Mathematics · Boek 3 · Bachelor Year 1

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 1

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 1 · Bachelor Year 1

20Lineaire afbeeldingen

De afbeeldingen tussen vectorruimten die de moeite van het bestuderen waard zijn, zijn die welke met de structuur verenigbaar zijn: de lineaire afbeeldingen. Hun twee fundamentele deelruimten — kern en beeld — meten de injectiviteit en de surjectiviteit, en in eindige dimensie bindt de dimensiestelling hun omvang tot één behoudswet. Projecties en symmetrieën, en daarna lineaire vormen en hypervlakken, sluiten het hoofdstuk af.

20.1 Definities en eerste eigenschappen

Definitie 20.1

Zij E,FE, F KK-vectorruimten. Een afbeelding u ⁣:E→Fu \colon E \to F heet lineair wanneer

∀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).

Dan is u(0)=0u(0) = 0 en u(∑λixi)=∑λiu(xi)u(\sum \lambda_i x_i) = \sum \lambda_i u(x_i). De verzameling L(E,F)\mathcal{L}(E, F) van de lineaire afbeeldingen is zelf een vectorruimte; de samenstelling van lineaire afbeeldingen is lineair, en bilineair in het paar. Een endomorfisme is een lineaire E→EE \to E; een isomorfisme is een bijectieve lineaire afbeelding (haar inverse is dan automatisch lineair); de u−1u^{-1} van een isomorfisme en samenstellingen van isomorfismen zijn isomorfismen.

Bewijs dat de inverse lineair is. Zij uu lineair en bijectief, y,y′∈Fy, y' \in F en λ∈K\lambda \in K. Stel x=u−1(y)x = u^{-1}(y) en x′=u−1(y′)x' = u^{-1}(y'). Dan is

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

en toepassing van u−1u^{-1} op beide uiteinden geeft 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'). Er werd niets over u−1u^{-1} berekend: de lineariteit reist mee langs de definiërende eigenschap van uu alleen — een patroon dat het onthouden waard is, want structuur lift vaak gratis mee met bijecties. ∎

Propositie 20.2 (Een lineaire afbeelding is bekend op een basis)

Zij (e1,…,en)(e_1, \dots, e_n) een basis van EE en (v1,…,vn)(v_1, \dots, v_n) willekeurige vectoren van FF. Er is precies één lineaire afbeelding u ⁣:E→Fu \colon E \to F met u(ei)=viu(e_i) = v_i voor alle ii. Bovendien:

u injectief  ⟺  (vi) vrij;u surjectief  ⟺  (vi) brengt F voort.u \text{ injectief} \iff (v_i) \text{ vrij}; \qquad u \text{ surjectief} \iff (v_i) \text{ brengt } F \text{ voort} .

Bewijs. Bestaan en eenduidigheid: elke xx heeft eenduidige coördinaten x=∑λieix = \sum \lambda_i e_i (Propositie 18.15); de lineariteit dwingt u(x)=∑λiviu(x) = \sum \lambda_i v_i af, en die formule definieert inderdaad een lineaire afbeelding.

Injectiviteit: volgens Propositie 20.5 hieronder is uu injectief dan en slechts dan als haar kern triviaal is. Nu betekent u(∑λiei)=0u\bigl(\sum\lambda_i e_i\bigr) = 0 precies dat ∑λivi=0\sum\lambda_i v_i = 0. Is (vi)(v_i) vrij, dan dwingt dit elke λi=0\lambda_i = 0 af, dat wil zeggen dat de kern tot 00 herleidt: injectief. Is (vi)(v_i) afhankelijk, dan levert een niet-triviale betrekking ∑λivi=0\sum\lambda_i v_i = 0 de vector ∑λiei\sum\lambda_i e_i ongelijk aan nul in de kern ((ei)(e_i) is vrij): niet injectief. De twee voorwaarden komen term voor term overeen.

Surjectiviteit: het beeld van uu is de verzameling van alle ∑λivi\sum\lambda_i v_i, dat wil zeggen precies Vect⁡(v1,…,vn)\operatorname{Vect}(v_1, \dots, v_n), en dat is gelijk aan FF dan en slechts dan als de familie voortbrengt. ∎

Definitie 20.3 (Kern en beeld)

Voor 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 ,

beide deelruimten (rechtstreekse verificatie met het criterium).

Methode 20.4 (Kern en beeld, in de praktijk)

Kern: schrijf u(x)=0u(x) = 0 als een stelsel voor de coördinaten (of coëfficiënten) van xx, los het op en parametriseer — de kern komt met een basis eraan vast (Methode 19.10). Beeld: het is het opspansel van de beelden van elke voortbrengende familie van EE — gewoonlijk een basis, dus im⁡u=Vect⁡(u(e1),…,u(en))\operatorname{im} u = \operatorname{Vect}\bigl(u(e_1), \dots, u(e_n)\bigr); verwijder daarna de overtollige beelden om er een basis uit te halen. Kortere weg: bereken welke van de twee het gemakkelijkst is en krijg de dimensie van de andere gratis via de dimensiestelling (Stelling 20.7); is er een aannemelijke kandidaat-deelruimte voor het beeld bekend, dan tilt het vergelijken van de dimensies de gemakkelijke insluiting op tot een gelijkheid (Stelling 19.14). Beide kortere wegen worden hieronder in Voorbeeld 20.11 gebruikt.

Propositie 20.5

uu is injectief   ⟺  \iff ker⁡u={0}\ker u = \{0\}; uu is surjectief   ⟺  \iff im⁡u=F\operatorname{im} u = F.

Bewijs. Zoals voor groepen (Propositie 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. Het tweede punt is de definitie. ∎

20.2 De dimensiestelling

Definitie 20.6

De rang van u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) (met EE eindigdimensionaal) is rk⁡u=dim⁡im⁡u\operatorname{rk} u = \dim \operatorname{im} u — tevens de rang van de familie (u(e1),…,u(en))\bigl(u(e_1), \dots, u(e_n)\bigr) voor elke basis (ei)(e_i) van EE.

Stelling 20.7 (Dimensiestelling)

Zij EE eindigdimensionaal en u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F). Dan geldt

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

Preciezer: is SS een willekeurige complementaire deelruimte van ker⁡u\ker u in EE, dan beperkt uu zich tot een isomorfisme van SS op im⁡u\operatorname{im} u.

Bewijs. Zij SS zo dat E=ker⁡u⊕SE = \ker u \oplus S (Stelling 19.14), en zij v ⁣:S→im⁡uv \colon S \to \operatorname{im} u de beperking van uu.

vv is injectief: ker⁡v=S∩ker⁡u={0}\ker v = S \cap \ker u = \{0\}.

vv is surjectief: elke u(x)u(x) met x=k+sx = k + s (k∈ker⁡uk \in \ker u, s∈Ss \in S) is gelijk aan u(s)=v(s)u(s) = v(s).

Dus is vv een isomorfisme; een isomorfisme stuurt een basis naar een basis (Propositie 20.2), dus dim⁡S=dim⁡im⁡u\dim S = \dim\operatorname{im} u, en dim⁡E=dim⁡ker⁡u+dim⁡S\dim E = \dim\ker u + \dim S besluit. ∎

Voorbeeld 20.8 (Een afbeelding op bestelling bouwen)

Construeer u∈L(R3)u \in \mathcal{L}(\R^3) met ker⁡u=Vect⁡(1,1,1)\ker u = \operatorname{Vect}(1,1,1) en im⁡u={z=0}\operatorname{im} u = \{z = 0\}. Eerst een controle: de dimensiestelling eist 1+2=31 + 2 = 3 — consistent, dus er mag een oplossing bestaan. Kies een basis die aan de kern is aangepast, zeg ((1,1,1), e1, e2)\bigl((1,1,1),\ e_1,\ e_2\bigr) (Voorbeeld 19.7), en schrijf de beelden voor (Propositie 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 .

Dan is ker⁡u⊇Vect⁡(1,1,1)\ker u \supseteq \operatorname{Vect}(1,1,1) en im⁡u=Vect⁡(e1,e2)={z=0}\operatorname{im} u = \operatorname{Vect}(e_1, e_2) = \{z = 0\}; de dimensiestelling dwingt dim⁡ker⁡u=1\dim\ker u = 1 af, dus is de kern precies de voorgeschreven rechte. Expliciet, met de ontbinding (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).

Het recept veralgemeent: een lineaire afbeelding met voorgeschreven kern NN en beeld II bestaat precies wanneer dim⁡N+dim⁡I=dim⁡E\dim N + \dim I = \dim E — de noodzaak is de dimensiestelling, de voldoendheid deze constructie.

Gevolg 20.9

Is dim⁡E=dim⁡F\dim E = \dim F (eindig), dan geldt voor u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F):

u injectief  ⟺  u surjectief  ⟺  u bijectief.u \text{ injectief} \iff u \text{ surjectief} \iff u \text{ bijectief}.

In het bijzonder geldt dit voor endomorfismen in eindige dimensie. (In oneindige dimensie faalt het: op K[X]K[X] is de afgeleide surjectief maar niet injectief, en is P↦XPP \mapsto XP injectief maar niet surjectief.)

Bewijs. Injectief   ⟺  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 (een deelruimte van volle dimensie is alles, Stelling 19.14)   ⟺  \iff surjectief. ∎

Voorbeeld 20.10 (Interpolatie, structureel)

Leg verschillende x0,…,xnx_0, \dots, x_n vast en zij 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)): lineair. Haar kern is {P:deg⁡P≤n, n+1 wortels}={0}\{P : \deg P \leq n,\ n+1 \text{ wortels}\} = \{0\} (Gevolg 8.8). Gelijke dimensies n+1n + 1: uu is een isomorfisme — het bestaan en de eenduidigheid van de interpolant van Lagrange (Stelling 8.23) in één regel.

Hetzelfde patroon van één regel behandelt gegevens die waarden en afgeleiden mengen: 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) is lineair, en haar kern bestaat uit veeltermen van graad ≤3\leq 3 met dubbele wortels in 00 en 11, dus deelbaar door X2(X−1)2X^2(X-1)^2 van graad 44: alleen P=0P = 0. Opnieuw gelijke dimensies: elk viertal gegevens (P(0),P′(0),P(1),P′(1))(P(0), P'(0), P(1), P'(1)) wordt door precies één derdegraads veelterm gerealiseerd — de interpolatie van Hermite, verleend door een kernberekening nog vóór er een formule wordt geschreven (de weekendopgave van Hoofdstuk 22 ontmoet haar determinant).

Voorbeeld 20.11 (De dimensiestelling aan het werk: de differentieoperator)

Zij 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): lineair. Kern: is ΔP=0\Delta P = 0, dan is P(0)=P(1)=P(2)=…P(0) = P(1) = P(2) = \dots, dus heeft P−P(0)P - P(0) oneindig veel wortels en is het nul (Gevolg 8.8): ker⁡Δ\ker\Delta is de rechte van de constanten. Dimensiestelling: rk⁡Δ=(n+1)−1=n\operatorname{rk}\Delta = (n + 1) - 1 = n. Omdat deg⁡ΔP<deg⁡P\deg \Delta P < \deg P voor niet-constante PP (de koptermen heffen elkaar op), is im⁡Δ⊆Rn−1[X]\operatorname{im}\Delta \subseteq \R_{n-1}[X], wat precies dimensie nn heeft: de insluiting is een gelijkheid. Besluit, zonder enige berekening van origineelverzamelingen: elke veelterm QQ van graad ≤n−1\leq n - 1 is een verschil Q=P(X+1)−P(X)Q = P(X+1) - P(X) — de discrete primitieve bestaat. (Vergelijk de weekendopgave van Hoofdstuk 18, waar Δ\Delta expliciet in de binomiale basis werd geïnverteerd.)

Voorbeeld 20.12 (Rangboekhouding langs een samenstelling)

Stel op R2[X]\R_2[X] de afgeleide D(P)=P′D(P) = P' (rang 22: beeld R1[X]\R_1[X], kern de constanten) met zichzelf samen. Dan beeldt D∘D=D2D \circ D = D^2 af volgens P↦P′′P \mapsto P'', met beeld R0[X]\R_0[X]: rang 11. Vergelijk met de algemene grenzen: de grove geeft rk⁡D2≤min⁡(2,2)=2\operatorname{rk} D^2 \leq \min(2, 2) = 2; de exacte formule van Oefening 20.12 verantwoordt het verlies precies,

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 ,

omdat de constanten (de kern van de buitenste DD) binnen R1[X]\R_1[X] liggen (het beeld van de binnenste DD) met dimensie 11. Rang gaat precies daar verloren waar de buitenste kern het binnenste beeld in een hinderlaag lokt — de zin om te onthouden wanneer rangen van samenstellingen zich misdragen.

Voorbeeld 20.13 (Kern en beeld van de operator van Euler)

Zij op Rn[X]\R_n[X] u(P)=X P′u(P) = X\,P' (lineair: afleiden en vermenigvuldigen met XX zijn dat). Kern: XP′=0XP' = 0 dwingt P′=0P' = 0 af (een product van veeltermen wordt alleen nul als een factor dat doet), dus is ker⁡u\ker u de rechte van de constanten. Beeld: op de monomiale basis is

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

dus 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): de veeltermen met constante term nul. Toets met de dimensiestelling: rk⁡u=(n+1)−1=n\operatorname{rk} u = (n + 1) - 1 = n, wat inderdaad de gevonden dimensie is. Twee opmerkingen zijn het bewaren waard. Ten eerste is hier im⁡u⊕ker⁡u=Rn[X]\operatorname{im} u \oplus \ker u = \R_n[X] — maar dat is een gelukkig toeval van deze operator, geen stelling: voor de verschuivingsachtige v(P)=P′v(P) = P' op R1[X]\R_1[X] is ker⁡v=im⁡v=R0[X]\ker v = \operatorname{im} v = \R_0[X] en is de som niet direct. Ten tweede zegt de betrekking u(Xk)=kXku(X^k) = kX^k dat elk monoom door uu slechts wordt herschaald — een basis die aan de afbeelding is aangepast, de kiem van het idee van de eigenwaarde dat in het volume van bachelorjaar 2 wordt ontwikkeld.

20.3 Projecties en symmetrieën

Definitie 20.14

Zij E=F⊕GE = F \oplus G. De projectie op FF langs GG beeldt x=f+gx = f + g (eenduidige ontbinding) af op p(x)=fp(x) = f; de bijbehorende symmetrie is s(x)=f−gs(x) = f - g. Beide zijn lineair, en s=2p−ids = 2p - \mathrm{id}.

Stelling 20.15 (Algebraïsche karakterisering)

  1. Een endomorfisme pp is een projectie (op zekere FF langs zekere GG) dan en slechts dan als p∘p=pp \circ p = p; dan is F=im⁡p=ker⁡(p−id)F = \operatorname{im} p = \ker(p - \mathrm{id}) en G=ker⁡pG = \ker p.
  2. Een endomorfisme ss is een symmetrie dan en slechts dan als s∘s=ids \circ s = \mathrm{id}; dan is E=ker⁡(s−id)⊕ker⁡(s+id)E = \ker(s - \mathrm{id}) \oplus \ker(s + \mathrm{id}).

Bewijs. (1) Een projectie voldoet aan p(f+g)=fp(f + g) = f en p(f)=fp(f) = f: p2=pp^2 = p. Omgekeerd, zij p2=pp^2 = p; stel F=im⁡pF = \operatorname{im} p en G=ker⁡pG = \ker p. Elke xx schrijft zich als x=p(x)+(x−p(x))x = p(x) + (x - p(x)) met p(x)∈Fp(x) \in F en p(x−p(x))=p(x)−p2(x)=0p\bigl(x - p(x)\bigr) = p(x) - p^2(x) = 0: E=F+GE = F + G. Is y∈F∩Gy \in F \cap G, dan is y=p(z)y = p(z) en p(y)=0p(y) = 0, dus y=p(z)=p2(z)=p(y)=0y = p(z) = p^2(z) = p(y) = 0: een directe som, en pp is de projectie op FF langs GG. Ten slotte op FF: uit y=p(z)y = p(z) volgt p(y)=yp(y) = y, dus F⊆ker⁡(p−id)F \subseteq \ker(p - \mathrm{id}), en omgekeerd plaatst p(y)=yp(y) = y de yy in het beeld.

(2) De correspondentie s=2p−ids = 2p - \mathrm{id}, p=s+id2p = \frac{s + \mathrm{id}}2 is een bijectie tussen endomorfismen, en daaronder geldt

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 :

symmetrieën corresponderen precies met projecties. De vertaling van de deelruimten: s(x)=x  ⟺  p(x)=xs(x) = x \iff p(x) = x, dus ker⁡(s−id)=im⁡p=F\ker(s - \mathrm{id}) = \operatorname{im} p = F; en s(x)=−x  ⟺  2p(x)=0  ⟺  x∈ker⁡p=Gs(x) = -x \iff 2p(x) = 0 \iff x \in \ker p = G, dus ker⁡(s+id)=G\ker(s + \mathrm{id}) = G. De directe som E=F⊕GE = F \oplus G uit punt (1) wordt de aangekondigde ontbinding in de vaste vectoren en de omgekeerde vectoren van ss. ∎

Voorbeeld 20.16 (Een projectie en haar symmetrie, expliciet)

Projecteer in R2\R^2 op F=Vect⁡(1,1)F = \operatorname{Vect}(1,1) langs G=Vect⁡(0,1)G = \operatorname{Vect}(0,1). Ontbind (x,y)=a(1,1)+b(0,1)(x, y) = a(1,1) + b(0,1): de eerste coördinaat geeft a=xa = x, de tweede b=y−xb = y - x. Bijgevolg

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).

Controleer de algebra: p(p(x,y))=p(x,x)=(x,x)p(p(x,y)) = p(x,x) = (x,x), en 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). Meetkundig is ss de “schuine spiegeling” in de rechte y=xy = x volgens de verticale richting: zij houdt FF puntsgewijs vast en keert GG om. Hadden we op dezelfde FF geprojecteerd maar langs G′=Vect⁡(1,−1)G' = \operatorname{Vect}(1,-1), dan zou de formule veranderen in p′(x,y)=(x+y2,x+y2)p'(x,y) = \bigl(\frac{x+y}2, \frac{x+y}2\bigr): een projectie wordt bepaald door haar beeld en haar kern, nooit door het beeld alleen.

De projectie op F = Vect(1,1) langs G = Vect(0,1) en haar symmetrie, op het punt M = (2,\ 0.5): verticaal glijdend raakt M de rechte F in p(M) = (2,2) en landt hij in s(M) = 2p(M) - M = (2,\ 3.5), even ver boven F (gemeten langs G) als M eronder lag.
De projectie op F=Vect⁡(1,1)F = \operatorname{Vect}(1,1) langs G=Vect⁡(0,1)G = \operatorname{Vect}(0,1) en haar symmetrie, op het punt M=(2, 0.5)M = (2,\ 0.5): verticaal glijdend raakt MM de rechte FF in p(M)=(2,2)p(M) = (2,2) en landt hij in s(M)=2p(M)−M=(2, 3.5)s(M) = 2p(M) - M = (2,\ 3.5), even ver boven FF (gemeten langs GG) als MM eronder lag.

20.4 Lineaire vormen en hypervlakken

Definitie 20.17

Een lineaire vorm op EE is een lineaire afbeelding φ ⁣:E→K\varphi \colon E \to K. Een hypervlak van EE (dim⁡E=n\dim E = n) is een deelruimte van dimensie n−1n - 1.

Voorbeeld 20.18 (Een evaluatievorm en haar hypervlak)

Op R2[X]\R_2[X] is de evaluatie φ(P)=P(2)\varphi(P) = P(2) een lineaire vorm, ongelijk aan nul (φ(1)=1\varphi(1) = 1). Haar kern is het hypervlak van de veeltermen die in 22 nul worden, dat wil zeggen (factorstelling, Stelling 8.7) de veelvouden van X−2X - 2 binnen 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 .

In coördinaten op (1,X,X2)(1, X, X^2) is φ(a+bX+cX2)=a+2b+4c\varphi(a + bX + cX^2) = a + 2b + 4c: elke lineaire vorm op een eindigdimensionale ruimte is, zodra een basis is vastgelegd, een vaste lineaire uitdrukking in de coördinaten — vormen zijn “rijvectoren”, zoals Hoofdstuk 21 letterlijk zal maken, en de rij coëfficiënten hier, (1,2,4)(1, 2, 4), is een rij van Vandermonde: evaluatievormen zijn de manier waarop de interpolatietheorie van de weekendopgave van Hoofdstuk 22 de lineaire algebra binnenkomt.

Stelling 20.19

De hypervlakken van EE zijn precies de kernen van lineaire vormen ongelijk aan nul. Twee zulke vormen hebben dezelfde kern dan en slechts dan als zij evenredig zijn.

Bewijs. Is φ≠0\varphi \neq 0, dan is rk⁡φ=1\operatorname{rk}\varphi = 1 (het beeld is een deelruimte van KK ongelijk aan nul), dus dim⁡ker⁡φ=n−1\dim\ker\varphi = n - 1: een hypervlak. Omgekeerd, zij HH een hypervlak, (e1,…,en−1)(e_1, \dots, e_{n-1}) een basis van HH aangevuld met ene_n: de vorm “laatste coördinaat” heeft kern HH.

Evenredige vormen delen hun kern. Omgekeerd, stel ker⁡φ=ker⁡ψ=H\ker\varphi = \ker\psi = H en kies a∉Ha \notin H: elke xx schrijft zich als x=h+λax = h + \lambda a (want E=H⊕KaE = H \oplus Ka), en

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

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

Voorbeeld 20.20

In KnK^n is een hypervlak een oplossingsverzameling {a1x1+⋯+anxn=0}\{a_1 x_1 + \dots + a_n x_n = 0\} met niet alle aia_i nul — de vertrouwde vergelijking van een vlak door de oorsprong in R3\R^3. In functieruimten definiëren evaluatievormen P↦P(1)P \mapsto P(1) of f↦∫01ff \mapsto \int_0^1 f hypervlakken van Rn[X]\R_n[X] en van C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) (vergelijk Oefening 19.6).

Voorbeeld 20.21 (Eén hypervlak, op drie manieren behandeld)

Neem φ(x,y,z)=x−2y+3z\varphi(x, y, z) = x - 2y + 3z op R3\R^3 en H=ker⁡φH = \ker\varphi. Basis: los x=2y−3zx = 2y - 3z op:

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

twee vrije vectoren: dim⁡H=2\dim H = 2, een hypervlak, zoals Stelling 20.19 uit φ≠0\varphi \neq 0 voorspelt. Complementaire rechte: elke vector buiten HH spant er een op, bijvoorbeeld a=(1,0,0)a = (1, 0, 0) (φ(a)=1≠0\varphi(a) = 1 \neq 0); de ontbinding van een willekeurige vv is expliciet:

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)},

want 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. Evenredigheid: is ψ(x,y,z)=−2x+4y−6z\psi(x,y,z) = -2x + 4y - 6z, dan is ψ=−2φ\psi = -2\varphi en hebben beide de kern HH; omgekeerd is elke vorm die op HH nul wordt een veelvoud van φ\varphi (Oefening 20.8) — de vergelijking van een hypervlak is op een schaalfactor na eenduidig, een feit dat voor vlakken in de meetkunde voortdurend wordt gebruikt.

Opmerking 20.22 (Veelgemaakte fouten)

Kern en beeld leven in verschillende ruimten: ker⁡u⊆E\ker u \subseteq E, im⁡u⊆F\operatorname{im} u \subseteq F; de som ker⁡u+im⁡u\ker u + \operatorname{im} u heeft alleen zin voor endomorfismen, en zelfs dan hoeft zij niet direct te zijn (u(x,y)=(y,0)u(x, y) = (y, 0) heeft ker⁡u=im⁡u\ker u = \operatorname{im} u; Oefening 20.7 karakteriseert wanneer de directheid geldt). u2=0u^2 = 0 betekent niet u=0u = 0: dezelfde u(x,y)=(y,0)u(x,y) = (y, 0) kwadrateert tot nul zonder zelf nul te zijn — wat u2=0u^2 = 0 werkelijk zegt, is im⁡u⊆ker⁡u\operatorname{im} u \subseteq \ker u (Oefening 20.5). Injectief   ⟺  \iff surjectief vereist gelijke eindige dimensies: op K[X]K[X] is de afgeleide surjectief en niet injectief, en is P↦XPP \mapsto XP injectief en niet surjectief (Gevolg 20.9); en tussen ruimten van verschillende dimensie is één implicatie eenvoudigweg onmogelijk (rk⁡u≤min⁡(dim⁡E,dim⁡F)\operatorname{rk} u \leq \min(\dim E, \dim F)). Beelden voorschrijven werkt op een basis, niet op een willekeurige familie: eisen dat u(1,0)=au(1, 0) = a, u(0,1)=bu(0, 1) = b, u(1,1)=cu(1, 1) = c overbepaalt uu tenzij c=a+bc = a + b; een lineaire afbeelding is vrij op een basis en overal elders geketend. Rang blijft niet behouden onder samenstelling: zij kan alleen dalen, rk⁡(vu)≤min⁡(rk⁡u,rk⁡v)\operatorname{rk}(vu) \leq \min(\operatorname{rk} u, \operatorname{rk} v) (Oefening 20.4), met het exacte verlies gemeten in Oefening 20.12.

Opmerking 20.23 (Waar deze afbeeldingen heen gaan)

Lineaire afbeeldingen staan op het punt matrices te worden: zodra bases zijn vastgelegd, codeert Hoofdstuk 21 elke u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) met een rechthoekige tabel, en wordt de samenstelling het matrixproduct — de dimensiestelling drijft dan de theorie van de lineaire stelsels in Hoofdstuk 22 aan. Projecties keren terug in Hoofdstuk 23 in hun nuttigste bijzondere geval, de orthogonale projectie, waar de kern loodrecht op het beeld wordt gekozen. De weekendopgave hieronder drijft de algebra van de projectoren zo ver als het gereedschap van het eerste jaar reikt, tot het lemma van Fitting; het volume van bachelorjaar 2 gaat verder met het spoor en met de theorie van de eigenwaarden, waarvoor projectoren op stabiele deelruimten de basisbouwstenen zijn.

Opmerking 20.24 (Vooruitzichten binnen boek 3: de dimensiestelling nog drie keer)

De behoudswet dim⁡E=dim⁡ker⁡u+rk⁡u\dim E = \dim\ker u + \operatorname{rk} u zal vóór het einde van het volume nog drie keer worden herlezen. In Hoofdstuk 22 wordt zij de gedaante van de oplossingsverzamelingen: een verenigbaar stelsel met pp onbekenden en rang rr heeft een oplossingsverzameling van dimensie p−rp - r — de dimensie van een kern in vermomming. In Hoofdstuk 23 splitst zij orthogonaal, dim⁡F+dim⁡F⊥=dim⁡E\dim F + \dim F^\perp = \dim E, en drijft zij elke afstandsberekening aan. In de weekendopgave van Hoofdstuk 25 is zij de boekhouder van de kleinste kwadraten: nn waarnemingen, 22 aangepaste parameters, n−2n - 2 dimensies rest, en de identiteit van Pythagoras ∥b∥2=∥p∥2+∥b−p∥2\norm b^2 = \norm p^2 + \norm{b - p}^2 is de euclidische schaduw van de dimensiestelling. Eén stelling, vier kostuums.

20.5 Oefeningen

Oefening 20.1 ★

Welke afbeeldingen zijn lineair?

  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).
Oplossing

Oplossing van Oefening 20.1.

(1) Lineair: coördinaten zijn lineaire uitdrukkingen. (2) Niet lineair: u(2(1,1))=4≠2=2u(1,1)u(2(1,1)) = 4 \neq 2 = 2u(1,1). (3) Lineair: afleiden en vermenigvuldigen met XX zijn dat, en sommen van lineaire afbeeldingen ook. (4) Lineair: de evaluatie respecteert de puntsgewijze bewerkingen.

Oefening 20.2 ★

Zij 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). Bepaal ker⁡u\ker u (basis, dimensie), rk⁡u\operatorname{rk} u, en een basis van im⁡u\operatorname{im} u. Is uu injectief? Surjectief?

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.2.

Kern: los x+y−z=0x + y - z = 0, 2x+y+z=02x + y + z = 0, 3x+2y=03x + 2y = 0 op. Uit de derde volgt y=−3x2y = -\frac{3x}{2}; de eerste geeft z=x+y=−x2z = x + y = -\frac x2; controle in de tweede: 2x−3x2−x2=02x - \frac{3x}{2} - \frac x2 = 0: voldaan. Dus ker⁡u=Vect⁡((2,−3,−1))\ker u = \operatorname{Vect}\bigl((2, -3, -1)\bigr) (met x=2x = 2), van dimensie 11.

Dimensiestelling: rk⁡u=3−1=2\operatorname{rk} u = 3 - 1 = 2. Beeld: opgespannen door de beelden van de canonieke basis, 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); de eerste twee zijn vrij, en de rang is 22: basis ((1,2,3),(1,1,2))\bigl((1,2,3), (1,1,2)\bigr).

Niet injectief (ker⁡≠{0}\ker \neq \{0\}), niet surjectief (rang 2<32 < 3): in overeenstemming met Gevolg 20.9.

Oefening 20.3 ★

Zij u ⁣:Rn[X]→Rn[X]u \colon \R_n[X] \to \R_n[X], P↦P−P′P \mapsto P - P'. Bewijs dat uu een isomorfisme is: één keer via ker⁡u\ker u, één keer door de inverse te geven (beschouw P+P′+P′′+…P + P' + P'' + \dots).

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.3.

Kern: P=P′P = P' dwingt deg⁡P=deg⁡P′\deg P = \deg P' af tenzij P=0P = 0; maar deg⁡P′<deg⁡P\deg P' < \deg P voor P≠0P \neq 0: dus ker⁡u={0}\ker u = \{0\}, en uu, een injectief endomorfisme van het eindigdimensionale Rn[X]\R_n[X], is een isomorfisme (Gevolg 20.9).

Inverse: zij v(P)=P+P′+P′′+⋯+P(n)v(P) = P + P' + P'' + \dots + P^{(n)} (een eindige som op Rn[X]\R_n[X]). Dan is

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 ,

telescoperend, want P(n+1)=0P^{(n+1)} = 0. Dus v=u−1v = u^{-1}.

Oefening 20.4 ★

Zij u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F) en v∈L(F,G)v \in \mathcal{L}(F, G), met eindigdimensionale ruimten. Bewijs:

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

Oplossing van Oefening 20.4.

im⁡(v∘u)=v(im⁡u)⊆im⁡v\operatorname{im}(v \circ u) = v(\operatorname{im} u) \subseteq \operatorname{im} v: de rang is ≤rk⁡v\leq \operatorname{rk} v. En vv beperkt tot im⁡u\operatorname{im} u heeft als beeld im⁡(vu)\operatorname{im}(vu), waarop de dimensiestelling binnen im⁡u\operatorname{im} u geeft: rk⁡(vu)≤dim⁡im⁡u=rk⁡u\operatorname{rk}(vu) \leq \dim\operatorname{im} u = \operatorname{rk} u.

Oefening 20.5 ★★

Zij uu een endomorfisme van EE (eindigdimensionaal) met u2=0u^2 = 0. Bewijs dat im⁡u⊆ker⁡u\operatorname{im} u \subseteq \ker u, en dus rk⁡u≤dim⁡E2\operatorname{rk} u \leq \frac{\dim E}{2}. Geef voor E=R2E = \R^2 een voorbeeld met gelijkheid.

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.5.

u2=0u^2 = 0 betekent u(u(x))=0u(u(x)) = 0 voor alle xx: elke u(x)u(x) ligt in ker⁡u\ker u, dat wil zeggen im⁡u⊆ker⁡u\operatorname{im} u \subseteq \ker u. Dan geeft de dimensiestelling

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

Voorbeeld met gelijkheid in R2\R^2: u(x,y)=(y,0)u(x, y) = (y, 0): u2=0u^2 = 0, rk⁡u=1=dim⁡E2\operatorname{rk} u = 1 = \frac{\dim E}{2}.

Oefening 20.6 ★★

Zij p,qp, q projecties van EE met p∘q=q∘pp \circ q = q \circ p. Bewijs dat p∘qp \circ q een projectie is, met

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 .
Oplossing

Oplossing van Oefening 20.6.

(pq)2=pqpq=ppqq=pq(pq)^2 = pqpq = ppqq = pq (commutatie): een projectie (Stelling 20.15).

Beeld: im⁡(pq)⊆im⁡p\operatorname{im}(pq) \subseteq \operatorname{im} p, en =im⁡(qp)⊆im⁡q= \operatorname{im}(qp) \subseteq \operatorname{im} q: bevat in de doorsnede. Omgekeerd, is x∈im⁡p∩im⁡qx \in \operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q, dan is p(x)=xp(x) = x en q(x)=xq(x) = x (de vaste punten karakteriseren het beeld van een projectie), dus pq(x)=xpq(x) = x: x∈im⁡(pq)x \in \operatorname{im}(pq).

Kern: ker⁡p⊆ker⁡(qp)=ker⁡(pq)\ker p \subseteq \ker(qp) = \ker(pq) en evenzo ker⁡q⊆ker⁡(pq)\ker q \subseteq \ker(pq): de som is erin bevat. Omgekeerd, zij pq(x)=0pq(x) = 0, en schrijf

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

de eerste term voldoet aan p(q(x))=0p(q(x)) = 0 en ligt dus in ker⁡p\ker p; de tweede ligt in ker⁡q\ker q omdat q(x−q(x))=q(x)−q2(x)=0q(x - q(x)) = q(x) - q^2(x) = 0. Bijgevolg x∈ker⁡p+ker⁡qx \in \ker p + \ker q.

Oefening 20.7 ★★

Zij u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E) met EE eindigdimensionaal. Bewijs de equivalentie van:

  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.
Oplossing

Oplossing van Oefening 20.7.

Merk eerst de algemene insluitingen ker⁡u⊆ker⁡u2\ker u \subseteq \ker u^2 en im⁡u2⊆im⁡u\operatorname{im} u^2 \subseteq \operatorname{im} u op, en dat volgens de dimensiestelling (2)   ⟺  \iff (3) (gelijke kernen   ⟺  \iff gelijke rangen   ⟺  \iff gelijke beelden, gegeven de insluitingen).

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

(2 ⇒\Rightarrow 1): volgens Grassmann en de dimensiestelling is 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): de som is EE dan en slechts dan als de doorsnede {0}\{0\} is. Zij y∈ker⁡u∩im⁡uy \in \ker u \cap \operatorname{im} u: y=u(x)y = u(x) en u(y)=0u(y) = 0, dus u2(x)=0u^2(x) = 0, dus (wegens (2)) u(x)=0u(x) = 0: y=0y = 0. Bijgevolg E=ker⁡u⊕im⁡uE = \ker u \oplus \operatorname{im} u.

Oefening 20.8 ★★

Zij φ,ψ\varphi, \psi lineaire vormen op EE met ker⁡φ⊆ker⁡ψ\ker\varphi \subseteq \ker\psi. Bewijs dat ψ=λφ\psi = \lambda\varphi voor een zekere λ∈K\lambda \in K (met inbegrip van de ontaarde gevallen).

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.8.

Is φ=0\varphi = 0, dan dwingt ker⁡φ=E⊆ker⁡ψ\ker\varphi = E \subseteq \ker\psi af dat ψ=0=0⋅φ\psi = 0 = 0\cdot\varphi. Is φ≠0\varphi \neq 0, dan is ker⁡φ\ker\varphi een hypervlak; kies a∉ker⁡φa \notin \ker\varphi. Stel λ=ψ(a)φ(a)\lambda = \frac{\psi(a)}{\varphi(a)}. De vorm ψ−λφ\psi - \lambda\varphi wordt nul op ker⁡φ\ker\varphi (beide worden dat, wegens de insluiting) en in aa: zij wordt nul op ker⁡φ⊕Ka=E\ker\varphi \oplus Ka = E. Dus ψ=λφ\psi = \lambda\varphi.

Oefening 20.9 ★★★

Zij u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E) met dim⁡E=n\dim E = n, en stel un=0u^n = 0 maar un−1≠0u^{n-1} \neq 0 (een maximaal nilpotent endomorfisme). Kies xx met un−1(x)≠0u^{n-1}(x) \neq 0; bewijs dat (x,u(x),…,un−1(x))\bigl(x, u(x), \dots, u^{n-1}(x)\bigr) een basis van EE is. (Pas machten van uu toe op een nulcombinatie, te beginnen met un−1u^{n-1}.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.9.

Stel λ0x+λ1u(x)+⋯+λn−1un−1(x)=0\lambda_0 x + \lambda_1 u(x) + \dots + \lambda_{n-1} u^{n-1}(x) = 0. Pas un−1u^{n-1} toe: alle termen met een factor u≥nu^{\geq n} sterven, zodat λ0un−1(x)=0\lambda_0 u^{n-1}(x) = 0 overblijft, dus λ0=0\lambda_0 = 0. Pas un−2u^{n-2} toe op de overgebleven betrekking: λ1un−1(x)=0\lambda_1 u^{n-1}(x) = 0, dus λ1=0\lambda_1 = 0; enzovoort. De familie is vrij; met n=dim⁡En = \dim E elementen is zij een basis (Propositie 19.8). (In die basis werkt uu als een verschuiving — het model van de maximale nilpotentie.)

Oefening 20.10 ★★★

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

  1. Bewijs dat ff een isomorfisme is en dat geen enkele x≠0x \neq 0 voldoet aan f(x)=λxf(x) = \lambda x met λ∈R\lambda \in \R.
  2. Bewijs dat nn even is. Aanwijzing: kies x1≠0x_1 \neq 0; toon aan dat Vect⁡(x1,f(x1))\operatorname{Vect}(x_1, f(x_1)) een vlak is dat onder ff stabiel is; kies x2x_2 daarbuiten en herhaal, waarbij je bewijst dat (x1,f(x1),x2,f(x2),… )\bigl(x_1, f(x_1), x_2, f(x_2), \dots\bigr) vrij blijft.
Oplossing

Oplossing van Oefening 20.10.

  1. f∘f=−idf \circ f = -\mathrm{id} is bijectief, dus ff ook (Propositie 1.26, aangepast: ff heeft de tweezijdige inverse −f-f). Is f(x)=λxf(x) = \lambda x met x≠0x \neq 0, dan geeft toepassing van ff dat −x=λ2x-x = \lambda^2 x, dus λ2=−1\lambda^2 = -1: onmogelijk in R\R.
  2. Bouw de familie gulzig op. Neem x1≠0x_1 \neq 0: (x1,f(x1))(x_1, f(x_1)) is vrij volgens (1). Is het opspansel van de huidige familie (x1,f(x1),…,xk,f(xk))\bigl(x_1, f(x_1), \dots, x_k, f(x_k)\bigr), noem het VkV_k — een deelruimte die onder ff stabiel is (elke voortbrenger wordt op een andere voortbrenger of diens tegengestelde afgebeeld: f(f(xi))=−xif(f(x_i)) = -x_i) — niet heel EE, kies dan xk+1∉Vkx_{k+1} \notin V_k. Bewering: de vergrote familie is vrij. Stel αxk+1+βf(xk+1)+v=0\alpha x_{k+1} + \beta f(x_{k+1}) + v = 0 met v∈Vkv \in V_k en (α,β)≠(0,0)(\alpha, \beta) \neq (0,0). Pas ff toe: αf(xk+1)−βxk+1+f(v)=0\alpha f(x_{k+1}) - \beta x_{k+1} + f(v) = 0 met f(v)∈Vkf(v) \in V_k. Elimineer f(xk+1)f(x_{k+1}) tussen beide betrekkingen (vermenigvuldig de eerste met α\alpha, de tweede met −β-\beta, en tel op):

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

    en α2+β2≠0\alpha^2 + \beta^2 \neq 0 dwingt xk+1∈Vkx_{k+1} \in V_k af: tegenspraak. De constructie gaat dus door en voegt telkens twee vectoren toe, totdat Vk=EV_k = E: de uiteindelijke familie is een basis van even omvang, en nn is even.

Oefening 20.11 ★★

Zij u,v∈L(E,F)u, v \in \mathcal{L}(E, F), met eindigdimensionale ruimten. Bewijs de tweezijdige grens

∣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 .

(Vergelijk voor de bovengrens im⁡(u+v)\operatorname{im}(u+v) met im⁡u+im⁡v\operatorname{im} u + \operatorname{im} v; pas voor de ondergrens de bovengrens listig toe.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.11.

Bovengrens: voor elke xx is (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, dus

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

(Grassmann, Stelling 19.18). Ondergrens: pas de bovengrens toe op het paar (u+v,−v)(u + v, -v), waarvan de som uu is:

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,

dus rk⁡u−rk⁡v≤rk⁡(u+v)\operatorname{rk} u - \operatorname{rk} v \leq \operatorname{rk}(u+v); verwisseling van uu en vv geeft de absolute waarde.

Oefening 20.12 ★★★

(Ongelijkheid van Frobenius) Zij u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F), w∈L(F,G)w \in \mathcal{L}(F, G) en v∈L(G,H)v \in \mathcal{L}(G, H), met alle ruimten eindigdimensionaal. Bewijs de exacte formule

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),

en leid de ongelijkheid van Frobenius af:

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) .

Ga na dat het geval w=idFw = \mathrm{id}_F de ongelijkheid van Sylvester is, die in matrixvorm wordt bewezen in Oefening 21.10.

Oplossing

Oplossing van Oefening 20.12.

Exacte formule. Zij v′v' de beperking van vv tot de deelruimte im⁡w\operatorname{im} w. Haar beeld is v(w(F))=im⁡(v∘w)v(w(F)) = \operatorname{im}(v \circ w), en haar kern is ker⁡v∩im⁡w\ker v \cap \operatorname{im} w. De dimensiestelling voor v′v' op de ruimte im⁡w\operatorname{im} w geeft

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. Pas de exacte formule twee keer toe, op ww en op 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) .

Omdat im⁡(w∘u)⊆im⁡w\operatorname{im}(w \circ u) \subseteq \operatorname{im} w, is de tweede doorsnede in de eerste bevat en is haar dimensie niet groter:

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

wat zich herschikt tot de ongelijkheid van Frobenius. Met w=idFw = \mathrm{id}_F (rang dim⁡F\dim F, en 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), de ongelijkheid van Sylvester — opnieuw bewezen, in matrixvorm, in Oefening 21.10.

20.6 Opgave: rekenen met projectoren en het lemma van Fitting

Probleem 20.1

Projecties zijn de endomorfismen die directe sommen voortbrengen, en omgekeerd: elke identiteit E=F1⊕⋯⊕FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k is heimelijk een familie projectoren die tot de identiteit sommeert. Deze opgave ontwikkelt dat woordenboek — de algebra van één projector, van twee, van kk — en past daarna dezelfde ideeën over stabilisatie toe op een willekeurig endomorfisme, met als resultaat het lemma van Fitting: elk endomorfisme van een eindigdimensionale ruimte splitst in een nilpotent deel en een inverteerbaar deel. Overal is EE een KK-vectorruimte van dimensie nn, en betekent projector een p∈L(E)p \in \mathcal{L}(E) met p2=pp^2 = p (Stelling 20.15).

Deel I — De algebra rond één projector. Zij pp een projector met p≠0p \neq 0 en p≠idp \neq \mathrm{id}.

  1. Toon aan dat id−p\mathrm{id} - p een projector is en identificeer im⁡(id−p)\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) en ker⁡(id−p)\ker(\mathrm{id} - p).
  2. Bereken (λ id+μ p)2(\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p)^2 en bepaal alle paren (λ,μ)∈K2(\lambda, \mu) \in K^2 waarvoor λ id+μ p\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p een projector is.
  3. Toon aan dat het vlak Vect⁡(id,p)\operatorname{Vect}(\mathrm{id}, p) van L(E)\mathcal{L}(E) stabiel is onder samenstelling, en dat voor elke veelterm 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. Bepaal voor welke (λ,μ)(\lambda, \mu) de afbeelding λ id+μ p\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p inverteerbaar is, en geef haar inverse in de vorm α id+β p\alpha\,\mathrm{id} + \beta\,p. Interpreteer het antwoord via de werking van λ id+μ p\lambda\,\mathrm{id} + \mu\,p op im⁡p\operatorname{im} p en op ker⁡p\ker p.
  5. Zij p′p' een andere projector met hetzelfde beeld im⁡p′=im⁡p\operatorname{im} p' = \operatorname{im} p. Toon aan dat p p′=p′p\,p' = p' en p′ p=pp'\,p = p. Wat zeggen deze identiteiten over het samenstellen van projecties op dezelfde deelruimte langs verschillende kernen?

Deel II — Twee projectoren. Zij p,qp, q projectoren van EE; neem aan dat de karakteristiek niet 22 is (waar voor K=R,CK = \R, \C).

  1. Stel dat p+qp + q een projector is. Toon door (p+q)2(p + q)^2 uit te werken aan dat pq+qp=0pq + qp = 0; leid, door links en daarna rechts met pp samen te stellen, af dat pq=qppq = qp, en besluit dat pq=qp=0pq = qp = 0.
  2. Stel omgekeerd dat pq=qp=0pq = qp = 0. Toon aan dat p+qp + q een projector is, met

    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. Toon aan dat p−qp - q een projector is dan en slechts dan als pq=qp=qpq = qp = q. (Pas de vragen 6–7 toe op id−p\mathrm{id} - p en qq.)
  4. Toon de meetkundige betekenis van pq=qp=qpq = qp = q: die geldt dan en slechts dan als im⁡q⊆im⁡p\operatorname{im} q \subseteq \operatorname{im} p en ker⁡p⊆ker⁡q\ker p \subseteq \ker q. (Men schrijft dan q≤pq \leq p: “qq projecteert op minder, langs meer”.)
  5. Zij nu p,qp, q commuterend. Herinner uit Oefening 20.6 dat pqpq de projector is op im⁡p∩im⁡q\operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q langs ker⁡p+ker⁡q\ker p + \ker q. Toon aan dat r=p+q−pqr = p + q - pq een projector is met

    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 .

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

Deel III — Ontbindingen van de identiteit.

  1. Zij E=F1⊕⋯⊕FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k en stel, voor x=x1+⋯+xkx = x_1 + \dots + x_k (eenduidige ontbinding, xi∈Fix_i \in F_i), pi(x)=xip_i(x) = x_i. Toon aan dat elke pip_i een projector is, dat pipj=0p_i p_j = 0 voor i≠ji \neq j, en dat p1+⋯+pk=idp_1 + \dots + p_k = \mathrm{id}; identificeer im⁡pi\operatorname{im} p_i en ker⁡pi\ker p_i.
  2. Zij omgekeerd p1,…,pk∈L(E)p_1, \dots, p_k \in \mathcal{L}(E) met p1+⋯+pk=idp_1 + \dots + p_k = \mathrm{id} en pipj=0p_i p_j = 0 voor alle i≠ji \neq j. Toon aan dat elke pip_i een projector is en dat E=im⁡p1⊕⋯⊕im⁡pkE = \operatorname{im} p_1 \oplus \dots \oplus \operatorname{im} p_k.
  3. Twee projectoren met p+q=idp + q = \mathrm{id}: toon aan dat pq=qp=0pq = qp = 0 automatisch geldt.
  4. Drie projectoren met p+q+r=idp + q + r = \mathrm{id}: toon aan dat p+qp + q een projector is, en leid met vraag 6 af dat alle paarsgewijze producten nul zijn — en dus E=im⁡p⊕im⁡q⊕im⁡rE = \operatorname{im} p \oplus \operatorname{im} q \oplus \operatorname{im} r, zonder enige hypothese over de producten.
  5. Voor kk projectoren met p1+⋯+pk=idp_1 + \dots + p_k = \mathrm{id}: toon eerst aan dat voor willekeurige deelruimten dim⁡(F1+⋯+Fk)≤dim⁡F1+⋯+dim⁡Fk\dim (F_1 + \dots + F_k) \leq \dim F_1 + \dots + \dim F_k, met gelijkheid dan en slechts dan als de som direct is; toon daarna aan dat E=im⁡p1+⋯+im⁡pkE = \operatorname{im} p_1 + \dots + \operatorname{im} p_k, en bewijs dat als bovendien ∑irk⁡pi≤n\sum_i \operatorname{rk} p_i \leq n, de som direct is en pipj=0p_i p_j = 0 voor i≠ji \neq j.

Deel IV — Herhaalde kernen: het lemma van Fitting. Zij u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E), dim⁡E=n\dim E = n.

  1. Toon de twee ketens aan, geldig voor elke 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. Toon aan dat als ker⁡ur=ker⁡ur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1} voor zekere rr, dan ker⁡uk=ker⁡ur\ker u^{k} = \ker u^{r} voor alle k≥rk \geq r; formuleer en bewijs de overeenkomstige stabilisatie voor de beelden.
  3. Leid af dat er een kleinste geheel getal rr is met ker⁡ur=ker⁡ur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1}, dat r≤nr \leq n, en dat de beelden bij dezelfde rr stabiliseren.
  4. (Lemma van Fitting) Bewijs dat

    E  =  ker⁡ur ⊕ im⁡ur.E \;=\; \ker u^{r} \,\oplus\, \operatorname{im} u^{r} .
  5. Toon aan dat beide deelruimten stabiel zijn onder uu, dat de beperking van uu tot ker⁡ur\ker u^{r} nilpotent is, en dat de beperking van uu tot im⁡ur\operatorname{im} u^{r} een isomorfisme van im⁡ur\operatorname{im} u^{r} is: elk endomorfisme is, op een canonieke directe som, “nilpotent plus inverteerbaar”.
  6. Zij π\pi de projector op ker⁡ur\ker u^{r} langs im⁡ur\operatorname{im} u^{r}. Toon aan dat π∘u=u∘π\pi \circ u = u \circ \pi.

Deel V — Een uitgewerkt geval, en synthese.

  1. Zij u(x,y,z)=(y,0,z)u(x, y, z) = (y, 0, z) op R3\R^3. Bereken u2u^2 en u3u^3, bepaal de stabilisatie-index rr, de deelruimten ker⁡ur\ker u^{r} en im⁡ur\operatorname{im} u^{r}, de Fitting-projector π\pi, en ga aan de formules na dat πu=uπ\pi u = u\pi en dat uu nilpotent is op de ene factor en bijectief op de andere.
  2. Toon de equivalenties aan: uu nilpotent   ⟺  \iff ker⁡ur=E\ker u^{r} = E   ⟺  \iff π=id\pi = \mathrm{id}; en leid af dat een nilpotent endomorfisme van een nn-dimensionale ruimte altijd voldoet aan un=0u^{n} = 0 (de nilpotentie-index overtreft de dimensie nooit).
  3. (Eenduidigheid) Stel E=A⊕BE = A \oplus B met A,BA, B stabiel onder uu, met u∣Au|_A nilpotent en u∣Bu|_B bijectief. Bewijs dat A=ker⁡urA = \ker u^{r} en B=im⁡urB = \operatorname{im} u^{r}: de ontbinding van Fitting is eenduidig.
  4. Synthese, in vier zinnen: welk woordenboek deel III legt tussen directe sommen en families projectoren; waarom vraag 14 geen hypothesen over producten nodig had terwijl vraag 15 een hypothese over de rang nodig had (en welk gereedschap van bachelorjaar 2, het spoor, die verwijdert); in welke zin het lemma van Fitting de gestabiliseerde versie van Oefening 20.7 is; en wat de twee factoren van Fitting worden in de theorie van de eigenwaarden van het volume van bachelorjaar 2. Benoem de stelling die in deel IV is bewezen.
Oplossing

Oplossing van Probleem 20.1.

1. (id−p)2=id−2p+p2=id−p(\mathrm{id} - p)^2 = \mathrm{id} - 2p + p^2 = \mathrm{id} - p: een projector. Is y=x−p(x)y = x - p(x), dan is p(y)=p(x)−p2(x)=0p(y) = p(x) - p^2(x) = 0, en omgekeerd geeft x∈ker⁡px \in \ker p dat x=(id−p)(x)x = (\mathrm{id} - p)(x): im⁡(id−p)=ker⁡p\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) = \ker p. En (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 (vaste punten, Stelling 20.15): ker⁡(id−p)=im⁡p\ker(\mathrm{id} - p) = \operatorname{im} p.

2. (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. Het paar (id,p)(\mathrm{id}, p) is vrij in L(E)\mathcal{L}(E): uit p=c idp = c\, \mathrm{id} zou c2=cc^2 = c volgen, dus p=0p = 0 of id\mathrm{id}, wat is uitgesloten. Door de coëfficiënten te identificeren is de afbeelding een projector dan en slechts dan als λ2=λ\lambda^2 = \lambda en 2λμ+μ2=μ2\lambda\mu + \mu^2 = \mu. Voor λ=0\lambda = 0: μ∈{0,1}\mu \in \{0, 1\}. Voor λ=1\lambda = 1: μ2+μ=0\mu^2 + \mu = 0, dus μ∈{0,−1}\mu \in \{0, -1\}. Precies vier projectoren in het vlak: 00, pp, id\mathrm{id}, id−p\mathrm{id} - p.

3. (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: het vlak is stabiel onder samenstelling. Omdat pk=pp^k = p voor elke k≥1k \geq 1, is voor 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. Op im⁡p\operatorname{im} p (waar pp als de identiteit werkt) vermenigvuldigt λ id+μp\lambda\,\mathrm{id} + \mu p met λ+μ\lambda + \mu; op ker⁡p\ker p met λ\lambda. Omdat E=im⁡p⊕ker⁡pE = \operatorname{im} p \oplus \ker p, is de afbeelding bijectief dan en slechts dan als λ≠0\lambda \neq 0 en λ+μ≠0\lambda + \mu \neq 0. Oplossen van λα=1\lambda\alpha = 1 en λβ+μα+μβ=0\lambda\beta + \mu\alpha + \mu\beta = 0 in de samenstellingsregel van vraag 3 geeft

(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 ,

waarvan de werking 1/λ1/\lambda is op ker⁡p\ker p en 1/(λ+μ)1/(\lambda + \mu) op im⁡p\operatorname{im} p, zoals het moet.

5. Schrijf F=im⁡p=im⁡p′F = \operatorname{im} p = \operatorname{im} p'. Voor elke xx is p′(x)∈Fp'(x) \in F en houdt pp de ruimte FF puntsgewijs vast: p(p′(x))=p′(x)p(p'(x)) = p'(x), dus p p′=p′p\,p' = p'; symmetrisch p′ p=pp'\,p = p. Delen twee projecties hun beeld, dan beslist degene die eerst wordt toegepast: haar uitvoer ligt al in FF, waar de buitenste projectie als de identiteit werkt en niets verandert.

6. (p+q)2=p2+pq+qp+q2=(p+q)+pq+qp(p + q)^2 = p^2 + pq + qp + q^2 = (p + q) + pq + qp, dus dwingt “p+qp + q is een projector” af dat pq+qp=0pq + qp = 0. Stel links met pp samen: pq+pqp=0pq + pqp = 0; rechts met pp: pqp+qp=0pqp + qp = 0. Aftrekken geeft pq=qppq = qp; dan is pq+qp=2pq=0pq + qp = 2pq = 0 en is de karakteristiek niet 22: pq=qp=0pq = qp = 0.

7. Met pq=qp=0pq = qp = 0 geeft dezelfde uitwerking (p+q)2=p+q(p + q)^2 = p + q. Beeld: im⁡(p+q)⊆im⁡p+im⁡q\operatorname{im}(p + q) \subseteq \operatorname{im} p + \operatorname{im} q geldt altijd. Omgekeerd is voor x∈im⁡px \in \operatorname{im} p: q(x)=q(p(x))=0q(x) = q(p(x)) = 0, dus (p+q)(x)=p(x)=x(p + q)(x) = p(x) = x en x∈im⁡(p+q)x \in \operatorname{im}(p+q); net zo voor im⁡q\operatorname{im} q. Directheid: x∈im⁡p∩im⁡qx \in \operatorname{im} p \cap \operatorname{im} q geeft x=p(x)=p(q(x))=0x = p(x) = p(q(x)) = 0. Kern: is p(x)+q(x)=0p(x) + q(x) = 0, dan geeft toepassing van pp dat p(x)+p(q(x))=p(x)=0p(x) + p(q(x)) = p(x) = 0, en toepassing van qq dat q(x)=0q(x) = 0: ker⁡(p+q)=ker⁡p∩ker⁡q\ker(p + q) = \ker p \cap \ker q (de omgekeerde insluiting is duidelijk).

8. p−qp - q is een projector dan en slechts dan als id−(p−q)=(id−p)+q\mathrm{id} - (p - q) = (\mathrm{id} - p) + q er een is (twee keer vraag 1). Volgens de vragen 6–7, toegepast op de projectoren id−p\mathrm{id} - p en qq, geldt dit dan en slechts dan als (id−p)q=q(id−p)=0(\mathrm{id} - p)q = q(\mathrm{id} - p) = 0, dat wil zeggen dan en slechts dan als pq=qpq = q en qp=qqp = q.

9. pq=qpq = q betekent dat pp elke q(x)q(x) vasthoudt, dat wil zeggen im⁡q⊆ker⁡(p−id)=im⁡p\operatorname{im} q \subseteq \ker(p - \mathrm{id}) = \operatorname{im} p. En qp=qqp = q betekent dat q((id−p)(x))=0q\bigl((\mathrm{id} - p)(x)\bigr) = 0 voor alle xx, dat wil zeggen dat qq nul wordt op im⁡(id−p)=ker⁡p\operatorname{im}(\mathrm{id} - p) = \ker p: ker⁡p⊆ker⁡q\ker p \subseteq \ker q. Beide stappen zijn equivalenties: de ordening q≤pq \leq p zegt dat qq op een kleiner beeld projecteert, langs een grotere kern.

10. Uitwerken geeft (id−p)(id−q)=id−p−q+pq=id−r(\mathrm{id} - p)(\mathrm{id} - q) = \mathrm{id} - p - q + pq = \mathrm{id} - r. De projectoren id−p\mathrm{id} - p en id−q\mathrm{id} - q commuteren, dus is hun product id−r\mathrm{id} - r volgens Oefening 20.6 de projector op 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 langs ker⁡(id−p)+ker⁡(id−q)=im⁡p+im⁡q\ker(\mathrm{id} - p) + \ker(\mathrm{id} - q) = \operatorname{im} p + \operatorname{im} q. Volgens vraag 1 is r=id−(id−r)r = \mathrm{id} - (\mathrm{id} - r) dan de projector met im⁡r=im⁡p+im⁡q\operatorname{im} r = \operatorname{im} p + \operatorname{im} q en ker⁡r=ker⁡p∩ker⁡q\ker r = \ker p \cap \ker q.

11. pip_i is welgedefinieerd (eenduidigheid van de ontbinding) en lineair (de ontbinding van x+λyx + \lambda y is de som van de ontbindingen, opnieuw wegens de eenduidigheid). Voor xi∈Fix_i \in F_i is de ontbinding xix_i zelf, dus pi(xi)=xip_i(x_i) = x_i: pi2=pip_i^2 = p_i, en pj(xi)=0p_j(x_i) = 0 voor j≠ij \neq i: pipj=0p_i p_j = 0 (want pj(x)∈Fjp_j(x) \in F_j). Optelling van de componenten geeft ∑ipi=id\sum_i p_i = \mathrm{id}. Ten slotte is im⁡pi=Fi\operatorname{im} p_i = F_i en ker⁡pi=⨁j≠iFj\ker p_i = \bigoplus_{j \neq i} F_j.

12. 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: elke pip_i is een projector. Elke x=id(x)=∑ipi(x)x = \mathrm{id}(x) = \sum_i p_i(x) ligt in ∑iim⁡pi\sum_i \operatorname{im} p_i: de beelden sommeren tot EE. Directheid: stel y1+⋯+yk=0y_1 + \dots + y_k = 0 met yi∈im⁡piy_i \in \operatorname{im} p_i, zodat pi(yi)=yip_i(y_i) = y_i. Pas pjp_j toe: pj(yi)=pjpi(yi)=0p_j(y_i) = p_j p_i (y_i) = 0 voor i≠ji \neq j, dus 0=pj(∑yi)=yj0 = p_j\bigl(\sum y_i\bigr) = y_j, voor elke jj. Bijgevolg E=⨁iim⁡piE = \bigoplus_i \operatorname{im} p_i.

13. q=id−pq = \mathrm{id} - p, en vraag 1 geeft rechtstreeks pq=p−p2=0=qppq = p - p^2 = 0 = qp: voor twee projectoren dwingt het sommeren tot de identiteit de orthogonaliteit van het paar al af.

14. p+q=id−rp + q = \mathrm{id} - r met rr een projector, en (id−r)(\mathrm{id} - r) is een projector (vraag 1): dus is p+qp + q een projector, en geeft vraag 6 dat pq=qp=0pq = qp = 0. Uit symmetrie (q+r=id−pq + r = \mathrm{id} - p en p+r=id−qp + r = \mathrm{id} - q) worden alle paarsgewijze producten nul, en besluit vraag 12: E=im⁡p⊕im⁡q⊕im⁡rE = \operatorname{im} p \oplus \operatorname{im} q \oplus \operatorname{im} r, automatisch.

15. Lemma. Met inductie en Grassmann (Stelling 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 .

Is het totaal een gelijkheid, dan is elke stap dat: (F1+⋯+Fj−1)∩Fj={0}(F_1 + \dots + F_{j-1}) \cap F_j = \{0\} voor elke jj, en een betrekking y1+⋯+yk=0y_1 + \dots + y_k = 0 (yi∈Fiy_i \in F_i) stort van rechts in: yk∈(F1+⋯+Fk−1)∩Fk={0}y_k \in (F_1 + \dots + F_{k-1}) \cap F_k = \{0\}, dan yk−1=0y_{k-1} = 0, enzovoort: de som is direct. Omgekeerd heeft een directe som optelbare dimensies (schakel de bases aaneen). Toepassing: x=∑ipi(x)x = \sum_i p_i(x) toont E=∑iim⁡piE = \sum_i \operatorname{im} p_i, dus n≤∑irk⁡pin \leq \sum_i \operatorname{rk} p_i; de hypothese geeft gelijkheid, en dus directheid. Producten: leg jj vast en zij y∈im⁡pjy \in \operatorname{im} p_j. Dan is y=∑ipi(y)y = \sum_i p_i(y) met pi(y)∈im⁡pip_i(y) \in \operatorname{im} p_i, terwijl y=yy = y ook een ontbinding is (component jj alleen); de eenduidigheid dwingt pi(y)=0p_i(y) = 0 af voor i≠ji \neq j. Toegepast op y=pj(x)y = p_j(x): pipj=0p_i p_j = 0.

16. Is uk(x)=0u^k(x) = 0, dan is uk+1(x)=u(0)=0u^{k+1}(x) = u(0) = 0. En 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. Neem aan dat ker⁡ur=ker⁡ur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1} en zij x∈ker⁡ur+2x \in \ker u^{r+2}: dan is u(x)∈ker⁡ur+1=ker⁡uru(x) \in \ker u^{r+1} = \ker u^{r}, dus ur+1(x)=0u^{r+1}(x) = 0: x∈ker⁡ur+1x \in \ker u^{r+1}. Met vraag 16 volgt ker⁡ur+1=ker⁡ur+2\ker u^{r+1} = \ker u^{r+2}, en met inductie vallen alle latere kernen samen met ker⁡ur\ker u^{r}. Voor de beelden: de dimensiestelling geeft dim⁡im⁡uk=n−dim⁡ker⁡uk\dim\operatorname{im} u^k = n - \dim\ker u^k, dus bevriezen de dimensies van de beelden precies wanneer die van de kernen dat doen, en met de insluitingen van vraag 16 betekenen gelijke dimensies gelijke deelruimten (Stelling 19.14).

18. De rij (dim⁡ker⁡uk)k\bigl(\dim\ker u^k\bigr)_k is stijgend met waarden in [ ⁣[0, n] ⁣]\intint{0}{n}; zij kan niet n+1n + 1 keer strikt stijgen, dus is voor zekere r≤nr \leq n dim⁡ker⁡ur=dim⁡ker⁡ur+1\dim\ker u^{r} = \dim\ker u^{r+1}, en dus ker⁡ur=ker⁡ur+1\ker u^{r} = \ker u^{r+1} (insluiting plus gelijke dimensie). Neem rr minimaal; vraag 17 bevriest alles vanaf rr, de beelden inbegrepen.

19. Doorsnede: zij x∈ker⁡ur∩im⁡urx \in \ker u^{r} \cap \operatorname{im} u^{r}, zeg x=ur(y)x = u^{r}(y) met ur(x)=0u^{r}(x) = 0. Dan is u2r(y)=0u^{2r}(y) = 0, en ker⁡u2r=ker⁡ur\ker u^{2r} = \ker u^{r} (vraag 17), dus x=ur(y)=0x = u^{r}(y) = 0. Dimensies: de dimensiestelling voor uru^{r} geeft dim⁡ker⁡ur+dim⁡im⁡ur=n\dim\ker u^{r} + \dim\operatorname{im} u^{r} = n; met de triviale doorsnede maakt Grassmann de som tot een deelruimte van dimensie nn: E=ker⁡ur⊕im⁡urE = \ker u^{r} \oplus \operatorname{im} u^{r}.

20. Stabiliteit: ur(u(x))=u(ur(x))=0u^{r}(u(x)) = u(u^{r}(x)) = 0 voor x∈ker⁡urx \in \ker u^{r}; en u(ur(y))=ur(u(y))∈im⁡uru(u^{r}(y)) = u^{r}(u(y)) \in \operatorname{im} u^{r}. Op N=ker⁡urN = \ker u^{r} is (u∣N)r=0(u|_N)^{r} = 0 per definitie van NN: nilpotent. Op I=im⁡urI = \operatorname{im} u^{r} is ker⁡(u∣I)=ker⁡u∩I⊆ker⁡ur∩I={0}\ker(u|_I) = \ker u \cap I \subseteq \ker u^{r} \cap I = \{0\}, dus is u∣Iu|_I een injectief endomorfisme van het eindigdimensionale II, en bijgevolg bijectief (Gevolg 20.9).

21. Zij x=a+bx = a + b met a∈Na \in N en b∈Ib \in I. Dan is u(x)=u(a)+u(b)u(x) = u(a) + u(b) met u(a)∈Nu(a) \in N en u(b)∈Iu(b) \in I (vraag 20): dat is de ontbinding van u(x)u(x), dus π(u(x))=u(a)=u(π(x))\pi(u(x)) = u(a) = u(\pi(x)): πu=uπ\pi u = u\pi.

22. u2(x,y,z)=u(y,0,z)=(0,0,z)u^2(x,y,z) = u(y, 0, z) = (0, 0, z) en 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). Kernen: 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: stabilisatie bij r=2r = 2. Beelden: 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). Fitting: R3=Vect⁡(e1,e2)⊕Vect⁡(e3)\R^3 = \operatorname{Vect}(e_1, e_2) \oplus \operatorname{Vect}(e_3), en π(x,y,z)=(x,y,0)\pi(x, y, z) = (x, y, 0). Controle: πu(x,y,z)=π(y,0,z)=(y,0,0)\pi u(x,y,z) = \pi(y, 0, z) = (y, 0, 0) en uπ(x,y,z)=u(x,y,0)=(y,0,0)u\pi(x,y,z) = u(x, y, 0) = (y, 0, 0): gelijk. Op de eerste factor is u(x,y,0)=(y,0,0)u(x, y, 0) = (y, 0, 0), waarvan het kwadraat 00 is: nilpotent; op de tweede is u(0,0,z)=(0,0,z)u(0,0,z) = (0,0,z): de identiteit, bijectief.

23. Is um=0u^m = 0, dan is ker⁡um=E\ker u^m = E; omdat de kernen vanaf rr bevroren zijn, is ker⁡ur=ker⁡umax⁡(m,r)=E\ker u^{r} = \ker u^{\max(m, r)} = E. Omgekeerd betekent ker⁡ur=E\ker u^{r} = E dat ur=0u^{r} = 0. En ker⁡ur=E  ⟺  \ker u^{r} = E \iff de Fitting-projector projecteert op EE langs {0}\{0\}, dat wil zeggen π=id\pi = \mathrm{id}. Ten slotte geeft r≤nr \leq n (vraag 18): elk nilpotent endomorfisme voldoet aan un=0u^{n} = 0 — de nilpotentie-index overtreft de dimensie nooit.

24. Zij mm een nilpotentie-index van u∣Au|_A: A⊆ker⁡um⊆ker⁡umax⁡(m,r)=ker⁡urA \subseteq \ker u^{m} \subseteq \ker u^{\max(m,r)} = \ker u^{r}. Omdat u∣Bu|_B bijectief is, is B=u(B)=uk(B)⊆im⁡ukB = u(B) = u^{k}(B) \subseteq \operatorname{im} u^{k} voor elke kk, in het bijzonder B⊆im⁡urB \subseteq \operatorname{im} u^{r}. Dan is

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 :

beide insluitingen zijn gelijkheden van dimensies, en dus van deelruimten: A=ker⁡urA = \ker u^{r} en B=im⁡urB = \operatorname{im} u^{r}.

25. (i) Deel III is een woordenboek: splitsingen E=F1⊕⋯⊕FkE = F_1 \oplus \dots \oplus F_k corresponderen precies met families projectoren met ∑pi=id\sum p_i = \mathrm{id} en pipj=0p_i p_j = 0, waarbij de FiF_i de beelden zijn. (ii) Voor k=3k = 3 zijn de complementen id−pi\mathrm{id} - p_i zelf projectoren, wat het argument zonder extra hypothese sloot; voor algemene kk heeft men ∑irk⁡pi≤n\sum_i \operatorname{rk} p_i \leq n nodig, een ongelijkheid die het spoor uit bachelorjaar 2 gratis levert (tr⁡p=rk⁡p\operatorname{tr} p = \operatorname{rk} p voor een projector, en sporen tellen op tot tr⁡id=n\operatorname{tr} \mathrm{id} = n). (iii) Oefening 20.7 is het lemma van Fitting in het reeds gestabiliseerde geval r≤1r \leq 1; in het algemeen laat men de ketens van kernen en beelden bevriezen, wat hoogstens nn stappen kost. (iv) In het volume van bachelorjaar 2 wordt, toegepast op u−λ idu - \lambda\,\mathrm{id}, de nilpotente factor de veralgemeende eigenruimte bij λ\lambda, en worden de projectoren van deel III de spectrale projectoren van de reductietheorie. De stelling van deel IV is het lemma van Fitting.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst