlah sebuah contoh dengan kesamaannya.

Solusi

Solusi Latihan 20.5.

Persamaan u2=0u^2 = 0 berarti u(u(x))=0u(u(x)) = 0 untuk setiap xx: sehingga setiap u(x)u(x) terletak di ker⁡u\ker u, yakni im⁡u⊆ker⁡u\operatorname{im} u \subseteq \ker u. Lalu menurut rank–nulitas:

dim⁡E=dim⁡ker⁡u+rk⁡u≥2rk⁡u.\dim E = \dim\ker u + \operatorname{rk} u \geq 2\operatorname{rk} u .

Adapun contoh kesamaannya di R2\R^2: u(x,y)=(y,0)u(x, y) = (y, 0): karena u2=0u^2 = 0, rk⁡u=1=dim⁡E2\operatorname{rk} u = 1 = \frac{\dim E}{2}.

Latihan 20.6 ★★

Misalkan p,qp, q proyeksi EE dengan p∘q=q∘pp \circ q = q \circ p. Buktikan bahwa p∘qp \circ q sebuah proyeksi, dengan

im⁡(pq)=im⁡p∩im⁡q,ker⁡(pq)=ker⁡p+ker⁡q.\operatorname{im}(pq) = \operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q , \qquad \ker (pq) = \ker p + \ker q .
Solusi

Solusi Latihan 20.6.

Di sini (pq)2=pqpq=ppqq=pq(pq)^2 = pqpq = ppqq = pq (menurut komutasinya): jadi sebuah proyeksi (Teorema 20.15).

Petanya: im⁡(pq)⊆im⁡p\operatorname{im}(pq) \subseteq \operatorname{im} p, dan =im⁡(qp)⊆im⁡q= \operatorname{im}(qp) \subseteq \operatorname{im} q: sehingga termuat di irisannya. Sebaliknya, jika x∈im⁡p∩im⁡qx \in \operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q, maka p(x)=xp(x) = x dan q(x)=xq(x) = x (karena titik tetapnya mencirikan peta sebuah proyeksi), sehingga pq(x)=xpq(x) = x: jadi x∈im⁡(pq)x \in \operatorname{im}(pq).

Kernelnya: ker⁡p⊆ker⁡(qp)=ker⁡(pq)\ker p \subseteq \ker(qp) = \ker(pq) dan demikian pula ker⁡q⊆ker⁡(pq)\ker q \subseteq \ker(pq): sehingga jumlahnya termuat. Sebaliknya, misalkan pq(x)=0pq(x) = 0, lalu tulislah

x=q(x)⏟∈ ker⁡p+(x−q(x))⏟∈ ker⁡q:x = \underbrace{q(x)}_{\in\, \ker p} + \underbrace{(x - q(x))}_{\in\, \ker q} :

maka suku pertamanya memenuhi p(q(x))=0p(q(x)) = 0, sehingga ia terletak di ker⁡p\ker p; sedangkan yang kedua berada di ker⁡q\ker q karena q(x−q(x))=q(x)−q2(x)=0q(x - q(x)) = q(x) - q^2(x) = 0. Jadi x∈ker⁡p+ker⁡qx \in \ker p + \ker q.

Latihan 20.7 ★★

Misalkan u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E), dengan EE yang berdimensi hingga. Buktikan kesetaraan antara:

  1. E=ker⁡u⊕im⁡uE = \ker u \oplus \operatorname{im} u;
  2. ker⁡u=ker⁡u2\ker u = \ker u^2;
  3. im⁡u=im⁡u2\operatorname{im} u = \operatorname{im} u^2.
Solusi

Solusi Latihan 20.7.

Perhatikanlah lebih dulu inklusi umumnya ker⁡u⊆ker⁡u2\ker u \subseteq \ker u^2 dan im⁡u2⊆im⁡u\operatorname{im} u^2 \subseteq \operatorname{im} u, lalu menurut rank–nulitas, (2)   ⟺  \iff (3) (karena kernel yang sama   ⟺  \iff rank yang sama   ⟺  \iff peta yang sama, mengingat inklusinya).

(1 ⇒\Rightarrow 2): misalkan u2(x)=0u^2(x) = 0; maka u(x)∈ker⁡u∩im⁡u={0}u(x) \in \ker u \cap \operatorname{im} u = \{0\}, sehingga x∈ker⁡ux \in \ker u.

(2 ⇒\Rightarrow 1): menurut Grassmann dan rank–nulitas, dim⁡(ker⁡u+im⁡u)=dim⁡ker⁡u+rk⁡u−dim⁡(ker⁡u∩im⁡u)=dim⁡E−dim⁡(ker⁡u∩im⁡u)\dim(\ker u + \operatorname{im} u) = \dim\ker u + \operatorname{rk} u - \dim(\ker u \cap \operatorname{im} u) = \dim E - \dim(\ker u \cap \operatorname{im} u): sehingga jumlahnya adalah EE jika dan hanya jika irisannya {0}\{0\}. Misalkan y∈ker⁡u∩im⁡uy \in \ker u \cap \operatorname{im} u: maka y=u(x)y = u(x) dan u(y)=0u(y) = 0, sehingga u2(x)=0u^2(x) = 0, jadi (menurut (2)) u(x)=0u(x) = 0: sehingga y=0y = 0. Jadi E=ker⁡u⊕im⁡uE = \ker u \oplus \operatorname{im} u.

Latihan 20.8 ★★

Misalkan φ,ψ\varphi, \psi bentuk linear pada EE dengan ker⁡φ⊆ker⁡ψ\ker\varphi \subseteq \ker\psi. Buktikan ψ=λφ\psi = \lambda\varphi untuk suatu λ∈K\lambda \in K (termasuk kasus yang merosot).

Solusi

Solusi Latihan 20.8.

Jika φ=0\varphi = 0: maka ker⁡φ=E⊆ker⁡ψ\ker\varphi = E \subseteq \ker\psi memaksa ψ=0=0⋅φ\psi = 0 = 0\cdot\varphi. Sedangkan jika φ≠0\varphi \neq 0: maka ker⁡φ\ker\varphi sebuah hiperbidang; pilihlah a∉ker⁡φa \notin \ker\varphi. Tetapkanlah λ=ψ(a)φ(a)\lambda = \frac{\psi(a)}{\varphi(a)}. Maka bentuk ψ−λφ\psi - \lambda\varphi lenyap pada ker⁡φ\ker\varphi (karena keduanya demikian, menurut inklusinya) dan di aa: sehingga ia lenyap pada ker⁡φ⊕Ka=E\ker\varphi \oplus Ka = E. Jadi ψ=λφ\psi = \lambda\varphi.

Latihan 20.9 ★★★

Misalkan u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E) dengan dim⁡E=n\dim E = n, dan andaikan un=0u^n = 0 tetapi un−1≠0u^{n-1} \neq 0 (yaitu endomorfisma yang nilpoten maksimal). Pilihlah xx dengan un−1(x)≠0u^{n-1}(x) \neq 0; lalu buktikan bahwa (x,u(x),…,un−1(x))\bigl(x, u(x), \dots, u^{n-1}(x)\bigr) merupakan basis EE. (Terapkanlah pangkat uu pada sebuah kombinasi nol, dimulai dengan un−1u^{n-1}.)

Solusi

Solusi Latihan 20.9.

Andaikan λ0x+λ1u(x)+⋯+λn−1un−1(x)=0\lambda_0 x + \lambda_1 u(x) + \dots + \lambda_{n-1} u^{n-1}(x) = 0. Terapkanlah un−1u^{n-1}: maka semua suku berfaktor u≥nu^{\geq n} mati, sehingga menyisakan λ0un−1(x)=0\lambda_0 u^{n-1}(x) = 0, jadi λ0=0\lambda_0 = 0. Lalu terapkanlah un−2u^{n-2} pada relasi yang tersisa: λ1un−1(x)=0\lambda_1 u^{n-1}(x) = 0, sehingga λ1=0\lambda_1 = 0; dan seterusnya. Jadi keluarganya bebas; dan karena berukuran n=dim⁡En = \dim E, ia sebuah basis (Proposisi 19.8). (Pada basis ini, uu bertindak sebagai geseran — yaitu model kenilpotenan yang maksimal.)

Latihan 20.10 ★★★

Misalkan f∈L(Rn)f \in \mathcal{L}(\R^n) dengan f∘f=−idf \circ f = -\mathrm{id}.

  1. Buktikan bahwa ff sebuah isomorfisma dan bahwa tak ada x≠0x \neq 0 yang memenuhi f(x)=λxf(x) = \lambda x dengan λ∈R\lambda \in \R.
  2. Buktikan bahwa nn genap. Petunjuk: pilihlah x1≠0x_1 \neq 0; tunjukkan bahwa Vect⁡(x1,f(x1))\operatorname{Vect}(x_1, f(x_1)) merupakan bidang yang stabil di bawah ff; lalu pilihlah x2x_2 di luarnya dan ulangi, sambil membuktikan bahwa (x1,f(x1),x2,f(x2),… )\bigl(x_1, f(x_1), x_2, f(x_2), \dots\bigr) tetap bebas.
Solusi

Solusi Latihan 20.10.

  1. Pemetaan f∘f=−idf \circ f = -\mathrm{id} bersifat bijektif, sehingga ff demikian (Proposisi 1.26 yang disesuaikan: karena ff mempunyai invers dua sisinya −f-f). Jika f(x)=λxf(x) = \lambda x dengan x≠0x \neq 0: maka menerapkan ff, −x=λ2x-x = \lambda^2 x, sehingga λ2=−1\lambda^2 = -1: yang mustahil di R\R.
  2. Bangunlah keluarganya secara rakus. Ambillah x1≠0x_1 \neq 0: maka (x1,f(x1))(x_1, f(x_1)) bebas menurut (1). Jika Vect⁡\operatorname{Vect} atas keluarga yang berjalan (x1,f(x1),…,xk,f(xk))\bigl(x_1, f(x_1), \dots, x_k, f(x_k)\bigr), yang kita sebut VkV_k — yaitu subruang yang stabil di bawah ff (karena setiap pembangunnya terpetakan ke pembangun lain atau lawannya: f(f(xi))=−xif(f(x_i)) = -x_i) — bukan seluruh EE, maka pilihlah xk+1∉Vkx_{k+1} \notin V_k. Klaimnya: keluarga yang diperbesar itu bebas. Andaikan αxk+1+βf(xk+1)+v=0\alpha x_{k+1} + \beta f(x_{k+1}) + v = 0 dengan v∈Vkv \in V_k dan (α,β)≠(0,0)(\alpha, \beta) \neq (0,0). Terapkanlah ff: αf(xk+1)−βxk+1+f(v)=0\alpha f(x_{k+1}) - \beta x_{k+1} + f(v) = 0 dengan f(v)∈Vkf(v) \in V_k. Lalu hapuslah f(xk+1)f(x_{k+1}) di antara kedua relasinya (kalikanlah yang pertama dengan α\alpha, yang kedua dengan −β-\beta, lalu jumlahkan):

    (α2+β2) xk+1∈Vk,(\alpha^2 + \beta^2)\, x_{k+1} \in V_k ,

    dan α2+β2≠0\alpha^2 + \beta^2 \neq 0 memaksa xk+1∈Vkx_{k+1} \in V_k: yang bertentangan. Jadi konstruksinya berlanjut, sambil menambahkan vektor dua sekaligus, sampai Vk=EV_k = E: sehingga keluarga akhirnya sebuah basis berukuran genap, jadi nn genap.

Latihan 20.11 ★★

Misalkan u,v∈L(E,F)u, v \in \mathcal{L}(E, F), dengan ruang yang berdimensi hingga. Buktikan batas dua sisinya

∣rk⁡u−rk⁡v∣  ≤  rk⁡(u+v)  ≤  rk⁡u+rk⁡v.\abs{\operatorname{rk} u - \operatorname{rk} v} \;\leq\; \operatorname{rk}(u + v) \;\leq\; \operatorname{rk} u + \operatorname{rk} v .

(Untuk batas atasnya, bandingkanlah im⁡(u+v)\operatorname{im}(u+v) dengan im⁡u+im⁡v\operatorname{im} u + \operatorname{im} v; sedangkan untuk yang bawah, terapkanlah batas atasnya dengan cerdik.)

Solusi

Solusi Latihan 20.11.

Batas atasnya: untuk setiap xx, (u+v)(x)=u(x)+v(x)∈im⁡u+im⁡v(u + v)(x) = u(x) + v(x) \in \operatorname{im} u + \operatorname{im} v, sehingga

rk⁡(u+v)≤dim⁡(im⁡u+im⁡v)≤rk⁡u+rk⁡v\operatorname{rk}(u + v) \leq \dim(\operatorname{im} u + \operatorname{im} v) \leq \operatorname{rk} u + \operatorname{rk} v

(menurut Grassmann, Teorema 19.18). Adapun batas bawahnya: terapkanlah batas atasnya pada pasangan (u+v,−v)(u + v, -v), yang jumlahnya uu:

rk⁡u≤rk⁡(u+v)+rk⁡(−v)=rk⁡(u+v)+rk⁡v,\operatorname{rk} u \leq \operatorname{rk}(u + v) + \operatorname{rk}(-v) = \operatorname{rk}(u + v) + \operatorname{rk} v,

sehingga rk⁡u−rk⁡v≤rk⁡(u+v)\operatorname{rk} u - \operatorname{rk} v \leq \operatorname{rk}(u+v); lalu menukar uu dan vv memberikan nilai mutlaknya.

Latihan 20.12 ★★★

(Ketaksamaan Frobenius) Misalkan u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F), w∈L(F,G)w \in \mathcal{L}(F, G) dan v∈L(G,H)v \in \mathcal{L}(G, H), dengan semua ruangnya berdimensi hingga. Buktikan rumus yang persis

rk⁡(v∘w)=rk⁡w−dim⁡(ker⁡v∩im⁡w),\operatorname{rk}(v \circ w) = \operatorname{rk} w - \dim\bigl(\ker v \cap \operatorname{im} w\bigr),

lalu simpulkanlah ketaksamaan Frobenius

rk⁡(v∘w)+rk⁡(w∘u)  ≤  rk⁡w+rk⁡(v∘w∘u).\operatorname{rk}(v \circ w) + \operatorname{rk}(w \circ u) \;\leq\; \operatorname{rk} w + \operatorname{rk}(v \circ w \circ u) .

Periksalah bahwa kasus w=idFw = \mathrm{id}_F merupakan ketaksamaan Sylvester, yang dibuktikan dalam bentuk matriks pada Latihan 21.10.

Solusi

Solusi Latihan 20.12.

Rumus yang persis. Misalkan v′v' pembatasan vv pada subruang im⁡w\operatorname{im} w. Maka petanya adalah v(w(F))=im⁡(v∘w)v(w(F)) = \operatorname{im}(v \circ w), dan kernelnya adalah ker⁡v∩im⁡w\ker v \cap \operatorname{im} w. Lalu rank–nulitas bagi v′v' pada ruang im⁡w\operatorname{im} w:

rk⁡w=dim⁡im⁡w=rk⁡(v∘w)+dim⁡(ker⁡v∩im⁡w).\operatorname{rk} w = \dim\operatorname{im} w = \operatorname{rk}(v \circ w) + \dim(\ker v \cap \operatorname{im} w) .

Frobenius. Terapkanlah rumus yang persis itu dua kali, pada ww dan pada w∘uw \circ u:

rk⁡w−rk⁡(vw)=dim⁡(ker⁡v∩im⁡w),rk⁡(wu)−rk⁡(vwu)=dim⁡(ker⁡v∩im⁡(wu)).\operatorname{rk} w - \operatorname{rk}(vw) = \dim\bigl(\ker v \cap \operatorname{im} w\bigr), \qquad \operatorname{rk}(wu) - \operatorname{rk}(vwu) = \dim\bigl(\ker v \cap \operatorname{im}(wu)\bigr) .

Dan karena im⁡(w∘u)⊆im⁡w\operatorname{im}(w \circ u) \subseteq \operatorname{im} w, irisan yang kedua termuat di yang pertama, sehingga dimensinya tak lebih besar:

rk⁡(wu)−rk⁡(vwu)  ≤  rk⁡w−rk⁡(vw),\operatorname{rk}(wu) - \operatorname{rk}(vwu) \;\leq\; \operatorname{rk} w - \operatorname{rk}(vw) ,

yang tersusun ulang menjadi ketaksamaan Frobenius. Adapun dengan w=idFw = \mathrm{id}_F (yang ber-rank dim⁡F\dim F, dan im⁡ idF=F\operatorname{im}\, \mathrm{id}_F = F): rk⁡v+rk⁡u≤dim⁡F+rk⁡(vu)\operatorname{rk} v + \operatorname{rk} u \leq \dim F + \operatorname{rk}(vu), yaitu ketaksamaan Sylvester — yang dibuktikan lagi, dalam bentuk matriks, pada Latihan 21.10.

20.6 Soal: kalkulus proyektor dan lema Fitting

Soal 20.1

Proyeksi adalah endomorfisma yang dihasilkan jumlah langsung, dan sebaliknya: karena setiap kesamaan E=F1⊕⋯⊕FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k diam-diam merupakan sebuah keluarga proyektor yang berjumlah identitas. Soal ini mengembangkan kamus itu — yaitu aljabar satu proyektor, dua proyektor, dan kk proyektor — lalu menerapkan gagasan kestabilan yang sama pada sebarang endomorfisma dan membuktikan lema Fitting: bahwa setiap endomorfisma sebuah ruang yang berdimensi hingga terbelah menjadi bagian nilpoten dan bagian yang dapat dibalik. Di sepanjang soal ini, EE adalah ruang vektor atas KK yang berdimensi nn, dan proyektor berarti p∈L(E)p \in \mathcal{L}(E) dengan p2=pp^2 = p (Teorema 20.15).

Bagian I — Aljabar di sekitar satu proyektor. Misalkan pp sebuah proyektor, dengan p≠0p \neq 0, p≠idp \neq \mathrm{id}.

  1. Tunjukkan bahwa id−p\mathrm{id} - p sebuah proyektor lalu kenalilah im⁡(id−p)\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) dan ker⁡(id−p)\ker(\mathrm{id} - p).
  2. Hitunglah (λ id+μ p)2(\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p)^2 lalu tentukanlah semua pasangan (λ,μ)∈K2(\lambda, \mu) \in K^2 yang untuknya λ id+μ p\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p merupakan proyektor.
  3. Tunjukkan bahwa bidang Vect⁡(id,p)\operatorname{Vect}(\mathrm{id}, p) pada L(E)\mathcal{L}(E) stabil terhadap komposisi, dan bahwa untuk setiap polinomial Q∈K[X]Q \in K[X],

    Q(p)=Q(0) id+(Q(1)−Q(0)) p.Q(p) = Q(0)\,\mathrm{id} + \bigl(Q(1) - Q(0)\bigr)\,p .
  4. Tentukanlah untuk (λ,μ)(\lambda, \mu) yang mana pemetaan λ id+μ p\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p dapat dibalik, lalu berikanlah inversnya dalam bentuk α id+β p\alpha\,\mathrm{id} + \beta\,p. Tafsirkanlah jawabannya lewat tindakan λ id+μ p\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p pada im⁡p\operatorname{im} p dan pada ker⁡p\ker p.
  5. Misalkan p′p' proyektor lain dengan peta yang sama im⁡p′=im⁡p\operatorname{im} p' = \operatorname{im} p. Tunjukkan bahwa p p′=p′p\,p' = p' dan p′ p=pp'\,p = p. Apa yang dikatakan kesamaan ini tentang menyusun proyeksi pada subruang yang sama sepanjang kernel yang berbeda?

Bagian II — Dua proyektor. Misalkan p,qp, q proyektor EE; dan anggaplah karakteristiknya bukan 22 (yang benar bagi K=R,CK = \R, \C).

  1. Andaikan p+qp + q sebuah proyektor. Dengan menjabarkan (p+q)2(p + q)^2, tunjukkan pq+qp=0pq + qp = 0; lalu dengan menyusunnya bersama pp di kiri, kemudian di kanan, simpulkanlah pq=qppq = qp, lalu tutuplah dengan pq=qp=0pq = qp = 0.
  2. Sebaliknya, andaikan pq=qp=0pq = qp = 0. Tunjukkan bahwa p+qp + q sebuah proyektor, dengan

    im⁡(p+q)=im⁡p⊕im⁡q,ker⁡(p+q)=ker⁡p∩ker⁡q.\operatorname{im}(p + q) = \operatorname{im} p \oplus \operatorname{im} q, \qquad \ker(p + q) = \ker p \cap \ker q .
  3. Tunjukkan bahwa p−qp - q merupakan proyektor jika dan hanya jika pq=qp=qpq = qp = q. (Terapkanlah pertanyaan 6–7 pada id−p\mathrm{id} - p dan qq.)
  4. Tunjukkan makna geometri pq=qp=qpq = qp = q: bahwa ia berlaku jika dan hanya jika im⁡q⊆im⁡p\operatorname{im} q \subseteq \operatorname{im} p dan ker⁡p⊆ker⁡q\ker p \subseteq \ker q. (Lalu kita menulis q≤pq \leq p: “qq memproyeksikan pada yang lebih sedikit, sepanjang yang lebih banyak”.)
  5. Sekarang misalkan p,qp, q berkomutasi. Ingat kembali dari Latihan 20.6 bahwa pqpq merupakan proyektor pada im⁡p∩im⁡q\operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q sepanjang ker⁡p+ker⁡q\ker p + \ker q. Tunjukkan bahwa r=p+q−pqr = p + q - pq sebuah proyektor dengan

    im⁡r=im⁡p+im⁡q,ker⁡r=ker⁡p∩ker⁡q.\operatorname{im} r = \operatorname{im} p + \operatorname{im} q, \qquad \ker r = \ker p \cap \ker q .

    (Tinjaulah id−r=(id−p)(id−q)\mathrm{id} - r = (\mathrm{id} - p)(\mathrm{id} - q).)

Bagian III — Penguraian identitasnya.

  1. Misalkan E=F1⊕⋯⊕FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k dan, untuk x=x1+⋯+xkx = x_1 + \dots + x_k (dengan penguraiannya yang tunggal, xi∈Fix_i \in F_i), tetapkanlah pi(x)=xip_i(x) = x_i. Tunjukkan bahwa setiap pip_i sebuah proyektor, bahwa pipj=0p_i p_j = 0 untuk i≠ji \neq j, dan bahwa p1+⋯+pk=idp_1 + \dots + p_k = \mathrm{id}; lalu kenalilah im⁡pi\operatorname{im} p_i dan ker⁡pi\ker p_i.
  2. Sebaliknya, misalkan p1,…,pk∈L(E)p_1, \dots, p_k \in \mathcal{L}(E) memenuhi p1+⋯+pk=idp_1 + \dots + p_k = \mathrm{id} dan pipj=0p_i p_j = 0 untuk setiap i≠ji \neq j. Tunjukkan bahwa setiap pip_i sebuah proyektor dan bahwa E=im⁡p1⊕⋯⊕im⁡pkE = \operatorname{im} p_1 \oplus \dots \oplus \operatorname{im} p_k.
  3. Untuk dua proyektor dengan p+q=idp + q = \mathrm{id}: tunjukkan bahwa pq=qp=0pq = qp = 0 berlaku secara otomatis.
  4. Untuk tiga proyektor dengan p+q+r=idp + q + r = \mathrm{id}: tunjukkan bahwa p+qp + q sebuah proyektor, lalu simpulkanlah dari pertanyaan 6 bahwa semua hasil kali berpasangannya lenyap — sehingga E=im⁡p⊕im⁡q⊕im⁡rE = \operatorname{im} p \oplus \operatorname{im} q \oplus \operatorname{im} r, tanpa hipotesis apa pun atas hasil kalinya.
  5. Untuk kk proyektor dengan p1+⋯+pk=idp_1 + \dots + p_k = \mathrm{id}: tunjukkan lebih dulu bahwa untuk sebarang subruang, dim⁡(F1+⋯+Fk)≤dim⁡F1+⋯+dim⁡Fk\dim (F_1 + \dots + F_k) \leq \dim F_1 + \dots + \dim F_k, dengan kesamaannya jika dan hanya jika jumlahnya langsung; lalu tunjukkan E=im⁡p1+⋯+im⁡pkE = \operatorname{im} p_1 + \dots + \operatorname{im} p_k, lalu buktikanlah bahwa jika lebih lanjut ∑irk⁡pi≤n\sum_i \operatorname{rk} p_i \leq n, maka jumlahnya langsung dan pipj=0p_i p_j = 0 untuk i≠ji \neq j.

Bagian IV — Kernel yang berulang: lema Fitting. Misalkan u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E), dengan dim⁡E=n\dim E = n.

  1. Tunjukkan kedua rantainya, yang sah untuk setiap k≥0k \geq 0:

    ker⁡uk⊆ker⁡uk+1,im⁡uk+1⊆im⁡uk.\ker u^k \subseteq \ker u^{k+1}, \qquad \operatorname{im} u^{k+1} \subseteq \operatorname{im} u^k .
  2. Tunjukkan bahwa jika ker⁡ur=ker⁡ur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1} untuk suatu rr, maka ker⁡uk=ker⁡ur\ker u^{k} = \ker u^{r} untuk setiap k≥rk \geq r; lalu nyatakanlah dan buktikanlah kestabilan yang serupa bagi petanya.
  3. Simpulkan bahwa ada bilangan bulat terkecil rr dengan ker⁡ur=ker⁡ur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1}, bahwa r≤nr \leq n, dan bahwa petanya stabil pada rr yang sama.
  4. (Lema Fitting) Buktikan bahwa

    E  =  ker⁡ur ⊕ im⁡ur.E \;=\; \ker u^{r} \,\oplus\, \operatorname{im} u^{r} .
  5. Tunjukkan bahwa kedua subruangnya stabil di bawah uu, bahwa pembatasan uu pada ker⁡ur\ker u^{r} bersifat nilpoten, dan bahwa pembatasan uu pada im⁡ur\operatorname{im} u^{r} merupakan isomorfisma im⁡ur\operatorname{im} u^{r}: sehingga setiap endomorfisma, pada sebuah jumlah langsung yang kanonik, bersifat “nilpoten tambah dapat dibalik”.
  6. Misalkan π\pi proyektor pada ker⁡ur\ker u^{r} sepanjang im⁡ur\operatorname{im} u^{r}. Tunjukkan bahwa π∘u=u∘π\pi \circ u = u \circ \pi.

Bagian V — Sebuah kasus yang dikerjakan, dan sintesisnya.

  1. Misalkan u(x,y,z)=(y,0,z)u(x, y, z) = (y, 0, z) pada R3\R^3. Hitunglah u2u^2 dan u3u^3, tentukanlah indeks kestabilannya rr, kedua subruang ker⁡ur\ker u^{r} dan im⁡ur\operatorname{im} u^{r}, proyektor Fittingnya π\pi, lalu periksalah pada rumusnya bahwa πu=uπ\pi u = u\pi dan bahwa uu bersifat nilpoten pada satu faktornya, dan bijektif pada yang lain.
  2. Tunjukkan kesetaraannya: bahwa uu nilpoten   ⟺  \iff ker⁡ur=E\ker u^{r} = E   ⟺  \iff π=id\pi = \mathrm{id}; lalu simpulkanlah bahwa endomorfisma nilpoten sebuah ruang berdimensi nn selalu memenuhi un=0u^{n} = 0 (sehingga indeks kenilpotenannya tak pernah melampaui dimensinya).
  3. (Ketunggalan) Andaikan E=A⊕BE = A \oplus B dengan A,BA, B yang stabil di bawah uu, dengan pembatasan u∣Au|_A yang nilpoten dan u∣Bu|_B yang bijektif. Buktikan A=ker⁡urA = \ker u^{r} dan B=im⁡urB = \operatorname{im} u^{r}: sehingga penguraian Fittingnya tunggal.
  4. Sintesis, dalam empat kalimat: kamus apa yang ditegakkan Bagian III antara jumlah langsung dan keluarga proyektor; mengapakah pertanyaan 14 tak memerlukan hipotesis atas hasil kalinya sedangkan pertanyaan 15 memerlukan hipotesis rank (dan perkakas Tahun 2 yang mana, yaitu trace, yang menghapusnya); dalam arti apa lema Fitting merupakan versi yang distabilkan dari Latihan 20.7; dan menjadi apa kedua faktor Fittingnya pada teori nilai eigen jilid Tahun 2 itu. Namailah teorema yang dibuktikan pada Bagian IV.
Solusi

Solusi Soal 20.1.

1. Di sini (id−p)2=id−2p+p2=id−p(\mathrm{id} - p)^2 = \mathrm{id} - 2p + p^2 = \mathrm{id} - p: jadi sebuah proyektor. Jika y=x−p(x)y = x - p(x), maka p(y)=p(x)−p2(x)=0p(y) = p(x) - p^2(x) = 0, dan sebaliknya x∈ker⁡px \in \ker p memberikan x=(id−p)(x)x = (\mathrm{id} - p)(x): sehingga im⁡(id−p)=ker⁡p\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) = \ker p. Dan (id−p)(x)=0  ⟺  p(x)=x  ⟺  x∈im⁡p(\mathrm{id} - p)(x) = 0 \iff p(x) = x \iff x \in \operatorname{im} p (menurut titik tetapnya, Teorema 20.15): sehingga ker⁡(id−p)=im⁡p\ker(\mathrm{id} - p) = \operatorname{im} p.

2. Di sini (λ id+μp)2=λ2 id+(2λμ+μ2) p(\lambda\,\mathrm{id} + \mu p)^2 = \lambda^2\,\mathrm{id} + (2\lambda\mu + \mu^2)\,p. Adapun pasangan (id,p)(\mathrm{id}, p) bebas di L(E)\mathcal{L}(E): karena p=c idp = c\, \mathrm{id} akan memberikan c2=cc^2 = c, sehingga p=0p = 0 atau id\mathrm{id}, yang tersingkirkan. Lalu dengan mengenali koefisiennya, pemetaannya merupakan proyektor jika dan hanya jika λ2=λ\lambda^2 = \lambda dan 2λμ+μ2=μ2\lambda\mu + \mu^2 = \mu. Untuk λ=0\lambda = 0: μ∈{0,1}\mu \in \{0, 1\}. Untuk λ=1\lambda = 1: μ2+μ=0\mu^2 + \mu = 0, sehingga μ∈{0,−1}\mu \in \{0, -1\}. Jadi tepat empat proyektor pada bidangnya: 00, pp, id\mathrm{id}, dan id−p\mathrm{id} - p.

3. Di sini (λ id+μp)(λ′ id+μ′p)=λλ′ id+(λμ′+μλ′+μμ′) p(\lambda\,\mathrm{id} + \mu p)(\lambda'\,\mathrm{id} + \mu' p) = \lambda\lambda'\,\mathrm{id} + (\lambda\mu' + \mu\lambda' + \mu\mu')\,p: sehingga bidangnya stabil terhadap komposisi. Dan karena pk=pp^k = p untuk setiap k≥1k \geq 1, maka untuk Q=∑kakXkQ = \sum_k a_k X^k:

Q(p)=a0 id+(∑k≥1ak)p=Q(0) id+(Q(1)−Q(0)) p.Q(p) = a_0\,\mathrm{id} + \Bigl(\sum_{k \geq 1} a_k\Bigr) p = Q(0)\,\mathrm{id} + \bigl(Q(1) - Q(0)\bigr)\,p .

4. Pada im⁡p\operatorname{im} p (yang di situ pp bertindak sebagai identitas), λ id+μp\lambda\,\mathrm{id} + \mu p mengalikan dengan λ+μ\lambda + \mu; sedangkan pada ker⁡p\ker p, dengan λ\lambda. Dan karena E=im⁡p⊕ker⁡pE = \operatorname{im} p \oplus \ker p, pemetaannya bersifat bijektif jika dan hanya jika λ≠0\lambda \neq 0 dan λ+μ≠0\lambda + \mu \neq 0. Lalu memecahkan λα=1\lambda\alpha = 1, λβ+μα+μβ=0\lambda\beta + \mu\alpha + \mu\beta = 0 pada aturan komposisi pertanyaan 3:

(λ id+μp)−1=1λ id−μλ(λ+μ) p,(\lambda\,\mathrm{id} + \mu p)^{-1} = \frac1\lambda\,\mathrm{id} - \frac{\mu}{\lambda(\lambda + \mu)}\,p ,

yang tindakannya berupa 1/λ1/\lambda pada ker⁡p\ker p dan 1/(λ+μ)1/(\lambda + \mu) pada im⁡p\operatorname{im} p, sebagaimana seharusnya.

5. Tulislah F=im⁡p=im⁡p′F = \operatorname{im} p = \operatorname{im} p'. Maka untuk setiap xx, p′(x)∈Fp'(x) \in F dan pp menetapkan FF titik demi titik: sehingga p(p′(x))=p′(x)p(p'(x)) = p'(x), yakni p p′=p′p\,p' = p'; dan secara simetris p′ p=pp'\,p = p. Jadi ketika dua proyeksi berbagi petanya, yang diterapkan lebih dulu yang memutuskan: karena keluarannya sudah terletak di FF, yang di situ proyeksi yang luar bertindak sebagai identitas dan tak mengubah apa pun.

6. Di sini (p+q)2=p2+pq+qp+q2=(p+q)+pq+qp(p + q)^2 = p^2 + pq + qp + q^2 = (p + q) + pq + qp, sehingga p+qp + q yang proyektor memaksa pq+qp=0pq + qp = 0. Lalu susunlah di kiri dengan pp: pq+pqp=0pq + pqp = 0; dan di kanan dengan pp: pqp+qp=0pqp + qp = 0. Lalu menguranginya, pq=qppq = qp; sehingga pq+qp=2pq=0pq + qp = 2pq = 0 dan karena karakteristiknya bukan 22: maka pq=qp=0pq = qp = 0.

7. Dengan pq=qp=0pq = qp = 0, penjabaran yang sama memberikan (p+q)2=p+q(p + q)^2 = p + q. Adapun petanya: im⁡(p+q)⊆im⁡p+im⁡q\operatorname{im}(p + q) \subseteq \operatorname{im} p + \operatorname{im} q selalu. Sebaliknya, untuk x∈im⁡px \in \operatorname{im} p: q(x)=q(p(x))=0q(x) = q(p(x)) = 0, sehingga (p+q)(x)=p(x)=x(p + q)(x) = p(x) = x dan x∈im⁡(p+q)x \in \operatorname{im}(p+q); demikian pula bagi im⁡q\operatorname{im} q. Adapun kelangsungannya: x∈im⁡p∩im⁡qx \in \operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q memberikan x=p(x)=p(q(x))=0x = p(x) = p(q(x)) = 0. Adapun kernelnya: jika p(x)+q(x)=0p(x) + q(x) = 0, maka menerapkan pp memberikan p(x)+p(q(x))=p(x)=0p(x) + p(q(x)) = p(x) = 0, dan menerapkan qq memberikan q(x)=0q(x) = 0: sehingga ker⁡(p+q)=ker⁡p∩ker⁡q\ker(p + q) = \ker p \cap \ker q (dengan inklusi baliknya yang jelas).

8. Fungsi p−qp - q merupakan proyektor jika dan hanya jika id−(p−q)=(id−p)+q\mathrm{id} - (p - q) = (\mathrm{id} - p) + q demikian (menurut pertanyaan 1 dua kali). Lalu menurut pertanyaan 6–7 yang diterapkan pada proyektor id−p\mathrm{id} - p dan qq, ini berlaku jika dan hanya jika (id−p)q=q(id−p)=0(\mathrm{id} - p)q = q(\mathrm{id} - p) = 0, yakni jika dan hanya jika pq=qpq = q dan qp=qqp = q.

9. Persamaan pq=qpq = q berarti pp menetapkan setiap q(x)q(x), yakni im⁡q⊆ker⁡(p−id)=im⁡p\operatorname{im} q \subseteq \ker(p - \mathrm{id}) = \operatorname{im} p. Sedangkan qp=qqp = q berarti q((id−p)(x))=0q\bigl((\mathrm{id} - p)(x)\bigr) = 0 untuk setiap xx, yakni qq lenyap pada im⁡(id−p)=ker⁡p\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) = \ker p: sehingga ker⁡p⊆ker⁡q\ker p \subseteq \ker q. Kedua langkahnya berupa kesetaraan: jadi urutan q≤pq \leq p mengatakan bahwa qq memproyeksikan pada peta yang lebih kecil, sepanjang kernel yang lebih besar.

10. Dengan menjabarkannya, (id−p)(id−q)=id−p−q+pq=id−r(\mathrm{id} - p)(\mathrm{id} - q) = \mathrm{id} - p - q + pq = \mathrm{id} - r. Adapun proyektor id−p\mathrm{id} - p dan id−q\mathrm{id} - q berkomutasi, sehingga menurut Latihan 20.6 hasil kalinya id−r\mathrm{id} - r merupakan proyektor pada im⁡(id−p)∩im⁡(id−q)=ker⁡p∩ker⁡q\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) \cap \operatorname{im}(\mathrm{id} - q) = \ker p \cap \ker q sepanjang ker⁡(id−p)+ker⁡(id−q)=im⁡p+im⁡q\ker(\mathrm{id} - p) + \ker(\mathrm{id} - q) = \operatorname{im} p + \operatorname{im} q. Lalu menurut pertanyaan 1, r=id−(id−r)r = \mathrm{id} - (\mathrm{id} - r) menjadi proyektor dengan im⁡r=im⁡p+im⁡q\operatorname{im} r = \operatorname{im} p + \operatorname{im} q dan ker⁡r=ker⁡p∩ker⁡q\ker r = \ker p \cap \ker q.

11. Pemetaan pip_i terdefinisi dengan baik (menurut ketunggalan penguraiannya) dan linear (karena penguraian x+λyx + \lambda y merupakan jumlah penguraiannya, kembali menurut ketunggalannya). Untuk xi∈Fix_i \in F_i penguraiannya adalah xix_i sendiri, sehingga pi(xi)=xip_i(x_i) = x_i: jadi pi2=pip_i^2 = p_i, dan pj(xi)=0p_j(x_i) = 0 untuk j≠ij \neq i: sehingga pipj=0p_i p_j = 0 (karena pj(x)∈Fjp_j(x) \in F_j). Lalu menjumlahkan komponennya, ∑ipi=id\sum_i p_i = \mathrm{id}. Akhirnya im⁡pi=Fi\operatorname{im} p_i = F_i dan ker⁡pi=⨁j≠iFj\ker p_i = \bigoplus_{j \neq i} F_j.

12. Di sini pi=pi∘id=pi∑jpj=pi2+∑j≠ipipj=pi2p_i = p_i \circ \mathrm{id} = p_i\sum_j p_j = p_i^2 + \sum_{j \neq i} p_i p_j = p_i^2: sehingga setiap pip_i sebuah proyektor. Lalu setiap x=id(x)=∑ipi(x)x = \mathrm{id}(x) = \sum_i p_i(x) terletak di ∑iim⁡pi\sum_i \operatorname{im} p_i: sehingga petanya berjumlah EE. Adapun kelangsungannya: andaikan y1+⋯+yk=0y_1 + \dots + y_k = 0 dengan yi∈im⁡piy_i \in \operatorname{im} p_i, sehingga pi(yi)=yip_i(y_i) = y_i. Terapkanlah pjp_j: maka pj(yi)=pjpi(yi)=0p_j (y_i) = p_j p_i (y_i) = 0 untuk i≠ji \neq j, sehingga 0=pj(∑yi)=yj0 = p_j\bigl(\sum y_i\bigr) = y_j, untuk setiap jj. Jadi E=⨁iim⁡piE = \bigoplus_i \operatorname{im} p_i.

13. Di sini q=id−pq = \mathrm{id} - p, lalu pertanyaan 1 memberikan pq=p−p2=0=qppq = p - p^2 = 0 = qp secara langsung: jadi bagi dua proyektor, berjumlah identitas sudah memaksa keortogonalan pasangannya.

14. Di sini p+q=id−rp + q = \mathrm{id} - r dengan rr sebuah proyektor, dan (id−r)(\mathrm{id} - r) merupakan proyektor (pertanyaan 1): sehingga p+qp + q sebuah proyektor, lalu pertanyaan 6 memberikan pq=qp=0pq = qp = 0. Lalu menurut kesimetriannya (karena q+r=id−pq + r = \mathrm{id} - p dan p+r=id−qp + r = \mathrm{id} - q), semua hasil kali berpasangannya lenyap, dan pertanyaan 12 menyimpulkannya: E=im⁡p⊕im⁡q⊕im⁡rE = \operatorname{im} p \oplus \operatorname{im} q \oplus \operatorname{im} r, secara otomatis.

15. Lemanya. Lewat induksi dengan Grassmann (Teorema 19.18):

dim⁡(F1+⋯+Fk)≤dim⁡(F1+⋯+Fk−1)+dim⁡Fk≤⋯≤∑idim⁡Fi.\dim(F_1 + \dots + F_k) \leq \dim(F_1 + \dots + F_{k-1}) + \dim F_k \leq \dots \leq \sum_i \dim F_i .

Jika totalnya berupa kesamaan, maka setiap langkahnya demikian: (F1+⋯+Fj−1)∩Fj={0}(F_1 + \dots + F_{j-1}) \cap F_j = \{0\} untuk setiap jj, sehingga sebuah relasi y1+⋯+yk=0y_1 + \dots + y_k = 0 (dengan yi∈Fiy_i \in F_i) runtuh dari kanannya: yk∈(F1+⋯+Fk−1)∩Fk={0}y_k \in (F_1 + \dots + F_{k-1}) \cap F_k = \{0\}, lalu yk−1=0y_{k-1} = 0, dan seterusnya: jadi jumlahnya langsung. Sebaliknya jumlah langsung mempunyai dimensi yang aditif (rangkaikanlah basisnya). Penerapannya: x=∑ipi(x)x = \sum_i p_i(x) menunjukkan E=∑iim⁡piE = \sum_i \operatorname{im} p_i, sehingga n≤∑irk⁡pin \leq \sum_i \operatorname{rk} p_i; lalu hipotesisnya memberikan kesamaan, jadi kelangsungannya. Adapun hasil kalinya: tetapkanlah jj dan y∈im⁡pjy \in \operatorname{im} p_j. Maka y=∑ipi(y)y = \sum_i p_i(y) dengan pi(y)∈im⁡pip_i(y) \in \operatorname{im} p_i, sedangkan y=yy = y juga sebuah penguraian (dengan komponen jj belaka); sehingga ketunggalannya memaksa pi(y)=0p_i(y) = 0 untuk i≠ji \neq j. Lalu diterapkan pada y=pj(x)y = p_j(x): pipj=0p_i p_j = 0.

16. Jika uk(x)=0u^k(x) = 0 maka uk+1(x)=u(0)=0u^{k+1}(x) = u(0) = 0. Dan im⁡uk+1=uk(u(E))⊆uk(E)=im⁡uk\operatorname{im} u^{k+1} = u^k\bigl(u(E)\bigr) \subseteq u^k(E) = \operatorname{im} u^k.

17. Anggaplah ker⁡ur=ker⁡ur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1} lalu misalkan x∈ker⁡ur+2x \in \ker u^{r+2}: maka u(x)∈ker⁡ur+1=ker⁡uru(x) \in \ker u^{r+1} = \ker u^{r}, sehingga ur+1(x)=0u^{r+1}(x) = 0: jadi x∈ker⁡ur+1x \in \ker u^{r+1}. Digabung dengan pertanyaan 16, ker⁡ur+1=ker⁡ur+2\ker u^{r+1} = \ker u^{r+2}, dan lewat induksi semua kernel berikutnya berimpit dengan ker⁡ur\ker u^{r}. Adapun bagi petanya: rank–nulitas memberikan dim⁡im⁡uk=n−dim⁡ker⁡uk\dim\operatorname{im} u^k = n - \dim\ker u^k, sehingga dimensi petanya membeku persis ketika dimensi kernelnya juga demikian, lalu dengan inklusi pertanyaan 16, dimensi yang sama berarti subruang yang sama (Teorema 19.14).

18. Barisan (dim⁡ker⁡uk)k\bigl(\dim\ker u^k\bigr)_k bersifat tidak turun dengan nilai di [ ⁣[0, n] ⁣]\intint{0}{n}; sehingga ia tak dapat naik tegas n+1n + 1 kali, jadi suatu dim⁡ker⁡ur=dim⁡ker⁡ur+1\dim\ker u^{r} = \dim\ker u^{r+1} dengan r≤nr \leq n, sehingga ker⁡ur=ker⁡ur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1} (menurut inklusinya ditambah dimensi yang sama). Ambillah rr yang terkecil; lalu pertanyaan 17 membekukan segalanya mulai rr, termasuk petanya.

19. Irisannya: misalkan x∈ker⁡ur∩im⁡urx \in \ker u^{r} \cap \operatorname{im} u^{r}, katakanlah x=ur(y)x = u^{r}(y) dengan ur(x)=0u^{r}(x) = 0. Maka u2r(y)=0u^{2r}(y) = 0, dan ker⁡u2r=ker⁡ur\ker u^{2r} = \ker u^{r} (pertanyaan 17), sehingga x=ur(y)=0x = u^{r}(y) = 0. Adapun dimensinya: rank–nulitas bagi uru^{r} memberikan dim⁡ker⁡ur+dim⁡im⁡ur=n\dim\ker u^{r} + \dim\operatorname{im} u^{r} = n; lalu dengan irisan yang sepele, Grassmann membuat jumlahnya menjadi subruang berdimensi nn: sehingga E=ker⁡ur⊕im⁡urE = \ker u^{r} \oplus \operatorname{im} u^{r}.

20. Kestabilannya: ur(u(x))=u(ur(x))=0u^{r}(u(x)) = u(u^{r}(x)) = 0 untuk x∈ker⁡urx \in \ker u^{r}; dan u(ur(y))=ur(u(y))∈im⁡uru(u^{r}(y)) = u^{r}(u(y)) \in \operatorname{im} u^{r}. Pada N=ker⁡urN = \ker u^{r}: (u∣N)r=0(u|_N)^{r} = 0 menurut definisi NN: jadi nilpoten. Sedangkan pada I=im⁡urI = \operatorname{im} u^{r}: ker⁡(u∣I)=ker⁡u∩I⊆ker⁡ur∩I={0}\ker(u|_I) = \ker u \cap I \subseteq \ker u^{r} \cap I = \{0\}, sehingga u∣Iu|_I merupakan endomorfisma injektif pada II yang berdimensi hingga, jadi bijektif (Akibat 20.9).

21. Misalkan x=a+bx = a + b dengan a∈Na \in N, b∈Ib \in I. Maka u(x)=u(a)+u(b)u(x) = u(a) + u(b) dengan u(a)∈Nu(a) \in N dan u(b)∈Iu(b) \in I (pertanyaan 20): dan inilah persis penguraian u(x)u(x), sehingga π(u(x))=u(a)=u(π(x))\pi(u(x)) = u(a) = u(\pi(x)): jadi πu=uπ\pi u = u\pi.

22. Di sini u2(x,y,z)=u(y,0,z)=(0,0,z)u^2(x,y,z) = u(y, 0, z) = (0, 0, z) dan u3(x,y,z)=u(0,0,z)=(0,0,z)=u2(x,y,z)u^3(x,y,z) = u(0,0,z) = (0,0,z) = u^2(x,y,z). Adapun kernelnya: ker⁡u={y=z=0}=Vect⁡(e1)\ker u = \{y = z = 0\} = \operatorname{Vect}(e_1), ker⁡u2={z=0}=Vect⁡(e1,e2)\ker u^2 = \{z = 0\} = \operatorname{Vect}(e_1, e_2), ker⁡u3=ker⁡u2\ker u^3 = \ker u^2: sehingga stabil pada r=2r = 2. Adapun petanya: im⁡u=Vect⁡(e1,e3)\operatorname{im} u = \operatorname{Vect}(e_1, e_3), im⁡u2=Vect⁡(e3)\operatorname{im} u^2 = \operatorname{Vect}(e_3). Lalu Fitting: R3=Vect⁡(e1,e2)⊕Vect⁡(e3)\R^3 = \operatorname{Vect}(e_1, e_2) \oplus \operatorname{Vect}(e_3), dan π(x,y,z)=(x,y,0)\pi(x, y, z) = (x, y, 0). Periksa: πu(x,y,z)=π(y,0,z)=(y,0,0)\pi u(x,y,z) = \pi(y, 0, z) = (y, 0, 0) dan uπ(x,y,z)=u(x,y,0)=(y,0,0)u\pi(x,y,z) = u(x, y, 0) = (y, 0, 0): jadi sama. Pada faktor pertamanya u(x,y,0)=(y,0,0)u(x, y, 0) = (y, 0, 0), yang berkuadrat 00: jadi nilpoten; sedangkan pada yang kedua u(0,0,z)=(0,0,z)u(0,0,z) = (0,0,z): yaitu identitasnya, jadi bijektif.

23. Jika um=0u^m = 0 maka ker⁡um=E\ker u^m = E; dan karena kernelnya membeku mulai rr, ker⁡ur=ker⁡umax⁡(m,r)=E\ker u^{r} = \ker u^{\max(m, r)} = E. Sebaliknya ker⁡ur=E\ker u^{r} = E berarti ur=0u^{r} = 0. Dan ker⁡ur=E  ⟺  \ker u^{r} = E \iff proyektor Fittingnya memetakan pada EE sepanjang {0}\{0\}, yakni π=id\pi = \mathrm{id}. Akhirnya r≤nr \leq n (pertanyaan 18) memberikan: bahwa setiap endomorfisma nilpoten memenuhi un=0u^{n} = 0 — sehingga indeks kenilpotenannya tak pernah melampaui dimensinya.

24. Misalkan mm sebuah indeks kenilpotenan u∣Au|_A: maka A⊆ker⁡um⊆ker⁡umax⁡(m,r)=ker⁡urA \subseteq \ker u^{m} \subseteq \ker u^{\max(m,r)} = \ker u^{r}. Dan karena u∣Bu|_B bijektif, B=u(B)=uk(B)⊆im⁡ukB = u(B) = u^{k}(B) \subseteq \operatorname{im} u^{k} untuk setiap kk, khususnya B⊆im⁡urB \subseteq \operatorname{im} u^{r}. Lalu

n=dim⁡A+dim⁡B≤dim⁡ker⁡ur+dim⁡im⁡ur=n:n = \dim A + \dim B \leq \dim\ker u^{r} + \dim\operatorname{im} u^{r} = n :

jadi kedua inklusinya berupa kesamaan dimensi, sehingga kesamaan subruang: A=ker⁡urA = \ker u^{r}, B=im⁡urB = \operatorname{im} u^{r}.

25. (i) Bagian III merupakan sebuah kamus: bahwa pembelahan E=F1⊕⋯⊕FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k tepat bersesuaian dengan keluarga proyektor dengan ∑pi=id\sum p_i = \mathrm{id} dan pipj=0p_i p_j = 0, dengan FiF_i sebagai petanya. (ii) Untuk k=3k = 3 pelengkapnya id−pi\mathrm{id} - p_i sendirinya berupa proyektor, yang menutup argumennya tanpa hipotesis tambahan; sedangkan untuk kk yang umum kita memerlukan ∑irk⁡pi≤n\sum_i \operatorname{rk} p_i \leq n, yaitu ketaksamaan yang diberikan trace Tahun 2 secara cuma-cuma (karena tr⁡p=rk⁡p\operatorname{tr} p = \operatorname{rk} p bagi sebuah proyektor, dan tracenya berjumlah tr⁡id=n\operatorname{tr} \mathrm{id} = n). (iii) Adapun Latihan 20.7 merupakan lema Fitting pada kasus yang sudah stabil r≤1r \leq 1; sedangkan secara umum kita membiarkan rantai kernel dan petanya membeku, yang memakan paling banyak nn langkah. (iv) Pada jilid Tahun 2, bila diterapkan pada u−λ idu - \lambda\, \mathrm{id}, faktor nilpotennya menjadi ruang eigen yang tersamaratakan di λ\lambda dan proyektor Bagian III menjadi proyektor spektral teori reduksinya. Adapun teorema Bagian IV adalah lema Fitting.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium