Mathematics · Buku 4 · Bachelor Year 2

Matematika Universitas — Tahun 2

Matematika Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

2Aljabar Linear

Aljabar linear pada jilid Tahun ke-1 bekerja atas R\R atau C\C dalam dimensi hingga, dan menerima determinan umum tanpa bukti. Bab ini menaikkan ketiga pembatasan itu: teorinya dinyatakan atas lapangan KK sembarang, jalinan antara sebuah ruang dan dual-nya dikembangkan secara sistematis (basis dual, anihilator, transpos), dan determinan akhirnya dibangun dari bentuk multilinear alternating serta tanda permutasi pada Bab 1 — sehingga melunasi setiap utang Tahun ke-1.

Di sepanjang bab ini, KK adalah lapangan (Q\Q, R\R, C\C, atau Z/pZ\Z/p\Z — teorinya tidak peduli) dan, kecuali disebutkan lain, ruangnya berdimensi hingga atas KK. Hasil Tahun ke-1 (basis, dimensi, rank–nulitas, matriks) berpindah kata demi kata: buktinya tak pernah memakai apa pun selain aksioma lapangan.

2.1 Ruang dual

Definisi 2.1 (Ruang dual, basis dual)

Dual dari EE adalah E∗=L(E,K)E^* = \mathcal{L}(E, K), yaitu ruang semua bentuk linear. Jika B=(e1,…,en)\mathcal{B} = (e_1, \dots, e_n) basis EE, maka bentuk koordinat e1∗,…,en∗e_1^*, \dots, e_n^* yang ditetapkan oleh ei∗(ej)=δije_i^*(e_j) = \delta_{ij} (Kronecker: 11 bila i=ji = j, selain itu 00) membentuk basis dual B∗\mathcal{B}^* bagi E∗E^*; khususnya dim⁡E∗=dim⁡E\dim E^* = \dim E, dan

x=∑i=1nei∗(x) ei(x∈E),φ=∑i=1nφ(ei) ei∗(φ∈E∗).x = \sum_{i=1}^{n} e_i^*(x)\, e_i \quad (x \in E), \qquad \varphi = \sum_{i=1}^{n} \varphi(e_i)\, e_i^* \quad (\varphi \in E^*).

Bukti bahwa B∗\mathcal{B}^* adalah basis. Bebas: menerapkan kombinasi nol ∑λiei∗=0\sum \lambda_i e_i^* = 0 pada eje_j memberi λj=0\lambda_j = 0. Membangun: untuk φ∈E∗\varphi \in E^*, bentuk φ−∑iφ(ei)ei∗\varphi - \sum_i \varphi(e_i) e_i^* menolkan setiap eje_j, jadi ia nol (pemetaan linear yang nol pada suatu basis adalah pemetaan nol). Kedua rumus di atas adalah perhitungan yang sama, dibaca maju. ∎

Contoh 2.2

Pada Kn[X]K_n[X] dengan basis (1,X,…,Xn)(1, X, \dots, X^n): basis dualnya adalah P↦P(k)(0)k!P \mapsto \frac{P^{(k)}(0)}{k!} (koefisien Taylor). Basis lain bagi dualnya: evaluasi P↦P(xi)P \mapsto P(x_i) pada n+1n + 1 titik yang berbeda — basis “pra-dual”-nya di Kn[X]K_n[X] persis keluarga polinomial Lagrange LiL_i (jilid Tahun ke-1), sebab Li(xj)=δijL_i(x_j) = \delta_{ij}. Interpolasi adalah dualitas.

Metode 2.3 (Basis dual dan antedual dalam praktik)

Untuk menguraikan sebuah bentuk φ\varphi pada basis (ei)(e_i) di EE: koordinatnya adalah nilai φ(ei)\varphi(e_i) — tanpa sistem yang perlu diselesaikan. Untuk mencari basis (uj)(u_j) di EE yang dualnya adalah basis (φ1,…,φn)(\varphi_1, \dots, \varphi_n) tertentu di E∗E^* (yaitu basis antedual): selesaikan nn sistem linear

φi(uj)=δij(1≤i≤n),\varphi_i(u_j) = \delta_{ij} \qquad (1 \leq i \leq n),

satu kolom uju_j setiap kali; dalam bahasa matriks, bila baris MM mendaftar koefisien φi\varphi_i pada basis E∗E^* yang sudah diketahui, maka kolom M−1M^{-1} adalah uju_j. Keberadaan dan ketunggalan antedual dibuktikan pada soal akhir pekan bab ini; perhitungannya selalu berupa pembalikan matriks ini.

Contoh 2.4 (Sebuah basis dual di R2\R^2, dihitung tuntas)

Untuk basis b1=(1,1)b_1 = (1, 1), b2=(1,−1)b_2 = (1, -1) di R2\R^2: basis dual (b1∗,b2∗)(b_1^*, b_2^*) wajib memenuhi bi∗(bj)=δijb_i^*(b_j) = \delta_{ij}. Dengan menulis b1∗(x,y)=αx+βyb_1^*(x, y) = \alpha x + \beta y, syarat α+β=1\alpha + \beta = 1 dan α−β=0\alpha - \beta = 0 memberi

b1∗(x,y)=x+y2,dan serupa itub2∗(x,y)=x−y2.b_1^*(x, y) = \frac{x + y}{2}, \qquad\text{dan serupa itu}\qquad b_2^*(x, y) = \frac{x - y}{2} .

Pemeriksaan kewarasan: b1∗b_1^* bukan e1∗+e2∗e_1^* + e_2^* yang dinilai begitu saja — basis dual bergantung pada seluruh basis, bukan pada tiap vektor secara terpisah (mengganti b2b_2 dengan (0,1)(0, 1) mengubah b1∗b_1^* menjadi x↦xx \mapsto x). Dan rumus penguraiannya berjalan: (x,y)=x+y2 b1+x−y2 b2(x, y) = \frac{x+y}2\,b_1 + \frac{x-y}2\,b_2, yaitu penguraian genap/ganjil sebuah pasangan — basis dual adalah pengekstrak koordinat, dan yang satu ini mengekstrak bagian setangkup dan bagian antisetangkup.

Definisi 2.5 (Anihilator)

Untuk subruang F⊆EF \subseteq E, anihilator adalah

F∘={φ∈E∗:φ∣F=0},F^{\circ} = \{\varphi \in E^* : \varphi|_F = 0\},

yaitu subruang E∗E^*.

Teorema 2.6 (Dimensi anihilator)

dim⁡F∘=dim⁡E−dim⁡F\dim F^{\circ} = \dim E - \dim F. Lebih lanjut F↦F∘F \mapsto F^\circ membalik pemuatan, dan FF dapat dipulihkan dari anihilatornya:

F={x∈E:∀φ∈F∘, φ(x)=0}.F = \{x \in E : \forall\varphi \in F^\circ,\ \varphi(x) = 0\}.

Akibatnya setiap subruang berdimensi pp di dalam dimensi nn adalah himpunan penyelesaian n−pn - p persamaan linear yang bebas — dan sebaliknya.

Bukti. Pilih basis (e1,…,ep)(e_1, \dots, e_p) untuk FF, lalu lengkapi menjadi basis EE. Sebuah bentuk φ=∑φ(ei)ei∗\varphi = \sum \varphi(e_i) e_i^* menganihilasi FF bila dan hanya bila pp koefisien pertamanya nol: jadi F∘=Vect⁡(ep+1∗,…,en∗)F^\circ = \operatorname{Vect}(e_{p+1}^*, \dots, e_n^*), berdimensi n−pn - p. Pembalikan pemuatan langsung terlihat. Untuk pemulihannya: ruas kanan memuat FF; sebaliknya, jika x∉Fx \notin F, lengkapilah basis FF dengan xx dan vektor lain; bentuk koordinat xx pada basis ini menganihilasi FF tetapi tidak menganihilasi xx. Pembacaan “persamaan” mengambil basis (φ1,…,φn−p)(\varphi_1, \dots, \varphi_{n-p}) untuk F∘F^\circ: maka F=⋂ker⁡φjF = \bigcap \ker\varphi_j, yaitu irisan n−pn - p hiperbidang yang bebas. ∎

Contoh 2.7 (Sebuah anihilator, dua arah)

Misalkan F=Vect⁡((1,2,1), (1,0,−1))⊆R3F = \operatorname{Vect}\bigl((1, 2, 1),\ (1, 0, -1)\bigr) \subseteq \R^3. Sebuah bentuk φ=a e1∗+b e2∗+c e3∗\varphi = a\,e_1^* + b\,e_2^* + c\,e_3^* menganihilasi FF bila dan hanya bila

a+2b+c=0dana−c=0,a + 2b + c = 0 \qquad\text{dan}\qquad a - c = 0 ,

yakni c=ac = a dan b=−ab = -a, jadi F∘=R (e1∗−e2∗+e3∗)F^\circ = \R\,(e_1^* - e_2^* + e_3^*), berdimensi 3−2=13 - 2 = 1 sebagaimana dituntut Teorema 2.6. Dibaca terbalik: F={(x,y,z):x−y+z=0}F = \{(x, y, z) : x - y + z = 0\} — bidangnya dipulihkan sebagai kernel satu-satunya bentuk yang merentang F∘F^\circ. Beranjak dari keluarga perentang ke persamaan adalah menghitung anihilator; beranjak dari persamaan ke parametrisasi adalah menghitung pra-anihilator. (Periksa: kedua vektor perentangnya memenuhi x−y+z=0x - y + z = 0.)

Definisi 2.8 (Pemetaan transpos)

Untuk u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F), transpos uT∈L(F∗,E∗)u^{\mathsf T} \in \mathcal{L}(F^*, E^*) adalah

uT(ψ)=ψ∘u.u^{\mathsf T}(\psi) = \psi \circ u .

Transpos memenuhi (v∘u)T=uT∘vT(v \circ u)^{\mathsf T} = u^{\mathsf T} \circ v^{\mathsf T}, dan pada basis dual, matriks uTu^{\mathsf T} adalah matriks transpos uu — yang akhirnya menjelaskan transpos pada Tahun ke-1.

Contoh 2.9 (Transpos, unsur demi unsur)

Misalkan u ⁣:R2→R3u \colon \R^2 \to \R^3 bermatriks A=(120130)A = \left(\begin{smallmatrix} 1 & 2\\ 0 & 1\\ 3 & 0\end{smallmatrix}\right) pada basis kanonik. Untuk ψ=b1f1∗+b2f2∗+b3f3∗∈(R3)∗\psi = b_1f_1^* + b_2f_2^* + b_3f_3^* \in (\R^3)^*, hitung uT(ψ)=ψ∘uu^{\mathsf T}(\psi) = \psi \circ u pada basis R2\R^2:

(ψ∘u)(e1)=ψ(1,0,3)=b1+3b3,(ψ∘u)(e2)=ψ(2,1,0)=2b1+b2.(\psi \circ u)(e_1) = \psi(1, 0, 3) = b_1 + 3b_3, \qquad (\psi \circ u)(e_2) = \psi(2, 1, 0) = 2b_1 + b_2 .

Jadi uT(ψ)=(b1+3b3) e1∗+(2b1+b2) e2∗u^{\mathsf T}(\psi) = (b_1 + 3b_3)\,e_1^* + (2b_1 + b_2)\,e_2^*, dan pada basis dual matriks uTu^{\mathsf T} adalah

(103210)=AT:\begin{pmatrix} 1 & 0 & 3\\ 2 & 1 & 0\end{pmatrix} = A^{\mathsf T} :

transpos abstrak adalah matriks yang dibalik, tanpa perhitungan yang tersisa untuk dipercaya begitu saja. Perhatikan mekanismenya: kolom ke-jj pada AA menjadi baris ke-jj pada matriks yang baru, sebab ψ∘u\psi \circ u membaca keluaran uu lewat koefisien ψ\psi.

Proposisi 2.10

ker⁡uT=(im⁡u)∘\ker u^{\mathsf T} = (\operatorname{im} u)^{\circ} dan im⁡uT=(ker⁡u)∘\operatorname{im} u^{\mathsf T} = (\ker u)^{\circ}. Akibatnya rk⁡(uT)=rk⁡(u)\operatorname{rk}(u^{\mathsf T}) = \operatorname{rk}(u): rank baris sama dengan rank kolom, dibuktikan secara struktural.

Bukti. ψ∈ker⁡uT  ⟺  ψ∘u=0  ⟺  ψ\psi \in \ker u^{\mathsf T} \iff \psi \circ u = 0 \iff \psi menolkan im⁡u\operatorname{im} u: itulah kesamaan pertama. Untuk yang kedua: uT(ψ)=ψ∘uu^{\mathsf T}(\psi) = \psi \circ u selalu menolkan ker⁡u\ker u, jadi im⁡uT⊆(ker⁡u)∘\operatorname{im} u^{\mathsf T} \subseteq (\ker u)^\circ; dimensinya berimpit menurut rank–nulitas dan Teorema 2.6:

rk⁡uT=dim⁡F∗−dim⁡ker⁡uT=dim⁡F−(dim⁡F−rk⁡u)=rk⁡u=dim⁡(ker⁡u)∘.\operatorname{rk} u^{\mathsf T} = \dim F^* - \dim\ker u^{\mathsf T} = \dim F - \bigl(\dim F - \operatorname{rk} u\bigr) = \operatorname{rk} u = \dim (\ker u)^{\circ} . \qedhere

∎

Contoh 2.11 (Rank dibaca dari kedua sisi)

Misalkan

A=(120101111312).A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & 1\\ 0 & 1 & 1 & 1\\ 1 & 3 & 1 & 2 \end{pmatrix} .

Rank kolom: baris ketiga adalah jumlah dua baris pertama, jadi rk⁡A≤2\operatorname{rk} A \leq 2; kolom 11 dan 22 bebas, sehingga rk⁡A=2\operatorname{rk} A = 2. Kernel transposnya: menyelesaikan ATy=0A^{\mathsf T}y = 0 memberi y∈R (1,1,−1)y \in \R\,(1, 1, -1), jadi ker⁡AT\ker A^{\mathsf T} berdimensi 1=3−21 = 3 - 2: persis (im⁡A)∘(\operatorname{im} A)^\circ di bawah penyamaan (R3)∗(\R^3)^* dengan vektor baris, sebagaimana ditegaskan Proposisi 2.10 — satu-satunya kaitan “baris3_3 = baris1_1 + baris2_2” adalah anihilator ruang kolomnya. Rank baris (22 baris yang bebas) dan rank kolom berimpit bukan karena kebetulan, melainkan karena keduanya sama dengan rk⁡A=rk⁡AT\operatorname{rk} A = \operatorname{rk} A^{\mathsf T}.

Contoh 2.12 (Dualitas membaca sebuah aturan kuadratur)

Mengapa aturan seperti aturan Simpson (Latihan 2.4) ada dan mengapa ia tunggal? Dualitas menjawabnya sebelum perhitungan apa pun. Pada E=R2[X]E = \R_2[X], integral P↦∫01PP \mapsto \int_0^1 P adalah satu vektor tertentu di dalam dual E∗E^* yang berdimensi tiga; sedangkan evaluasi di 00, 12\frac12, 11 membentuk basis E∗E^*; karena itu integralnya terurai secara tunggal atas basis itu — dan penguraian itu adalah aturan Simpson, lengkap dengan koefisiennya. Pencacahan dimensi juga menakar harapan kita: pada R3[X]\R_3[X], empat dimensi bentuk pada umumnya tak dapat direntang oleh tiga evaluasi, jadi ketepatan pada polinomial kubik bukanlah hutang dualitas; bahwa aturan Simpson itu toh mengintegralkan kubik secara tepat adalah bonus kesetangkupan (pencoretan derajat ganjil di sekitar 12\frac12) yang harus diperiksa dengan tangan. Aturan dengan n+1n + 1 simpul adalah penguraian bentuk pengintegralan pada suatu basis evaluasi di Rn[X]∗\R_n[X]^*: keberadaan dan ketunggalannya hanya berharga satu teorema basis dual; hanya derajat bonusnya yang berharga kerja.

2.2 Bentuk multilinear alternating

Definisi 2.13

Pemetaan f ⁣:En→Kf \colon E^n \to K disebut nn-linear bila ia linear pada tiap peubahnya, dan disebut alternating bila ia nol setiap kali dua argumennya sama. Sifat alternating mengakibatkan antisetangkup: menukar dua argumen mengubah tandanya (uraikan f(…,x+y,…,x+y,… )=0f(\dots, x + y, \dots, x + y, \dots) = 0); lebih umum lagi, untuk σ∈Sn\sigma \in \mathfrak{S}_n,

f(xσ(1),…,xσ(n))=ε(σ) f(x1,…,xn),f(x_{\sigma(1)}, \dots, x_{\sigma(n)}) = \varepsilon(\sigma)\, f(x_1, \dots, x_n),

dengan menguraikan σ\sigma atas transposisi (Teorema 1.21).

Teorema 2.14 (Teorema dasar determinan)

Misalkan dim⁡E=n\dim E = n dan B=(e1,…,en)\mathcal{B} = (e_1, \dots, e_n) sebuah basis. Ruang bentuk nn-linear alternating pada EE berdimensi 11: setiap bentuk semacam itu adalah kelipatan

det⁡B(x1,…,xn)=∑σ∈Snε(σ)∏i=1naσ(i), i,xj=∑iaijei,\det{}_{\mathcal{B}}(x_1, \dots, x_n) = \sum_{\sigma \in \mathfrak{S}_n} \varepsilon(\sigma) \prod_{i=1}^{n} a_{\sigma(i),\,i}, \qquad x_j = \sum_{i} a_{ij} e_i ,

dan det⁡B\det_{\mathcal{B}} satu-satunya yang bernilai 11 pada B\mathcal{B}.

Bukti. Misalkan ff bentuk nn-linear alternating. Dengan menguraikan tiap argumen pada B\mathcal{B} lewat kemultilinearan,

f(x1,…,xn)=∑i1,…,inai1,1⋯ain,n f(ei1,…,ein).f(x_1, \dots, x_n) = \sum_{i_1, \dots, i_n} a_{i_1,1}\cdots a_{i_n,n}\, f(e_{i_1}, \dots, e_{i_n}).

Suku dengan indeks berulang bernilai nol (sifat alternating); tupel (i1,…,in)(i_1, \dots, i_n) yang bertahan adalah yang injektif, yakni ik=σ(k)i_k = \sigma(k) untuk suatu permutasi σ\sigma, dan sifat antisetangkup menata ulang f(eσ(1),…,eσ(n))=ε(σ)f(e1,…,en)f(e_{\sigma(1)}, \dots, e_{\sigma(n)}) = \varepsilon(\sigma) f(e_1, \dots, e_n). Karenanya

f=f(e1,…,en)⋅det⁡B:f = f(e_1, \dots, e_n) \cdot \det{}_{\mathcal{B}} :

setiap bentuk alternating memang kelipatan itu, asalkan det⁡B\det_{\mathcal{B}} sendiri (jumlah yang tertulis di atas) memang nn-linear alternating dan bernilai 11 pada B\mathcal B. Kemultilinearannya jelas (tiap sukunya linear pada tiap kolom). Nilai pada B\mathcal B: satu-satunya suku tak nol adalah σ=id\sigma = \mathrm{id}. Sifat alternating: andaikan xj=xkx_j = x_k (j≠kj \neq k), sehingga kolom koordinatnya memenuhi aij=aika_{i j} = a_{i k} untuk setiap ii. Pasangkan tiap σ\sigma dengan σ′=σ∘(j k)\sigma' = \sigma\circ(j\,k) — sebuah involusi tanpa titik tetap pada Sn\mathfrak{S}_n. Hasil kali yang berpasangan itu berimpit:

∏iaσ′(i), i=aσ(k), j  aσ(j), k∏i≠j,kaσ(i), i=aσ(k), k  aσ(j), j∏i≠j,kaσ(i), i=∏iaσ(i), i,\prod_i a_{\sigma'(i),\,i} = a_{\sigma(k),\,j}\; a_{\sigma(j),\,k} \prod_{i \neq j,k} a_{\sigma(i),\,i} = a_{\sigma(k),\,k}\; a_{\sigma(j),\,j} \prod_{i \neq j,k} a_{\sigma(i),\,i} = \prod_i a_{\sigma(i),\,i},

dengan memakai kesamaan kolom jj dan kolom kk; sementara itu ε(σ′)=−ε(σ)\varepsilon(\sigma') = -\varepsilon(\sigma). Jadi tiap pasangan menyumbang nol: jumlahnya lenyap. ∎

Contoh 2.15 (Sarrus, diturunkan lalu dirobohkan)

Untuk n=3n = 3 rumus permutasinya tepat punya 3!=63! = 6 suku. Mendaftar S3\mathfrak{S}_3 menurut tandanya — id\mathrm{id}, (1 2 3)(1\,2\,3), (1 3 2)(1\,3\,2) genap; (1 2)(1\,2), (1 3)(1\,3), (2 3)(2\,3) ganjil — memberi

det⁡A=a11a22a33+a21a32a13+a31a12a23−a21a12a33−a31a22a13−a11a32a23:\det A = a_{11}a_{22}a_{33} + a_{21}a_{32}a_{13} + a_{31}a_{12}a_{23} - a_{21}a_{12}a_{33} - a_{31}a_{22}a_{13} - a_{11}a_{32}a_{23} :

persis aturan “diagonal” Sarrus yang diajarkan di sekolah — kini menjadi teorema, dengan tanda-tandanya yang misterius dikenali sebagai tanda permutasi. Perobohannya: untuk n=4n = 4 ada 2424 permutasi, dan hanya 88 di antaranya yang terjaring oleh skema penarikan diagonal mana pun; Sarrus tidak punya versi berderajat 44, dan penguraian kofaktor (Teorema 2.17 (4)) mengambil alih. Mencacah sukunya sekaligus menjadi peringatan: rumus permutasi punya n!n! suku, jadi ia sebuah definisi, bukan algoritme — penyederhanaan baris menghitung det⁡\det dengan O(n3)O(n^3) operasi saja.

Definisi 2.16 (Determinan)

Determinan sebuah keluarga pada suatu basis adalah det⁡B(x1,…,xn)\det_{\mathcal{B}}(x_1, \dots, x_n); determinan sebuah matriks AA adalah determinan kolomnya pada basis kanonik — yakni rumus permutasi di atas; sedangkan determinan sebuah endomorfisma uu adalah skalar det⁡u\det u sedemikian sehingga

det⁡B(u(x1),…,u(xn))=det⁡u⋅det⁡B(x1,…,xn)untuk setiap xi\det{}_{\mathcal{B}}\bigl(u(x_1), \dots, u(x_n)\bigr) = \det u \cdot \det{}_{\mathcal{B}}(x_1, \dots, x_n) \quad \text{untuk setiap } x_i

(ruas kirinya nn-linear alternating, jadi merupakan kelipatan det⁡B\det_\mathcal{B} menurut Teorema 2.14; faktornya tidak bergantung pada B\mathcal{B}).

Teorema 2.17 (Kalkulus determinan, dibuktikan)

  1. det⁡(uv)=det⁡u det⁡v\det(uv) = \det u\,\det v;   det⁡(AB)=det⁡Adet⁡B\;\det(AB) = \det A \det B.
  2. uu punya invers   ⟺  det⁡u≠0\iff \det u \neq 0; sebuah keluarga adalah basis   ⟺  \iff determinannya pada suatu basis tidak nol.
  3. det⁡(AT)=det⁡A\det(A^{\mathsf T}) = \det A.
  4. Penguraian kofaktor sepanjang baris atau kolom mana pun, seperti dinyatakan pada jilid Tahun ke-1, tetap berlaku; matriks yang serupa punya determinan yang sama.

Bukti. (1) Terapkan relasi pendefinisinya dua kali: det⁡B(uv(xi))=det⁡u⋅det⁡B(v(xi))=det⁡udet⁡v⋅det⁡B(xi)\det_{\mathcal B}(uv(x_i)) = \det u \cdot \det_{\mathcal B}(v(x_i)) = \det u \det v \cdot \det_{\mathcal B}(x_i).

(2) Jika uu punya invers, maka det⁡udet⁡u−1=det⁡id=1≠0\det u \det u^{-1} = \det \mathrm{id} = 1 \neq 0. Jika tidak, peta u(ei)u(e_i) saling terkait; dengan menyatakan salah satunya lewat yang lain lalu menguraikannya, det⁡B(u(ei))=0\det_{\mathcal B}(u(e_i)) = 0 (sifat alternating menolkan arah yang berulang), jadi det⁡u=0\det u = 0. Kriteria basisnya adalah pernyataan yang sama untuk keluarga.

(3) Pada rumus permutasi, indeks ulang tiap hasil kali dengan j=σ(i)j = \sigma(i), yakni i=τ(j)i = \tau(j) dengan τ=σ−1\tau = \sigma^{-1}: faktornya bilangan yang sama dalam urutan berbeda, sehingga

∏i=1naσ(i), i=∏j=1naj, τ(j),\prod_{i=1}^{n} a_{\sigma(i),\,i} = \prod_{j=1}^{n} a_{j,\,\tau(j)} ,

dan ε(τ)=ε(σ)−1=ε(σ)\varepsilon(\tau) = \varepsilon(\sigma)^{-1} = \varepsilon(\sigma) (nilainya ±1\pm1, dan ε\varepsilon sebuah morfisma). Menjumlahkan atas σ\sigma sama saja dengan menjumlahkan atas τ\tau (pembalikan adalah bijeksi Sn\mathfrak{S}_n):

det⁡A=∑τε(τ)∏jaj,τ(j)=det⁡(AT),\det A = \sum_{\tau}\varepsilon(\tau)\prod_j a_{j,\tau(j)} = \det(A^{\mathsf T}),

sebab jumlah terakhir itu tak lain rumus permutasi yang diterapkan pada unsur transpos (AT)ij=aji(A^{\mathsf T})_{ij} = a_{ji}.

(4) Tetapkan kolom jj lalu pecah xj=∑iaijeix_j = \sum_i a_{ij} e_i lewat kelinearan: det⁡A=∑iaij det⁡(…,ei,… )\det A = \sum_i a_{ij}\, \det(\dots, e_i, \dots), dan memindahkan eie_i ke kedudukan terakhir (n−in - i transposisi baris dan n−jn - j transposisi kolom, lewat (3)) menyamakan det⁡(…,ei,… )=(−1)i+jΔij\det(\dots, e_i, \dots) = (-1)^{i+j}\Delta_{ij} dengan minornya: persis aturan kofaktor Tahun ke-1. Keserupaan: det⁡(P−1AP)=det⁡P−1det⁡Adet⁡P=det⁡A\det(P^{-1}AP) = \det P^{-1}\det A \det P = \det A menurut (1). ∎

Contoh 2.18 (Penguraian kofaktor, dikerjakan)

Hitung

det⁡(213041120)\det\begin{pmatrix} 2 & 1 & 3\\ 0 & 4 & 1\\ 1 & 2 & 0 \end{pmatrix}

sepanjang kolom pertama (kemalasan senilai dua nol: satu perhitungan). Tandanya mengikuti pola papan catur (−1)i+j(-1)^{i+j}:

2 det⁡(4120)−0+1⋅det⁡(1341)=2(0−2)+(1−12)=−15.2\,\det\begin{pmatrix}4 & 1\\ 2 & 0\end{pmatrix} - 0 + 1\cdot\det\begin{pmatrix}1 & 3\\ 4 & 1\end{pmatrix} = 2(0 - 2) + (1 - 12) = -15 .

Periksa silang lewat Sarrus (Contoh 2.15): 0+1+0−12−0−4=−150 + 1 + 0 - 12 - 0 - 4 = -15. Ini siasat, bukan doktrin: uraikan sepanjang garis dengan nol terbanyak, dan bila tidak ada satu pun yang punya nol, ciptakan dulu beberapa lewat operasi baris — karena satu putaran penyederhanaan lebih murah daripada dua lapis kofaktor.

Contoh 2.19 (Sebuah determinan lewat aturannya)

Misalkan J∈Mn(K)J \in \mathcal{M}_n(K) matriks yang semua unsurnya satu dan a∈Ka \in K; kita hitung det⁡(aIn+J)\det(aI_n + J) dengan perkakas yang baru saja dibuktikan. Setiap kolom aIn+JaI_n + J berjumlah dengan pola yang sama: tambahkan semua baris ke baris pertama (determinannya tak berubah — menambahkan kelipatan satu baris ke baris lain menambahkan suku berarah berulang, yang ditolkan sifat alternating). Baris pertama menjadi (a+n,a+n,…,a+n)(a + n, a + n, \dots, a + n); keluarkan faktor a+na + n lewat kelinearan pada baris itu, lalu kurangkan kolom pertama dari setiap kolom lain: yang tersisa segitiga dengan diagonal (1,a,…,a)(1, a, \dots, a). Jadi

det⁡(aIn+J)=(a+n) a n−1.\det(aI_n + J) = (a + n)\,a^{\,n-1}.

Pelajaran penutupnya: akar a=0a = 0 (bermultiplisitas n−1n - 1) dan a=−na = -n mengatakan bahwa JJ punya nilai eigen 00 bermultiplisitas n−1n - 1 dan nilai eigen nn sekali — yakni spektrum matriks JJ yang berank satu, satu bab lebih awal (Bab 3 akan menjadikannya sistematis).

Contoh 2.20 (Sebuah determinan lewat rumus permutasi)

Untuk matriks dengan banyak nol, rumus itu praktis dengan sendirinya: pada

A=(0a0000b0000cd000),A = \begin{pmatrix} 0 & a & 0 & 0\\ 0 & 0 & b & 0\\ 0 & 0 & 0 & c\\ d & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix},

satu-satunya permutasi yang memungut unsur tak nol adalah siklus berpanjang 44, yaitu σ=(1 2 3 4)\sigma = (1\,2\,3\,4), yang memetakan kolom 1→1 \to baris 44, dan seterusnya; ε(σ)=(−1)3=−1\varepsilon(\sigma) = (-1)^3 = -1, jadi det⁡A=−abcd\det A = -abcd. (Periksa lewat tiga penukaran kolom sampai tercapai matriks diagonal.)

Contoh 2.21 (Vandermonde lewat rumus hasil kali)

Untuk simpul 0,1,20, 1, 2 (yang dipakai aturan kuadratur seperti pada Latihan 2.4), determinan Vandermonde pada Latihan 2.11 terhitung dalam sekali pandang:

det⁡(111012014)=(1−0)(2−0)(2−1)=2,\det\begin{pmatrix} 1 & 1 & 1\\ 0 & 1 & 2\\ 0 & 1 & 4 \end{pmatrix} = (1 - 0)(2 - 0)(2 - 1) = 2 ,

dan lewat penguraian langsung sepanjang kolom pertama: 1⋅(4−2)=21\cdot(4 - 2) = 2, jadi cocok. Ketaknolan untuk simpul yang berbeda adalah seluruh teori interpolasi di dalam satu determinan: bentuk evaluasi P↦P(ai)P \mapsto P(a_i) merupakan basis dualnya persis ketika determinan ini tak nol, yakni selalu untuk aia_i yang berbeda — Contoh 2.2 yang dikuantifikasi.

2.3 Trace, ditinjau ulang

Proposisi 2.22

Trace tr⁡ ⁣:Mn(K)→K\operatorname{tr} \colon \mathcal{M}_n(K) \to K adalah satu-satunya bentuk linear dengan tr⁡(AB)=tr⁡(BA)\operatorname{tr}(AB) = \operatorname{tr}(BA) dan tr⁡(In)=n\operatorname{tr}(I_n) = n (untuk char⁡K=0\operatorname{char} K = 0); trace sebuah endomorfisma terdefinisi dengan baik lewat penyajian matriks mana pun, dan

tr⁡(u)=∑iei∗(u(ei))\operatorname{tr}(u) = \sum_{i} e_i^*\bigl(u(e_i)\bigr)

pada basis mana pun — dualitas menuliskan trace tanpa basis.

Bukti. tr⁡(AB)=tr⁡(BA)\operatorname{tr}(AB) = \operatorname{tr}(BA) dan ketakbergantungannya pada basis telah dibuktikan pada Tahun ke-1. Ketunggalan: bentuk linear tt dengan t(AB)=t(BA)t(AB) = t(BA) menolkan setiap komutator AB−BAAB - BA. Kita klaim komutator merentang hiperbidang bertrace nol, yang berdimensi n2−1n^2 - 1. Dua keluarga komutator sudah cukup. Aturan perkalian matriks elementer adalah EabEcd=δbcEadE_{ab}E_{cd} = \delta_{bc}E_{ad}. Untuk i≠ji \neq j aturan itu memberi

EiiEij−EijEii=Eij−0=EijE_{ii}E_{ij} - E_{ij}E_{ii} = E_{ij} - 0 = E_{ij}

(hasil kali kedua adalah EijEii=δjiEii=0E_{ij}E_{ii} = \delta_{ji}E_{ii} = 0 karena j≠ij \neq i): jadi setiap EijE_{ij} di luar diagonal adalah komutator. Dan

EijEji−EjiEij=Eii−Ejj.E_{ij}E_{ji} - E_{ji}E_{ij} = E_{ii} - E_{jj} .

Matriks EijE_{ij} (i≠ji \neq j, sebanyak n2−nn^2 - n) bersama E11−EjjE_{11} - E_{jj} (j≥2j \geq 2, sebanyak n−1n - 1) berjumlah n2−1n^2 - 1 matriks bertrace nol yang bebas linear: keduanya merentang hiperbidang ker⁡tr⁡\ker\operatorname{tr}. Jadi tt nol di tempat tr⁡\operatorname{tr} nol, sehingga ia terfaktorkan lewatnya: t=ctr⁡t = c\operatorname{tr}; lalu t(I)=nt(I) = n memaksa c=1c = 1. Adapun ungkapan di atas: unsur diagonal ke-ii pada matriks uu tepat sama dengan ei∗(u(ei))e_i^*(u(e_i)). ∎

Catatan 2.23 (Jebakan yang sering muncul)

(i) Determinan bersifat nn-linear pada kolomnya, bukan linear pada matriksnya: det⁡(A+B)≠det⁡A+det⁡B\det(A + B) \neq \det A + \det B pada umumnya, dan det⁡(λA)=λndet⁡A\det(\lambda A) = \lambda^n\det A, bukan λdet⁡A\lambda\det A. (ii) Transposisi membalik urutan hasil kali: (vu)T=uTvT(vu)^{\mathsf T} = u^{\mathsf T}v^{\mathsf T}; melupakan pembalikan itu merusak setiap perhitungan yang melibatkan invers. (iii) Anihilator F∘F^\circ hidup di E∗E^*, bukan di EE: ia menjadi “komplemen ortogonal” yang lazim itu hanya setelah suatu hasil kali dalam menyamakan EE dengan E∗E^* (Bab 12); tidak ada penyamaan semacam itu yang kanonik. (iv) “Rank baris sama dengan rank kolom” tidak berarti ruang baris sama dengan ruang kolom — keduanya hidup di ruang yang berbeda (KnK^n dan KmK^m) dan berhubungan lewat Proposisi 2.10, bukan sama. (v) Rumus permutasi adalah alat bukti: untuk bilangan, pakailah operasi baris dan kofaktor (Contoh 2.15).

Contoh 2.24 (Pasangan trace membelah ruang matriks)

Pada M2(R)\mathcal{M}_2(\R) dengan pasangan ⟨A,B⟩=tr⁡(AB)\langle A, B\rangle = \operatorname{tr}(AB) dari Latihan 2.9: uraikan M=(1423)M = \left(\begin{smallmatrix}1 & 4\\ 2 & 3\end{smallmatrix}\right) menjadi bagian setangkup dan bagian antisetangkup,

M=S+A,S=12(M+MT)=(1333),A=12(M−MT)=(01−10).M = S + A, \qquad S = \tfrac12(M + M^{\mathsf T}) = \begin{pmatrix}1 & 3\\ 3 & 3\end{pmatrix}, \qquad A = \tfrac12(M - M^{\mathsf T}) = \begin{pmatrix}0 & 1\\ -1 & 0\end{pmatrix}.

Maka tr⁡(SA)=tr⁡(−31−33)=0\operatorname{tr}(SA) = \operatorname{tr} \left(\begin{smallmatrix}-3 & 1\\ -3 & 3\end{smallmatrix}\right) = 0: kedua bagiannya “ortogonal” terhadap pasangan trace — sebuah perwujudan fakta umum (yang dibuktikan pada soal akhir pekan bab ini) bahwa matriks antisetangkup persis membentuk anihilator matriks setangkup. Dualitas melihat penguraian Mn=Sn⊕An\mathcal{M}_n = \mathcal{S}_n \oplus \mathcal{A}_n sebelum hasil kali dalam apa pun dipilih.

Catatan 2.25 (Pandangan ke depan di dalam jilid ini)

Perhatikan ketiga konstruksi bab ini berganti kostum di halaman-halaman berikutnya. Transpos kembali pada Bab 3: uu dan uTu^{\mathsf T} berbagi nilai eigen dengan multiplisitas geometrik yang sama (soal akhir pekan bab ini, pertanyaan 15), dan itulah sebabnya telaah baris dan telaah kolom sebuah matriks tak pernah berselisih. Determinan menjadi fungsi sebuah parameter pada Bab 3 (χu(X)=det⁡(X id−u)\chi_u(X) = \det(X\,\mathrm{id} - u)) dan menjadi Jacobian pada Bab 20, tempat kemultilinearannya berubah menjadi faktor penggantian peubah. Trace menyemai invarian keserupaan: ia koefisien kedua pada χu\chi_u, jumlah nilai eigen, dan pada akhirnya integral diagonal pada kesamaan bergaya Bab 14. Satu bab aljabar linear, tiga bayangan panjang.

Catatan 2.26 (Di mana bab ini dipakai)

Ruang dual bukan abstraksi demi abstraksi: anihilator dan transpos menjalankan teori keterselesaian sistem linear (soal akhir pekan bab ini membuktikan alternatif Fredholm berdimensi hingga dari keduanya), pasangan tak degenerat muncul kembali sebagai bentuk polar pada Bab 12 dan sebagai adjoin pada Bab 13, dan determinan yang dibangun di sini menggerakkan seluruh Bab 3. Pada jilid Tahun ke-3 dualitas yang sama, setelah diangkut ke dimensi tak hingga, menjadi teorema representasi Riesz dan teori Fredholm pada ruang Hilbert — dengan kekompakan menggantikan pencacahan dimensi yang dipakai di sini.

2.4 Latihan

Latihan 2.1 ★

Di R3\R^3, misalkan φ1(x,y,z)=x+y\varphi_1(x,y,z) = x + y, φ2=y+z\varphi_2 = y + z, φ3=x+z\varphi_3 = x + z. Buktikan bahwa (φ1,φ2,φ3)(\varphi_1, \varphi_2, \varphi_3) adalah basis (R3)∗(\R^3)^* lalu carilah basis R3\R^3 yang dualnya adalah basis itu.

Solusi

Solusi Latihan 2.1.

Tiga bentuk di dalam dual berdimensi 33: cukuplah kebebasannya. Sebuah kaitan αφ1+βφ2+γφ3=0\alpha\varphi_1 + \beta\varphi_2 + \gamma\varphi_3 = 0 yang dinilai di (1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1) memberi α+γ=0\alpha + \gamma = 0, α+β=0\alpha + \beta = 0, β+γ=0\beta + \gamma = 0, sehingga α=β=γ=0\alpha = \beta = \gamma = 0.

Basis pra-dual (u1,u2,u3)(u_1, u_2, u_3): selesaikan φi(uj)=δij\varphi_i(u_j) = \delta_{ij}. Dengan menulis uj=(x,y,z)u_j = (x, y, z): untuk u1u_1 syaratnya x+y=1x + y = 1, y+z=0y + z = 0, x+z=0x + z = 0, yang memberi u1=(12,12,−12)u_1 = \bigl(\tfrac12, \tfrac12, -\tfrac12\bigr); setangkup dengan itu u2=(−12,12,12)u_2 = \bigl(-\tfrac12, \tfrac12, \tfrac12\bigr), u3=(12,−12,12)u_3 = \bigl(\tfrac12, -\tfrac12, \tfrac12\bigr).

Latihan 2.2 ★

Hitung determinan berikut dengan rumus permutasi:

(00a0b0c00),(ab00cd0000ef00gh),\begin{pmatrix} 0 & 0 & a\\ 0 & b & 0\\ c & 0 & 0 \end{pmatrix}, \qquad \begin{pmatrix} a & b & 0 & 0\\ c & d & 0 & 0\\ 0 & 0 & e & f\\ 0 & 0 & g & h \end{pmatrix},

lalu nyatakan aturan diagonal blok yang disarankan matriks kedua.

Solusi

Solusi Latihan 2.2.

Matriks pertama: satu-satunya permutasi berhasil kali tak nol mengirim 1↦31 \mapsto 3, 2↦22 \mapsto 2, 3↦13 \mapsto 1 — yakni transposisi (1 3)(1\,3), bertanda −1-1: jadi determinannya −abc-abc.

Matriks kedua: permutasi berhasil kali tak nol tidak mungkin mencampur kedua bloknya (unsur yang menghubungkan keduanya bernilai 00), jadi ia terpecah menjadi permutasi {1,2}\{1,2\} dikali permutasi {3,4}\{3,4\}, dan tandanya adalah hasil kali kedua tanda itu: jumlahnya terfaktorkan menjadi

(ad−bc)(eh−fg).(ad - bc)(eh - fg) .

Aturan umum yang disarankan (dan memang benar, dengan bukti serupa): determinan matriks diagonal blok adalah hasil kali determinan blok-bloknya.

Latihan 2.3 ★

Misalkan F={(x,y,z,t)∈R4:x+y=z+t dan x=2y}F = \{(x,y,z,t) \in \R^4 : x + y = z + t \text{ dan } x = 2y\}. Berilah sebuah basis F∘F^\circ lalu periksa Teorema 2.6 pada dimensinya.

Solusi

Solusi Latihan 2.3.

FF ditetapkan oleh dua persamaan bebas φ1(x,y,z,t)=x+y−z−t=0\varphi_1(x,y,z,t) = x + y - z - t = 0 dan φ2=x−2y=0\varphi_2 = x - 2y = 0: menurut Teorema 2.6 yang dibaca terbalik, F∘=Vect⁡(φ1,φ2)F^\circ = \operatorname{Vect}(\varphi_1, \varphi_2) — keduanya berada di F∘F^\circ menurut konstruksinya, keduanya bebas (tidak sebanding), dan dim⁡F∘=4−dim⁡F=4−2=2\dim F^\circ = 4 - \dim F = 4 - 2 = 2 sebab dim⁡F=2\dim F = 2 (dua persamaan bebas di R4\R^4). Basisnya: (φ1,φ2)(\varphi_1, \varphi_2); dimensinya: 2+2=42 + 2 = 4, sesuai tuntutan teorema itu.

Latihan 2.4 ★★

Misalkan a0,…,ana_0, \dots, a_n titik yang berbeda di KK dan φi ⁣:P↦P(ai)\varphi_i \colon P \mapsto P(a_i) pada Kn[X]K_n[X]. Buktikan bahwa (φ0,…,φn)(\varphi_0, \dots, \varphi_n) adalah basis Kn[X]∗K_n[X]^*, kenali basis pra-dualnya, lalu uraikan bentuk P↦∫01P(t)  ⁣dtP \mapsto \int_0^1 P(t)\,\dd t (untuk K=RK = \R, n=2n = 2, ai=0,12,1a_i = 0, \frac12, 1) pada basis itu — sehingga aturan Simpson dikenali.

Solusi

Solusi Latihan 2.4.

Bentuk φi\varphi_i berjumlah n+1n + 1 pada ruang berdimensi (n+1)(n+1), jadi cukuplah kebebasannya. Jika ∑iλiφi=0\sum_i \lambda_i \varphi_i = 0, nilailah pada polinomial Lagrange LjL_j atas simpulnya: λj=0\lambda_j = 0. Basis pra-dualnya adalah (L0,…,Ln)(L_0, \dots, L_n), sebab φi(Lj)=Lj(ai)=δij\varphi_i(L_j) = L_j(a_i) = \delta_{ij}.

Untuk bentuk integral dengan simpul 0,12,10, \frac12, 1 pada R2[X]\R_2[X]: ∫01P=∑iciP(ai)\int_0^1 P = \sum_i c_i P(a_i) dengan ci=∫01Lic_i = \int_0^1 L_i. Hitung: L0=2(X−12)(X−1)L_0 = 2(X - \tfrac12)(X - 1), ∫01L0=16\int_0^1 L_0 = \frac16; L1=−4X(X−1)L_1 = -4X(X-1), ∫01L1=46\int_0^1 L_1 = \frac46; L2=2X(X−12)L_2 = 2X(X - \tfrac12), ∫01L2=16\int_0^1 L_2 = \frac16. Karenanya

∫01P=16(P(0)+4P(12)+P(1))(P∈R2[X]):\int_0^1 P = \frac{1}{6}\Bigl(P(0) + 4P\bigl(\tfrac12\bigr) + P(1)\Bigr) \quad (P \in \R_2[X]) :

yaitu aturan Simpson, yang tepat pada polinomial kuadrat — sebuah pernyataan tentang basis dual.

Latihan 2.5 ★★

Misalkan u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E) dengan dim⁡E=n\dim E = n dan rk⁡u=1\operatorname{rk} u = 1. Buktikan bahwa u=φ(⋅) au = \varphi(\cdot)\, a untuk suatu vektor aa dan suatu bentuk φ\varphi; bahwa tr⁡u=φ(a)\operatorname{tr} u = \varphi(a); dan bahwa u2=(tr⁡u) uu^2 = (\operatorname{tr} u)\, u. Turunkan det⁡(I+u)=1+tr⁡u\det(I + u) = 1 + \operatorname{tr} u.

Solusi

Solusi Latihan 2.5.

im⁡u=Ka\operatorname{im} u = Ka untuk suatu a≠0a \neq 0; maka u(x)=φ(x) au(x) = \varphi(x)\,a dengan φ(x)\varphi(x) adalah koordinat u(x)u(x) pada aa — yang linear pada xx. Trace: lengkapi a=e1a = e_1 menjadi basis; matriks uu berkolom φ(ej) e1\varphi(e_j)\,e_1, jadi satu-satunya unsur diagonalnya adalah φ(e1)=φ(a)\varphi(e_1) = \varphi(a), sehingga tr⁡u=φ(a)\operatorname{tr} u = \varphi(a). Lalu

u2(x)=φ(x) u(a)=φ(x)φ(a) a=(tr⁡u) u(x).u^2(x) = \varphi(x)\, u(a) = \varphi(x)\varphi(a)\, a = (\operatorname{tr} u)\, u(x).

Determinannya, dalam dua kasus. Jika φ(a)≠0\varphi(a) \neq 0: ambil sembarang basis hiperbidang ker⁡φ\ker\varphi lalu tambahkan aa. Maka uu menolkan ker⁡φ\ker\varphi (di sana u(x)=φ(x)a=0u(x) = \varphi(x)a = 0) dan u(a)=φ(a) au(a) = \varphi(a)\,a: matriks I+uI + u menjadi diagonal, (1,…,1, 1+φ(a))(1, \dots, 1,\, 1 + \varphi(a)), sehingga det⁡(I+u)=1+φ(a)=1+tr⁡u\det(I + u) = 1 + \varphi(a) = 1 + \operatorname{tr} u. Jika φ(a)=0\varphi(a) = 0: maka a∈ker⁡φa \in \ker\varphi; ambil basis ker⁡φ\ker\varphi yang vektor pertamanya aa, lalu tambahkan vektor bb dengan φ(b)=1\varphi(b) = 1. Maka I+uI + u membiarkan basis ker⁡φ\ker\varphi tetap dan mengirim b↦b+ab \mapsto b + a: segitiga dengan diagonal satu, jadi det⁡(I+u)=1=1+tr⁡u\det(I + u) = 1 = 1 + \operatorname{tr} u. Kedua kasus itu cocok dengan rumusnya.

Latihan 2.6 ★★

Buktikan bahwa setiap hiperbidang Mn(K)\mathcal{M}_n(K) (n≥2n \geq 2) memuat sebuah matriks yang punya invers. Petunjuk: sebuah hiperbidang berbentuk {M:tr⁡(AM)=0}\{M : \operatorname{tr}(AM) = 0\} untuk suatu A≠0A \neq 0 (Latihan 2.9). Jika AA skalar, tunjukkan sebuah matriks bertrace nol yang punya invers; jika tidak, carilah MM berinvers yang membuat diagonal AMAM nol — matriks bergaya permutasi sanggup.

Solusi

Solusi Latihan 2.6.

Menurut Latihan 2.9, hiperbidangnya adalah HA={M:tr⁡(AM)=0}H_A = \{M : \operatorname{tr}(AM) = 0\} dengan A≠0A \neq 0.

Jika A=λIA = \lambda I: maka HAH_A adalah hiperbidang bertrace nol; matriks permutasi siklus panjang nn (bernilai satu pada kedudukan (i,i+1)(i, i+1) dan (n,1)(n, 1)) punya invers (determinannya ±1\pm 1 menurut perhitungan Contoh 2.20) dan bertrace nol.

Jika AA bukan skalar: mula-mula carilah PP berinvers sedemikian sehingga B=P−1APB = P^{-1}AP punya unsur tak nol di luar diagonal, yaitu bjib_{ji} dengan (j≠ij \neq i). Memang, jika AA sudah punya unsur semacam itu, ambil P=IP = I; jika AA diagonal dengan dua unsur berbeda d1≠d2d_1 \neq d_2, mengonjugasikannya dengan transveksi P=I+E12P = I + E_{12} akan memunculkan unsur luar diagonal d1−d2≠0d_1 - d_2 \neq 0 (hitunglah: P−1AP=A+(d1−d2)E12P^{-1}AP = A + (d_1 - d_2)E_{12}); sedangkan matriks diagonal yang semua unsurnya sama adalah skalar, dan itu sudah disingkirkan. Kini ambil M′=I+tEijM' = I + tE_{ij} dengan t=−tr⁡(B)/bjit = -\operatorname{tr}(B)/b_{ji}: maka

tr⁡(BM′)=tr⁡B+t bji=0,\operatorname{tr}(BM') = \operatorname{tr} B + t\,b_{ji} = 0,

dan M′M' punya invers (segitiga dengan diagonal satu). Setelah konjugasinya dibatalkan, M=PM′P−1M = PM'P^{-1} punya invers dan tr⁡(AM)=tr⁡(BM′)=0\operatorname{tr}(AM) = \operatorname{tr}(BM') = 0: jadi M∈HAM \in H_A.

Latihan 2.7 ★★

(Turunan determinan) Untuk A∈Mn(R)A \in \mathcal{M}_n(\R), buktikan dari kemultilinearan bahwa

 ⁣d ⁣dt∣t=0det⁡(In+tA)=tr⁡A,\frac{\dd}{\dd t}\Big|_{t=0} \det(I_n + tA) = \operatorname{tr} A ,

lalu turunkan det⁡(etA)=ettr⁡A\det(\eu^{tA}) = \eu^{t\operatorname{tr} A} dengan mengandaikan keterdiferensialan t↦det⁡(etA)t \mapsto \det(\eu^{tA}) dan sifat grup e(s+t)A=esAetA\eu^{(s+t)A} = \eu^{sA}\eu^{tA} (yang ditegakkan pada Bab 16).

Solusi

Solusi Latihan 2.7.

Menurut rumus permutasi, det⁡(I+tA)\det(I + tA) adalah polinomial dalam tt; suku tetapnya 11 (ambil t=0t = 0). Koefisien tt-nya: uraikan det⁡\det sebagai bentuk alternating atas kolom ej+t cj(A)e_j + t\,c_j(A); menurut kemultilinearan, suku yang linear pada tt mengganti tepat satu eje_j dengan cj(A)c_j(A):

∑jdet⁡(e1,…,cj(A),…,en)=∑jajj=tr⁡A,\sum_{j} \det(e_1, \dots, c_j(A), \dots, e_n) = \sum_j a_{jj} = \operatorname{tr} A ,

(determinan dengan semua kolom kanonik kecuali cj(A)c_j(A) pada slot jj memungut unsur diagonal ke-jj). Jadi turunannya di 00 adalah tr⁡A\operatorname{tr} A.

Misalkan g(t)=det⁡(etA)g(t) = \det(\eu^{tA}). Sifat grupnya memberi g(s+t)=g(s)g(t)g(s + t) = g(s)g(t) (kemultiplikatifan det⁡\det), gg dapat diturunkan, dan g′(0)=tr⁡Ag'(0) = \operatorname{tr} A menurut uraian di atas (etA=I+tA+O(t2)\eu^{tA} = I + tA + O(t^2)). Morfisma (R,+)→(R∗,×)(\R, +) \to (\R^*, \times) yang dapat diturunkan memenuhi g′=g′(0) gg' = g'(0)\,g (turunkan g(s+t)g(s+t) terhadap ss di 00), jadi g(t)=ettr⁡Ag(t) = \eu^{t\operatorname{tr} A} berkat ketunggalan penyelesaian y′=cyy' = cy dengan y(0)=1y(0) = 1 (jilid Tahun ke-1).

Latihan 2.8 ★★

(Sirkulan 3×33 \times 3) Misalkan j=e2iπ/3j = \eu^{2\iu\pi/3} dan

C=(abccabbca)∈M3(C).C = \begin{pmatrix} a & b & c\\ c & a & b\\ b & c & a \end{pmatrix} \in \mathcal{M}_3(\C).

Periksalah bahwa kolom matriks Vandermonde atas 1,j,j21, j, j^2 adalah vektor eigen CC, lalu turunkan

det⁡C=(a+b+c)(a+bj+cj2)(a+bj2+cj).\det C = (a + b + c)(a + bj + cj^2)(a + bj^2 + cj).
Solusi

Solusi Latihan 2.8.

Misalkan vk=(1,jk,j2k)Tv_k = (1, j^k, j^{2k})^{\mathsf T} untuk k=0,1,2k = 0, 1, 2. Dengan memakai 1+j+j2=01 + j + j^2 = 0 dan j3=1j^3 = 1:

Cvk=(a+bjk+cj2kc+ajk+bj2kb+cjk+aj2k)=(a+bjk+cj2k)(1jkj2k),C v_k = \begin{pmatrix} a + b j^k + c j^{2k}\\ c + a j^k + b j^{2k}\\ b + c j^k + a j^{2k} \end{pmatrix} = (a + b j^k + c j^{2k}) \begin{pmatrix} 1\\ j^k\\ j^{2k}\end{pmatrix},

(periksa baris kedua: jk(a+bjk+cj2k)=ajk+bj2k+cj3k=c+ajk+bj2kj^k(a + bj^k + cj^{2k}) = aj^k + bj^{2k} + cj^{3k} = c + aj^k + bj^{2k}). Jadi vkv_k vektor eigen dengan nilai eigen λk=a+bjk+cj2k\lambda_k = a + bj^k + cj^{2k}. Vektor vkv_k membentuk basis (Vandermonde atas 1,j,j21, j, j^2 yang berbeda), jadi CC dapat didiagonalkan dengan nilai eigen tersebut, dan

det⁡C=λ0λ1λ2=(a+b+c)(a+bj+cj2)(a+bj2+cj).\det C = \lambda_0\lambda_1\lambda_2 = (a+b+c)(a + bj + cj^2)(a + bj^2 + cj).

Latihan 2.9 ★★★

Buktikan bahwa setiap bentuk linear tt pada Mn(K)\mathcal{M}_n(K) berbentuk M↦tr⁡(AM)M \mapsto \operatorname{tr}(AM) untuk suatu AA yang tunggal: pemetaan A↦tr⁡(A ⋅)A \mapsto \operatorname{tr}(A\,\cdot) adalah isomorfisma dari Mn(K)\mathcal{M}_n(K) pada dualnya. Turunkan lagi pernyataan ketunggalan pada Proposisi 2.22.

Solusi

Solusi Latihan 2.9.

Pemetaan Θ ⁣:A↦tr⁡(A ⋅)\Theta \colon A \mapsto \operatorname{tr}(A\,\cdot) bersifat linear dari Mn(K)\mathcal{M}_n(K) ke dualnya, di antara dua ruang berdimensi sama n2n^2: jadi cukuplah keinjektifannya. Jika tr⁡(AM)=0\operatorname{tr}(AM) = 0 untuk setiap MM, ambil M=EjiM = E_{ji}: tr⁡(AEji)=aij=0\operatorname{tr}(A E_{ji}) = a_{ij} = 0 untuk setiap i,ji, j, jadi A=0A = 0. Maka Θ\Theta isomorfisma.

Ketunggalan trace (Proposisi 2.22): bentuk tt yang menolkan semua komutator berbentuk tr⁡(A ⋅)\operatorname{tr}(A\,\cdot) untuk suatu AA dengan tr⁡(A(MN−NM))=0\operatorname{tr}(A(MN - NM)) = 0 untuk setiap M,NM, N, yakni tr⁡((AM−MA)N)=0\operatorname{tr}((AM - MA)N) = 0 untuk setiap NN (sifat siklis), yakni AM=MAAM = MA untuk setiap MM (keinjektifan Θ\Theta): jadi AA komutatif dengan segalanya, sehingga ia skalar (AA yang komutatif dengan semua EijE_{ij} memaksa unsur luar diagonalnya 00 dan unsur diagonalnya sama), sehingga t=ctr⁡t = c \operatorname{tr}.

Latihan 2.10 ★★★

Misalkan u,v∈L(E)u, v \in \mathcal{L}(E) dengan u∘v−v∘u=uu \circ v - v \circ u = u. Buktikan bahwa uu nilpoten. Petunjuk: tunjukkan tr⁡(uk)=0\operatorname{tr}(u^k) = 0 untuk setiap k≥1k \geq 1 (hitung ukv−vuku^k v - v u^k secara induktif), lalu pakai fakta berikut, yang dibuktikan lewat kesamaan Newton atau lewat induksi pada dimensinya: endomorfisma sebuah ruang vektor atas C\C yang semua pangkatnya bertrace nol pastilah nilpoten. Bekerjalah atas C\C.

Solusi

Solusi Latihan 2.10.

Bekerjalah atas C\C (matriks real nilpoten bila dan hanya bila ia nilpoten sebagai matriks kompleks: kenilpotenan berarti un=0u^n = 0).

Langkah 1: tr⁡(uk)=0\operatorname{tr}(u^k) = 0 untuk k≥1k \geq 1. Secara induktif, ukv−vuk=k uku^k v - v u^k = k\, u^k: untuk k=1k = 1 inilah hipotesisnya; sedangkan untuk langkah induksinya,

uk+1v−vuk+1=uk(uv−vu)+(ukv−vuk)u=uk+1+k uk+1.u^{k+1}v - vu^{k+1} = u^k(uv - vu) + (u^k v - v u^k)u = u^{k+1} + k\,u^{k+1} .

Setelah tracenya diambil: 0=tr⁡(ukv)−tr⁡(vuk)=ktr⁡(uk)0 = \operatorname{tr}(u^k v) - \operatorname{tr}(vu^k) = k \operatorname{tr}(u^k), sehingga tr⁡(uk)=0\operatorname{tr}(u^k) = 0.

Langkah 2: trace pangkat yang nol mengakibatkan kenilpotenan (atas C\C). Misalkan λ1,…,λr\lambda_1, \dots, \lambda_r nilai eigen tak nol uu yang berbeda, dengan multiplisitas m1,…,mrm_1, \dots, m_r (pada polinomial karakteristik, yang terurai lengkap atas C\C — Bab 3). Trace pangkatnya adalah tr⁡(uk)=∑imiλik\operatorname{tr}(u^k) = \sum_i m_i \lambda_i^k (trigonalkan: diagonal pangkat ke-kk sebuah matriks segitiga berisi pangkat ke-kk diagonalnya). Sistem ∑imiλik=0\sum_i m_i \lambda_i^k = 0 untuk k=1,…,rk = 1, \dots, r dapat dibalik secara Vandermonde pada peubah miλim_i\lambda_i (matriks (λik−1)(\lambda_i^{k-1}) dikali diagonal λi\lambda_i, dengan semua λi≠0\lambda_i \neq 0 berbeda): jadi setiap miλi=0m_i \lambda_i = 0, dan itu mustahil bila mi≥1m_i \geq 1 kecuali r=0r = 0. Jadi uu tidak punya nilai eigen tak nol: polinomial karakteristiknya (−X)n(-X)^n, dan Cayley–Hamilton (Bab 3) memberi un=0u^n = 0, yakni nilpoten.

Latihan 2.11 ★★

(Vandermonde) Untuk a0,…,an∈Ka_0, \dots, a_n \in K, buktikan

det⁡(11⋯1a0a1⋯an⋮⋮⋮a0na1n⋯ann)=∏0≤i<j≤n(aj−ai).\det\begin{pmatrix} 1 & 1 & \cdots & 1\\ a_0 & a_1 & \cdots & a_n\\ \vdots & \vdots & & \vdots\\ a_0^n & a_1^n & \cdots & a_n^n \end{pmatrix} = \prod_{0 \leq i < j \leq n} (a_j - a_i).

(Pandang determinan itu sebagai polinomial dalam ana_n: kenali derajatnya, akarnya, dan koefisien utamanya; lalu berinduksilah.)

Solusi

Solusi Latihan 2.11.

Tulis V(a0,…,an)V(a_0, \dots, a_n) untuk determinannya lalu berinduksilah pada nn; V(a0)=1V(a_0) = 1 menjadi awalnya. Tetapkan a0,…,an−1a_0, \dots, a_{n-1} lalu pandang D(T)=V(a0,…,an−1,T)D(T) = V(a_0, \dots, a_{n-1}, T), yakni determinan yang kolom terakhirnya (1,T,…,Tn)(1, T, \dots, T^n): dengan menguraikannya sepanjang kolom itu, DD adalah polinomial berderajat ≤n\leq n dalam TT yang koefisien TnT^n-nya adalah minor V(a0,…,an−1)V(a_0, \dots, a_{n-1}). Andaikan dulu a0,…,an−1a_0, \dots, a_{n-1} berbeda. Untuk tiap T=aiT = a_i (i<ni < n) ada dua kolom yang berimpit, jadi D(ai)=0D(a_i) = 0: dengan nn akar yang berbeda dan derajat ≤n\leq n,

D(T)=V(a0,…,an−1)∏i=0n−1(T−ai),D(T) = V(a_0, \dots, a_{n-1}) \prod_{i=0}^{n-1}(T - a_i),

lalu T=anT = a_n beserta hipotesis induksinya memberi rumus hasil kali itu. Jika dua di antara a0,…,an−1a_0, \dots, a_{n-1} berimpit, kedua ruasnya bernilai 00 (kolom yang berulang; faktor yang berulang), sehingga rumusnya berlaku secara sepele.

Latihan 2.12 ★★★

Misalkan A,B,C,D∈Mn(K)A, B, C, D \in \mathcal{M}_n(K) dengan KK tak hingga, dan andaikan CD=DCCD = DC. Buktikan bahwa

det⁡(ABCD)=det⁡(AD−BC).\det\begin{pmatrix} A & B\\ C & D\end{pmatrix} = \det(AD - BC).

(Tinjau dulu DD yang punya invers, dengan mengalikan dari kanan oleh (I0−D−1CI)\left(\begin{smallmatrix} I & 0\\ -D^{-1}C & I\end{smallmatrix}\right); lalu ganti DD dengan D+tID + tI dan bandingkan dua polinomial dalam tt.)

Solusi

Solusi Latihan 2.12.

DD punya invers. Kalikan dari kanan dengan matriks blok T=(I0−D−1CI)T = \left(\begin{smallmatrix} I & 0\\ -D^{-1}C & I\end{smallmatrix}\right), yang segitiga blok dengan diagonal satu, sehingga det⁡T=1\det T = 1 (determinannya, menurut rumus permutasi, hanya memungut blok diagonalnya — inilah aturan blok pada Latihan 2.2):

(ABCD)T=(A−BD−1CBC−DD−1CD)=(A−BD−1CB0D),\begin{pmatrix} A & B\\ C & D\end{pmatrix} T = \begin{pmatrix} A - BD^{-1}C & B\\ C - DD^{-1}C & D\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} A - BD^{-1}C & B\\ 0 & D\end{pmatrix},

yang determinannya det⁡(A−BD−1C)det⁡D=det⁡((A−BD−1C)D)=det⁡(AD−BD−1CD)\det(A - BD^{-1}C)\det D = \det\bigl((A - BD^{-1}C)D\bigr) = \det(AD - BD^{-1}CD). Karena CD=DCCD = DC, berlaku BD−1CD=BCBD^{-1}CD = BC: jadi determinannya det⁡(AD−BC)\det(AD - BC).

Untuk DD sembarang. Misalkan Dt=D+tID_t = D + tI; maka tetap berlaku CDt=DtCCD_t = D_tC. Keduanya, yakni

f(t)=det⁡(ABCDt)dang(t)=det⁡(ADt−BC)f(t) = \det\begin{pmatrix} A & B\\ C & D_t\end{pmatrix} \qquad\text{dan}\qquad g(t) = \det(AD_t - BC)

merupakan fungsi polinomial dalam tt. Polinomial det⁡(D+tI)\det(D + tI) bersifat monik berderajat nn, jadi ia punya paling banyak nn akar: untuk semua tt kecuali berhingga banyak, DtD_t punya invers dan f(t)=g(t)f(t) = g(t) menurut kasus pertama. Dua polinomial atas lapangan tak hingga yang berimpit pada tak hingga banyak titik pastilah sama: jadi f=gf = g, dan t=0t = 0 merampungkannya.

2.5 Soal: Alternatif Fredholm

Kapan sistem linear u(x)=bu(x) = b punya penyelesaian? Jawaban lengkapnya berupa pernyataan dualitas: tepat ketika bb dianihilasi oleh setiap bentuk linear yang menganihilasi peta uu — dan bentuk semacam itu terhitungkan, sebab ia kernel transposnya. Soal akhir pekan ini membangun kamus lengkap dualitas berdimensi hingga (pemfaktoran bentuk, bidualitas, kalkulus anihilator, transpos), membuktikan alternatif Fredholm berdimensi hingga, dan ditutup dengan bentuk trace beserta sebuah pencirian: trace adalah satu-satunya invarian linear bagi keserupaan. Di sepanjang soal ini, EE dan FF adalah ruang vektor atas KK yang berdimensi hingga, dan n=dim⁡En = \dim E.

Soal 2.1

Soal akhir pekan — dualitas dalam dimensi hingga dan alternatif Fredholm

Notasi: untuk S⊆E∗S \subseteq E^*, pra-anihilator adalah S∘={x∈E:φ(x)=0 untuk setiap φ∈S}S_\circ = \{x \in E : \varphi(x) = 0 \text{ untuk setiap } \varphi \in S\}; adapun anihilator F∘F^\circ dan transpos uTu^{\mathsf T} adalah yang ada pada Definisi 2.5 dan Definisi 2.8.

Bagian I — Lema pemfaktoran. Misalkan φ1,…,φp,φ∈E∗\varphi_1, \dots, \varphi_p, \varphi \in E^*.

  1. Misalkan Φ ⁣:E→Kp\Phi \colon E \to K^p, x↦(φ1(x),…,φp(x))x \mapsto (\varphi_1(x), \dots, \varphi_p(x)). Kenali ker⁡Φ\ker\Phi, tunjukkan ΦT\Phi^{\mathsf T} memetakan bentuk koordinat KpK^p ke φi\varphi_i, lalu turunkan

    dim⁡(ker⁡φ1∩⋯∩ker⁡φp)=n−dim⁡Vect⁡(φ1,…,φp).\dim \bigl(\ker\varphi_1 \cap \dots \cap \ker\varphi_p\bigr) = n - \dim \operatorname{Vect}(\varphi_1, \dots, \varphi_p).
  2. (Lema pemfaktoran) Buktikan kesetaraan berikut:

    φ∈Vect⁡(φ1,…,φp)  ⟺  ker⁡φ1∩⋯∩ker⁡φp⊆ker⁡φ.\varphi \in \operatorname{Vect}(\varphi_1, \dots, \varphi_p) \iff \ker\varphi_1 \cap \dots \cap \ker\varphi_p \subseteq \ker\varphi .
  3. Turunkan: (φ1,…,φp)(\varphi_1, \dots, \varphi_p) bebas bila dan hanya bila ⋂iker⁡φi\bigcap_i \ker\varphi_i berdimensi n−pn - p; dan sebuah subruang berkodimensi pp adalah irisan pp hiperbidang, tak pernah kurang.
  4. Di R4\R^4, misalkan φ1=x+y−z\varphi_1 = x + y - z, φ2=y+z−t\varphi_2 = y + z - t, ψ=x+2y−t\psi = x + 2y - t dan ψ′=x+y+t\psi' = x + y + t. Putuskan, dengan lema pemfaktoran, apakah ψ\psi dan ψ′\psi' termasuk Vect⁡(φ1,φ2)\operatorname{Vect}(\varphi_1, \varphi_2).
  5. Pada E=R2[X]E = \R_2[X], tunjukkan bahwa ψ0 ⁣:P↦P(0)\psi_0 \colon P \mapsto P(0), ψ1 ⁣:P↦P(1)\psi_1 \colon P \mapsto P(1), ψ2 ⁣:P↦∫01P(t) ⁣dt\psi_2 \colon P \mapsto \int_0^1 P(t)\dd t membentuk basis E∗E^*, hitunglah basis (P0,P1,P2)(P_0, P_1, P_2) di EE yang dualnya adalah basis itu, lalu carilah satu-satunya P∈R2[X]P \in \R_2[X] dengan P(0)=1P(0) = 1, P(1)=2P(1) = 2, ∫01P=32\int_0^1 P = \frac32.

Bagian II — Bidualitas dan kalkulus anihilator.

  1. Tunjukkan bahwa pemetaan evaluasi J ⁣:E→E∗∗J \colon E \to E^{**}, J(x)(φ)=φ(x)J(x)(\varphi) = \varphi(x), bersifat linear dan injektif, jadi merupakan isomorfisma dalam dimensi hingga.
  2. (Anihilator ganda) Tunjukkan J(F)=F∘∘:=(F∘)∘J(F) = F^{\circ\circ} := (F^\circ)^\circ untuk setiap subruang F⊆EF \subseteq E: di bawah penyamaan JJ, anihilator dari anihilator adalah subruangnya sendiri.
  3. Buktikan kalkulus anihilator: (F+G)∘=F∘∩G∘(F + G)^\circ = F^\circ \cap G^\circ dan (F∩G)∘=F∘+G∘(F \cap G)^\circ = F^\circ + G^\circ.
  4. Turunkan (lalu buktikan ulang secara langsung): dua bentuk tak nol yang kernelnya sama pastilah sebanding.
  5. (Basis antedual) Tunjukkan bahwa untuk setiap basis (φ1,…,φn)(\varphi_1, \dots, \varphi_n) di E∗E^* ada tepat satu basis (u1,…,un)(u_1, \dots, u_n) di EE dengan φi(uj)=δij\varphi_i(u_j) = \delta_{ij}.

Bagian III — Kalkulus transpos.

  1. Tunjukkan bahwa u↦uTu \mapsto u^{\mathsf T} adalah bijeksi linear dari L(E,F)\mathcal{L}(E, F) pada L(F∗,E∗)\mathcal{L}(F^*, E^*), dan bahwa (u−1)T=(uT)−1(u^{-1})^{\mathsf T} = (u^{\mathsf T})^{-1} bila uu punya invers.
  2. (Kealamian) Tunjukkan bahwa uTT∘JE=JF∘uu^{\mathsf T\mathsf T} \circ J_E = J_F \circ u: di bawah isomorfisma evaluasi, transpos ganda adalah uu.
  3. Tunjukkan: uu surjektif bila dan hanya bila uTu^{\mathsf T} injektif; dan uu injektif bila dan hanya bila uTu^{\mathsf T} surjektif.
  4. Untuk u∈L(E)u \in \mathcal{L}(E): sebuah subruang FF stabil terhadap uu bila dan hanya bila F∘F^\circ stabil terhadap uTu^{\mathsf T}.
  5. Tunjukkan bahwa ker⁡(uT−λ idE∗)=(im⁡(u−λ idE))∘\ker(u^{\mathsf T} - \lambda\, \mathrm{id}_{E^*}) = \bigl(\operatorname{im}(u - \lambda\, \mathrm{id}_E)\bigr)^\circ, lalu turunkan bahwa uu dan uTu^{\mathsf T} punya nilai eigen yang sama dengan multiplisitas geometrik yang sama.

Bagian IV — Alternatif Fredholm.

  1. Buktikan bahwa im⁡u=(ker⁡uT)∘\operatorname{im} u = (\ker u^{\mathsf T})_\circ untuk u∈L(E,F)u \in \mathcal{L}(E, F), lalu turunkan alternatif Fredholm dalam dimensi hingga: persamaan u(x)=bu(x) = b punya penyelesaian bila dan hanya bila setiap ψ∈F∗\psi \in F^* dengan uTψ=0u^{\mathsf T}\psi = 0 memenuhi ψ(b)=0\psi(b) = 0.
  2. Bentuk matriksnya: untuk A∈Mm,n(K)A \in \mathcal{M}_{m,n}(K) dan b∈Kmb \in K^m, tepat satu dari berikut ini berlaku: (i) Ax=bAx = b punya penyelesaian; (ii) ada y∈Kmy \in K^m dengan ATy=0A^{\mathsf T}y = 0 dan yTb=1y^{\mathsf T}b = 1. Buktikan baik “paling banyak satu” maupun “sedikitnya satu”.
  3. Carilah semua b∈R3b \in \R^3 yang membuat sistem

    x+y=b1,y+z=b2,x+2y+z=b3x + y = b_1, \qquad y + z = b_2, \qquad x + 2y + z = b_3

    punya penyelesaian, dengan menghitung kernel matriks transposnya.

  4. (Sebuah masalah Neumann diskret) Pada E=RnE = \R^n (n≥3n \geq 3), tetapkan LL oleh (Lx)k=xk−12(xk−1+xk+1)(Lx)_k = x_k - \frac12(x_{k-1} + x_{k+1}), dengan indeks modulo nn. Tunjukkan LT=LL^{\mathsf T} = L (dengan penyamaan kanonik), tunjukkan ker⁡L\ker L adalah garis vektor konstan (perhatikan sebuah koordinat maksimal), lalu simpulkan: Lx=bLx = b terselesaikan bila dan hanya bila ∑kbk=0\sum_k b_k = 0.

Bagian V — Bentuk trace dan teorema keawetan. Ingat kembali dari Latihan 2.9 bahwa A↦tr⁡(A ⋅)A \mapsto \operatorname{tr}(A\,\cdot) menyamakan Mn(K)\mathcal{M}_n(K) dengan dualnya. Andaikan char⁡K=0\operatorname{char} K = 0 (misalnya K=Q,R,CK = \Q, \R, \C).

  1. Di bawah penyamaan itu, tunjukkan bahwa anihilator subruang Sn\mathcal{S}_n berisi matriks setangkup adalah subruang An\mathcal{A}_n berisi matriks antisetangkup, dan sebaliknya.
  2. Tunjukkan bahwa anihilator hiperbidang sln={M:tr⁡M=0}\mathfrak{sl}_n = \{M : \operatorname{tr} M = 0\} adalah garis KInK I_n; setara dengan itu, bentuk linear yang nol pada semua matriks bertrace nol pastilah kelipatan tracenya.
  3. Tunjukkan bahwa setiap matriks Mn(K)\mathcal{M}_n(K) adalah jumlah dua matriks yang punya invers.
  4. (Trace satu-satunya invarian linear bagi keserupaan) Misalkan tt sebuah bentuk linear pada Mn(K)\mathcal{M}_n(K) dengan t(PMP−1)=t(M)t(PMP^{-1}) = t(M) untuk setiap MM dan setiap PP yang punya invers. Tunjukkan lebih dulu t(PX)=t(XP)t(PX) = t(XP) untuk PP berinvers, lalu t(BX)=t(XB)t(BX) = t(XB) untuk setiap BB, dan simpulkan t=ctr⁡t = c \operatorname{tr} untuk suatu c∈Kc \in K.
  5. Tunjukkan bahwa rk⁡u≤r\operatorname{rk} u \leq r bila dan hanya bila uu adalah jumlah rr pemetaan berank ≤1\leq 1, yakni u=∑i=1rψi(⋅) fiu = \sum_{i=1}^{r} \psi_i(\cdot)\,f_i dengan ψi∈E∗\psi_i \in E^*, fi∈Ff_i \in F; lalu turunkan rk⁡(u+v)≤rk⁡u+rk⁡v\operatorname{rk}(u + v) \leq \operatorname{rk} u + \operatorname{rk} v.
  6. (Rangkuman) Susunlah kamus yang dibuktikan pada soal ini: subruang lawan anihilator, jumlah lawan irisan, pemetaan lawan transpos, keterselesaian lawan keortogonalan terhadap kernel transpos, trace lawan keserupaan. Untuk tiap entri, sebutkan pertanyaan yang membuktikannya, dan nyatakan dalam satu kalimat apa yang menggantikan pencacahan dimensi ketika dimensinya menjadi tak hingga (jilid Tahun ke-3 memerincinya pada ruang Hilbert).
Solusi

Solusi Soal 2.1.

1. Φ\Phi bersifat linear dengan ker⁡Φ=⋂iker⁡φi\ker\Phi = \bigcap_i \ker\varphi_i (sebuah tupel-pp bernilai nol bila dan hanya bila tiap unsurnya nol). Untuk bentuk koordinat εi\varepsilon_i pada KpK^p: ΦT(εi)=εi∘Φ=φi\Phi^{\mathsf T}(\varepsilon_i) = \varepsilon_i \circ \Phi = \varphi_i, jadi im⁡ΦT⊇Vect⁡(φi)\operatorname{im}\Phi^{\mathsf T} \supseteq \operatorname{Vect}(\varphi_i); sebaliknya im⁡ΦT\operatorname{im}\Phi^{\mathsf T} direntang oleh ΦT(εi)\Phi^{\mathsf T}(\varepsilon_i) (sebab εi\varepsilon_i merentang (Kp)∗(K^p)^*). Jadi rk⁡Φ=rk⁡ΦT=dim⁡Vect⁡(φ1,…,φp)=:r\operatorname{rk}\Phi = \operatorname{rk} \Phi^{\mathsf T} = \dim\operatorname{Vect}(\varphi_1, \dots, \varphi_p) =: r (Proposisi 2.10), dan rank–nulitas memberi dim⁡⋂iker⁡φi=n−r\dim\bigcap_i\ker\varphi_i = n - r.

2. (⇐\Leftarrow) Simpan satu keluarga bagian bebas yang maksimal, katakanlah φ1,…,φr\varphi_1, \dots, \varphi_r, yang merentang ruang yang sama (jadi hipotesisnya tetap berbunyi ⋂i≤rker⁡φi⊆ker⁡φ\bigcap_{i \leq r}\ker\varphi_i \subseteq \ker\varphi: irisan atas semua ii sama dengan irisan atas i≤ri \leq r, sebab tiap bentuk yang dibuang adalah sebuah kombinasi). Pemetaan Ψ=(φ1,…,φr) ⁣:E→Kr\Psi = (\varphi_1, \dots, \varphi_r) \colon E \to K^r bersifat surjektif (pertanyaan 1: ranknya rr). Jika Ψ(x)=Ψ(y)\Psi(x) = \Psi(y) maka x−y∈ker⁡Ψ⊆ker⁡φx - y \in \ker\Psi \subseteq \ker\varphi, jadi φ(x)=φ(y)\varphi(x) = \varphi(y): karenanya φ\varphi terfaktorkan sebagai φ=λ∘Ψ\varphi = \lambda \circ \Psi dengan λ ⁣:Kr→K\lambda \colon K^r \to K yang terdefinisi dengan baik; λ\lambda bersifat linear karena Ψ\Psi linear dan surjektif (untuk t=Ψ(x)t = \Psi(x), t′=Ψ(x′)t' = \Psi(x'): λ(t+αt′)=φ(x+αx′)=λ(t)+αλ(t′)\lambda(t + \alpha t') = \varphi(x + \alpha x') = \lambda(t) + \alpha\lambda(t')). Dengan menulis λ=∑ciεi\lambda = \sum c_i \varepsilon_i diperoleh φ=∑i≤rciφi\varphi = \sum_{i \leq r} c_i\varphi_i. (⇒\Rightarrow) Jika φ=∑ciφi\varphi = \sum c_i \varphi_i, maka setiap xx yang menolkan tiap φi\varphi_i menolkan φ\varphi.

3. Menurut pertanyaan 1, dim⁡⋂ker⁡φi=n−r\dim\bigcap\ker\varphi_i = n - r dengan r=dim⁡Vect⁡(φi)≤pr = \dim\operatorname{Vect}(\varphi_i) \leq p, dan r=pr = p bila dan hanya bila keluarganya bebas. Untuk subruang FF berkodimensi pp: anihilatornya berdimensi pp (Teorema 2.6); sebuah basis (φ1,…,φp)(\varphi_1, \dots, \varphi_p) untuk F∘F^\circ memberi F=⋂iker⁡φiF = \bigcap_i\ker\varphi_i (lewat rumus pemulihannya). Kurang dari itu tidak mungkin: irisan qq hiperbidang berdimensi ≥n−q>n−p\geq n - q > n - p menurut pertanyaan 1.

4. Hitung ker⁡φ1∩ker⁡φ2\ker\varphi_1 \cap \ker\varphi_2: dari x+y−z=0x + y - z = 0 dan y+z−t=0y + z - t = 0, parameterkan lewat (y,z)(y, z): x=z−yx = z - y, t=y+zt = y + z, yang memberi bidang berisi vektor (z−y,  y,  z,  y+z)(z - y,\; y,\; z,\; y + z). Di bidang itu, ψ=x+2y−t=(z−y)+2y−(y+z)=0\psi = x + 2y - t = (z - y) + 2y - (y + z) = 0: jadi menurut lema pemfaktoran ψ∈Vect⁡(φ1,φ2)\psi \in \operatorname{Vect}(\varphi_1, \varphi_2) — dan memang ψ=φ1+φ2\psi = \varphi_1 + \varphi_2. Namun ψ′=x+y+t=(z−y)+y+(y+z)=y+2z\psi' = x + y + t = (z - y) + y + (y + z) = y + 2z tidak nol secara identik di sana (dengan y=1,z=0y = 1, z = 0 diperoleh 11): jadi ψ′∉Vect⁡(φ1,φ2)\psi' \notin \operatorname{Vect}(\varphi_1, \varphi_2).

5. Tiga bentuk pada ruang berdimensi 33: cukuplah kebebasannya. Jika aψ0+bψ1+cψ2=0a\psi_0 + b\psi_1 + c\psi_2 = 0, ujilah pada 1,X,X21, X, X^2: a+b+c=0a + b + c = 0, b+c2=0b + \frac c2 = 0, b+c3=0b + \frac c3 = 0; mengurangkan dua yang terakhir memberi c=0c = 0, lalu b=0b = 0, a=0a = 0. Basis antedual: dengan menulis P=α+βX+γX2P = \alpha + \beta X + \gamma X^2 lalu menyelesaikan ψi(Pj)=δij\psi_i(P_j) = \delta_{ij} (P(0)=αP(0) = \alpha, P(1)=α+β+γP(1) = \alpha + \beta + \gamma, ∫01P=α+β2+γ3\int_0^1 P = \alpha + \frac\beta2 + \frac\gamma3), diperoleh

P0=1−4X+3X2,P1=−2X+3X2,P2=6X−6X2.P_0 = 1 - 4X + 3X^2, \qquad P_1 = -2X + 3X^2, \qquad P_2 = 6X - 6X^2 .

(Periksa, misalnya: ∫01P2=3−2=1\int_0^1 P_2 = 3 - 2 = 1, P2(0)=P2(1)=0P_2(0) = P_2(1) = 0.) Masalah interpolasinya terselesaikan lewat koordinat pada basis antedual itu:

P=1⋅P0+2⋅P1+32 P2=1+XP = 1\cdot P_0 + 2\cdot P_1 + \tfrac32\, P_2 = 1 + X

(koefisien XX: −4−4+9=1-4 - 4 + 9 = 1; koefisien X2X^2: 3+6−9=03 + 6 - 9 = 0); dan memang P(0)=1P(0) = 1, P(1)=2P(1) = 2, ∫01P=32\int_0^1 P = \frac32.

6. Kelinearan: untuk setiap φ\varphi, J(x+αy)(φ)=φ(x+αy)=J(x)(φ)+αJ(y)(φ)J(x + \alpha y)(\varphi) = \varphi(x + \alpha y) = J(x)(\varphi) + \alpha J(y)(\varphi), yakni J(x+αy)=J(x)+αJ(y)J(x + \alpha y) = J(x) + \alpha J(y). Keinjektifan: jika x≠0x \neq 0, lengkapi x=e1x = e_1 menjadi basis; bentuk koordinat e1∗e_1^* memberi J(x)(e1∗)=1≠0J(x)(e_1^*) = 1 \neq 0. Karena dim⁡E∗∗=dim⁡E∗=dim⁡E\dim E^{**} = \dim E^* = \dim E, keinjektifan mengakibatkan kebijektifan.

7. Pemuatan: untuk x∈Fx \in F dan φ∈F∘\varphi \in F^\circ berlaku J(x)(φ)=φ(x)=0J(x)(\varphi) = \varphi(x) = 0, jadi J(F)⊆F∘∘J(F) \subseteq F^{\circ\circ}. Dimensinya (dengan Teorema 2.6 dua kali):

dim⁡F∘∘=dim⁡E∗−dim⁡F∘=n−(n−dim⁡F)=dim⁡F=dim⁡J(F),\dim F^{\circ\circ} = \dim E^* - \dim F^\circ = n - (n - \dim F) = \dim F = \dim J(F),

sebab JJ injektif. Karenanya J(F)=F∘∘J(F) = F^{\circ\circ}.

8. Kesamaan pertama: φ\varphi menolkan F+GF + G bila dan hanya bila ia menolkan FF maupun GG (ia menolkan jumlah bila dan hanya bila ia menolkan potongannya): jadi (F+G)∘=F∘∩G∘(F+G)^\circ = F^\circ \cap G^\circ. Kesamaan kedua: pemuatan F∘+G∘⊆(F∩G)∘F^\circ + G^\circ \subseteq (F \cap G)^\circ sudah jelas (tiap sukunya menolkan F∩GF \cap G). Dimensinya, dengan memakai kesamaan pertama dan Grassmann:

dim⁡(F∘+G∘)=dim⁡F∘+dim⁡G∘−dim⁡(F∘∩G∘)=(n−dim⁡F)+(n−dim⁡G)−(n−dim⁡(F+G)),\dim(F^\circ + G^\circ) = \dim F^\circ + \dim G^\circ - \dim(F^\circ \cap G^\circ) = (n - \dim F) + (n - \dim G) - \bigl(n - \dim(F + G)\bigr),

dan menurut Grassmann di EE itu sama dengan n−dim⁡(F∩G)=dim⁡(F∩G)∘n - \dim(F \cap G) = \dim(F \cap G)^\circ: jadi keduanya sama.

9. Lewat lemanya: ker⁡ψ⊆ker⁡φ\ker\psi \subseteq \ker\varphi dengan p=1p = 1 memberi φ∈Vect⁡(ψ)\varphi \in \operatorname{Vect}(\psi), dan φ≠0\varphi \neq 0 membuat skalarnya tak nol. Secara langsung: pilih x0x_0 dengan ψ(x0)≠0\psi(x_0) \neq 0; setiap xx dapat ditulis x=(x−ψ(x)ψ(x0)x0)+ψ(x)ψ(x0)x0x = \bigl(x - \frac{\psi(x)}{\psi(x_0)}x_0\bigr) + \frac{\psi(x)}{\psi(x_0)} x_0 dengan suku pertamanya di ker⁡ψ=ker⁡φ\ker\psi = \ker\varphi; setelah φ\varphi diterapkan: φ(x)=φ(x0)ψ(x0)ψ(x)\varphi(x) = \frac{\varphi(x_0)}{\psi(x_0)}\psi(x).

10. Ambil basis dual (φ1∗,…,φn∗)(\varphi_1^*, \dots, \varphi_n^*) dari (φ1,…,φn)(\varphi_1, \dots, \varphi_n) di dalam E∗∗E^{**} (Definisi 2.1 yang diterapkan pada E∗E^*) lalu tetapkan uj=J−1(φj∗)u_j = J^{-1}(\varphi_j^*): diperoleh basis EE (sebab JJ isomorfisma, pertanyaan 6), dengan φi(uj)=J(uj)(φi)=φj∗(φi)=δij\varphi_i(u_j) = J(u_j)(\varphi_i) = \varphi_j^*(\varphi_i) = \delta_{ij}. Ketunggalan: syarat φi(uj)=δij\varphi_i(u_j) = \delta_{ij} menentukan J(uj)J(u_j) pada basis (φi)(\varphi_i), sehingga menentukan uju_j.

11. Kelinearan: (u+αv)Tψ=ψ∘(u+αv)=uTψ+α vTψ(u + \alpha v)^{\mathsf T}\psi = \psi \circ (u + \alpha v) = u^{\mathsf T}\psi + \alpha\, v^{\mathsf T}\psi. Keinjektifan: jika u≠0u \neq 0, pilih xx dengan u(x)≠0u(x) \neq 0 dan ψ\psi dengan ψ(u(x))≠0\psi(u(x)) \neq 0 (siasat bentuk koordinat pada pertanyaan 6): maka uTψ≠0u^{\mathsf T}\psi \neq 0. Ruang L(E,F)\mathcal{L}(E,F) dan L(F∗,E∗)\mathcal{L}(F^*, E^*) sama-sama berdimensi dim⁡Edim⁡F\dim E \dim F, jadi pemetaannya bijektif. Jika uu punya invers, aturan pembalikan (vu)T=uTvT(vu)^{\mathsf T} = u^{\mathsf T}v^{\mathsf T} memberi uT(u−1)T=(u−1u)T=idE∗u^{\mathsf T}(u^{-1})^{\mathsf T} = (u^{-1}u)^{\mathsf T} = \mathrm{id}_{E^*} dan (u−1)TuT=(uu−1)T=idF∗(u^{-1})^{\mathsf T}u^{\mathsf T} = (uu^{-1})^{\mathsf T} = \mathrm{id}_{F^*}, sehingga (uT)−1=(u−1)T(u^{\mathsf T})^{-1} = (u^{-1})^{\mathsf T}.

12. Untuk x∈Ex \in E dan ψ∈F∗\psi \in F^*:

(uTT(JEx))(ψ)=(JEx)(uTψ)=(uTψ)(x)=ψ(u(x))=(JF(u(x)))(ψ).\bigl(u^{\mathsf T\mathsf T}(J_E x)\bigr)(\psi) = (J_E x)\bigl(u^{\mathsf T}\psi\bigr) = (u^{\mathsf T}\psi)(x) = \psi\bigl(u(x)\bigr) = \bigl(J_F(u(x))\bigr)(\psi).

Karena ψ\psi sembarang, berlaku uTT∘JE=JF∘uu^{\mathsf T\mathsf T} \circ J_E = J_F \circ u.

13. Menurut Proposisi 2.10: ker⁡uT=(im⁡u)∘\ker u^{\mathsf T} = (\operatorname{im} u)^\circ, jadi uu surjektif   ⟺  im⁡u=F  ⟺  (im⁡u)∘={0}\iff \operatorname{im} u = F \iff (\operatorname{im}u)^\circ = \{0\} (Teorema 2.6)   ⟺  uT\iff u^{\mathsf T} injektif. Dan im⁡uT=(ker⁡u)∘\operatorname{im} u^{\mathsf T} = (\ker u)^\circ, jadi uu injektif   ⟺  ker⁡u={0}  ⟺  (ker⁡u)∘=E∗\iff \ker u = \{0\} \iff (\ker u)^\circ = E^*   ⟺  uT\iff u^{\mathsf T} surjektif.

14. Jika u(F)⊆Fu(F) \subseteq F dan φ∈F∘\varphi \in F^\circ, maka (uTφ)(x)=φ(u(x))=0(u^{\mathsf T}\varphi)(x) = \varphi(u(x)) = 0 untuk x∈Fx \in F, jadi uTφ∈F∘u^{\mathsf T}\varphi \in F^\circ. Sebaliknya, jika u(F)⊈Fu(F) \not\subseteq F, pilih x∈Fx \in F dengan u(x)∉Fu(x) \notin F; menurut rumus pemulihan pada Teorema 2.6 ada φ∈F∘\varphi \in F^\circ dengan φ(u(x))≠0\varphi(u(x)) \neq 0: maka (uTφ)(x)≠0(u^{\mathsf T}\varphi)(x) \neq 0 walaupun x∈Fx \in F, sehingga uTφ∉F∘u^{\mathsf T}\varphi \notin F^\circ, yakni F∘F^\circ tidak stabil.

15. Kita punya uT−λ idE∗=(u−λ idE)Tu^{\mathsf T} - \lambda\,\mathrm{id}_{E^*} = (u - \lambda\,\mathrm{id}_E)^{\mathsf T} (transposisi bersifat linear dan idT=id\mathrm{id}^{\mathsf T} = \mathrm{id}), jadi kernelnya adalah (im⁡(u−λ id))∘(\operatorname{im}(u - \lambda\,\mathrm{id}))^\circ (Proposisi 2.10), yang berdimensi

n−rk⁡(u−λ id)=dim⁡ker⁡(u−λ id)n - \operatorname{rk}(u - \lambda\,\mathrm{id}) = \dim\ker(u - \lambda\,\mathrm{id})

menurut rank–nulitas. Khususnya kernel yang satu tak nol bila dan hanya bila yang lain tak nol: nilai eigennya sama, multiplisitas geometriknya sama.

16. Pemuatan: jika b=u(x)b = u(x) dan uTψ=0u^{\mathsf T}\psi = 0, maka ψ(b)=ψ(u(x))=(uTψ)(x)=0\psi(b) = \psi(u(x)) = (u^{\mathsf T}\psi)(x) = 0, jadi im⁡u⊆(ker⁡uT)∘\operatorname{im} u \subseteq (\ker u^{\mathsf T})_\circ. Dimensinya: untuk subruang S⊆F∗S \subseteq F^* berlaku S∘=JF−1(S∘)S_\circ = J_F^{-1}(S^\circ) (uraikan: y∈S∘y \in S_\circ bila dan hanya bila setiap ψ∈S\psi \in S menolkan yy, bila dan hanya bila JF(y)∈S∘J_F(y) \in S^\circ), jadi dim⁡S∘=dim⁡F−dim⁡S\dim S_\circ = \dim F - \dim S. Dengan S=ker⁡uTS = \ker u^{\mathsf T}:

dim⁡(ker⁡uT)∘=dim⁡F−dim⁡ker⁡uT=rk⁡uT=rk⁡u:\dim(\ker u^{\mathsf T})_\circ = \dim F - \dim\ker u^{\mathsf T} = \operatorname{rk} u^{\mathsf T} = \operatorname{rk} u :

dimensinya sama, sehingga im⁡u=(ker⁡uT)∘\operatorname{im} u = (\ker u^{\mathsf T})_\circ. Dinyatakan ulang: b∈im⁡ub \in \operatorname{im} u bila dan hanya bila ψ(b)=0\psi(b) = 0 untuk setiap ψ\psi dengan uTψ=0u^{\mathsf T}\psi = 0 — itulah alternatif Fredholm.

17. Samakan (Km)∗(K^m)^* dengan KmK^m lewat y↦ψyy \mapsto \psi_y, ψy(v)=yTv\psi_y(v) = y^{\mathsf T}v; maka (uTψy)(x)=yTAx=(ATy)Tx(u^{\mathsf T}\psi_y)(x) = y^{\mathsf T}Ax = (A^{\mathsf T}y)^{\mathsf T}x, jadi uTψy=ψATyu^{\mathsf T}\psi_y = \psi_{A^{\mathsf T}y}: transposnya memang matriks transpos. Paling banyak satu: jika Ax=bAx = b dan ATy=0A^{\mathsf T}y = 0, maka yTb=yTAx=(ATy)Tx=0≠1y^{\mathsf T}b = y^{\mathsf T}Ax = (A^{\mathsf T}y)^{\mathsf T}x = 0 \neq 1. Sedikitnya satu: jika (i) gagal, pertanyaan 16 menyediakan ψy\psi_y dengan ATy=0A^{\mathsf T}y = 0 dan yTb≠0y^{\mathsf T}b \neq 0; lalu skalakan yy agar bernilai 11.

18. Di sini A=(110011121)A = \left(\begin{smallmatrix} 1 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 1\end{smallmatrix}\right) (baris ketiga = pertama + kedua, jadi AA singular). Selesaikan ATy=0A^{\mathsf T}y = 0: dari y1+y3=0y_1 + y_3 = 0, y1+y2+2y3=0y_1 + y_2 + 2y_3 = 0, y2+y3=0y_2 + y_3 = 0 diperoleh y1=y2=−y3y_1 = y_2 = -y_3, yakni garis yang direntang y=(1,1,−1)y = (1, 1, -1). Menurut Fredholm: terselesaikan bila dan hanya bila yTb=b1+b2−b3=0y^{\mathsf T}b = b_1 + b_2 - b_3 = 0, yakni b3=b1+b2b_3 = b_1 + b_2 — yang jelas merupakan syarat yang benar, sebab persamaan ketiganya adalah jumlah dua yang pertama.

19. Matriks LL bernilai 11 pada diagonalnya dan −12-\frac12 pada kedudukan (k,k±1)(k, k\pm1) (modulo nn): jadi setangkup, sehingga LT=LL^{\mathsf T} = L di bawah penyamaan pertanyaan 17. Kernelnya: jika Lx=0Lx = 0 maka tiap xk=12(xk−1+xk+1)x_k = \frac12(x_{k-1} + x_{k+1}). Misalkan k0k_0 memaksimalkan xkx_k; rata-rata kedua tetangganya, yang keduanya ≤xk0\leq x_{k_0}, sama dengan xk0x_{k_0} hanya bila keduanya sama dengan xk0x_{k_0}; dengan merambatkannya sepanjang siklus, xx pastilah konstan. Sebaliknya konstanta memang tertolkan. Jadi ker⁡LT=ker⁡L=R(1,…,1)\ker L^{\mathsf T} = \ker L = \R(1, \dots, 1), dan alternatif Fredholm berbunyi: Lx=bLx = b terselesaikan bila dan hanya bila (1,…,1)Tb=∑kbk=0(1,\dots,1)^{\mathsf T} b = \sum_k b_k = 0 — itulah syarat keselarasan diskretnya: sebuah “sebaran panas” pada sebuah cincin dapat diwujudkan oleh sebuah potensial bila dan hanya bila fluks totalnya nol.

20. Jika AA antisetangkup dan SS setangkup, maka

tr⁡(AS)=tr⁡((AS)T)=tr⁡(STAT)=−tr⁡(SA)=−tr⁡(AS),\operatorname{tr}(AS) = \operatorname{tr}\bigl((AS)^{\mathsf T}\bigr) = \operatorname{tr}(S^{\mathsf T}A^{\mathsf T}) = -\operatorname{tr}(SA) = -\operatorname{tr}(AS),

jadi 2tr⁡(AS)=02\operatorname{tr}(AS) = 0 dan (karena char⁡K≠2\operatorname{char} K \neq 2) tr⁡(AS)=0\operatorname{tr}(AS) = 0: yakni An⊆Sn∘\mathcal{A}_n \subseteq \mathcal{S}_n^\circ (dengan menyamakan dualnya dengan matriks). Dimensinya: dim⁡Sn∘=n2−n(n+1)2=n(n−1)2=dim⁡An\dim\mathcal{S}_n^\circ = n^2 - \frac{n(n+1)}2 = \frac{n(n-1)}2 = \dim\mathcal{A}_n, jadi keduanya sama. Dengan bertukar peran (perhitungan yang sama), An∘=Sn\mathcal{A}_n^\circ = \mathcal{S}_n.

21. Berlaku tr⁡(InM)=tr⁡M=0\operatorname{tr}(I_nM) = \operatorname{tr} M = 0 untuk M∈slnM \in \mathfrak{sl}_n: jadi garis KInKI_n berada di anihilatornya, yang berdimensi n2−(n2−1)=1n^2 - (n^2 - 1) = 1, sehingga keduanya sama. Diterjemahkan lewat isomorfisma A↦tr⁡(A ⋅)A \mapsto \operatorname{tr}(A\,\cdot): bentuk yang nol pada sln\mathfrak{sl}_n adalah tr⁡(λIn ⋅)=λtr⁡\operatorname{tr}(\lambda I_n\,\cdot) = \lambda\operatorname{tr}.

22. Misalkan M∈Mn(K)M \in \mathcal{M}_n(K). Polinomial t↦det⁡(M−tI)t \mapsto \det(M - tI) tak nol dan berderajat nn, jadi ia punya paling banyak nn akar; KK berkarakteristik 00, jadi ia tak hingga: pilihlah λ≠0\lambda \neq 0 yang bukan akar. Maka M=(M−λI)+λIM = (M - \lambda I) + \lambda I menuliskan MM sebagai jumlah dua matriks berinvers.

23. Langkah 1: untuk PP berinvers dan XX sembarang, terapkan keawetannya pada M=XPM = XP: t(P(XP)P−1)=t(XP)t(P(XP)P^{-1}) = t(XP), yakni t(PX)=t(XP)t(PX) = t(XP). Langkah 2: tetapkan XX; kedua ruas t(BX)=t(XB)t(BX) = t(XB) linear pada BB dan berimpit pada BB yang berinvers; menurut pertanyaan 22 setiap BB adalah jumlah dua matriks berinvers, jadi keduanya berimpit di mana-mana. Langkah 3: tt menolkan setiap komutator XB−BXXB - BX; komutator merentang sln\mathfrak{sl}_n (ditunjukkan pada bukti Proposisi 2.22), jadi tt nol pada sln\mathfrak{sl}_n dan pertanyaan 21 memberi t=ctr⁡t = c\operatorname{tr}. (Sebaliknya setiap ctr⁡c\operatorname{tr} memang awet terhadap keserupaan: jadi trace adalah satu-satunya invarian linear bagi keserupaan.)

24. Jika rk⁡u=r′≤r\operatorname{rk} u = r' \leq r: ambil basis (f1,…,fr′)(f_1, \dots, f_{r'}) untuk im⁡u\operatorname{im} u lalu tulis u(x)=∑i=1r′ψi(x)fiu(x) = \sum_{i=1}^{r'} \psi_i(x) f_i; tiap koordinat ψi(x)\psi_i(x) pada u(x)u(x) linear dalam xx (susunan uu dengan sebuah bentuk koordinat), jadi uu adalah jumlah r′≤rr' \leq r pemetaan berank ≤1\leq1 (tambahkan nol bila perlu). Sebaliknya, jika u=∑i=1rψi(⋅)fiu = \sum_{i=1}^r \psi_i(\cdot)f_i, maka im⁡u⊆Vect⁡(f1,…,fr)\operatorname{im} u \subseteq \operatorname{Vect}(f_1, \dots, f_r), yakni rk⁡u≤r\operatorname{rk} u \leq r. Sifat subaditifnya: tulis uu dengan rk⁡u\operatorname{rk} u suku dan vv dengan rk⁡v\operatorname{rk} v suku; jumlahnya punya rk⁡u+rk⁡v\operatorname{rk} u + \operatorname{rk} v suku, jadi rk⁡(u+v)≤rk⁡u+rk⁡v\operatorname{rk}(u + v) \leq \operatorname{rk} u + \operatorname{rk} v.

25. Kamusnya: sebuah subruang FF berpadanan dengan F∘F^\circ yang dimensinya melengkapi (Teorema 2.6), lalu kembali lagi lewat bidualitas (pertanyaan 6–7); jumlah bertukar dengan irisan (pertanyaan 8); sebuah pemetaan uu berpadanan dengan uTu^{\mathsf T} yang memenuhi ker⁡uT=(im⁡u)∘\ker u^{\mathsf T} = (\operatorname{im}u)^\circ, im⁡uT=(ker⁡u)∘\operatorname{im}u^{\mathsf T} = (\ker u)^\circ, dengan rank yang sama, keinjektifan dan kesurjektifan yang bertukar, serta subruang stabil dan nilai eigen yang berpadanan (pertanyaan 11–15); persamaan u(x)=bu(x) = b terselesaikan bila dan hanya bila bb ortogonal terhadap ker⁡uT\ker u^{\mathsf T} (pertanyaan 16–19); dan pada Mn\mathcal{M}_n pasangan trace mewujudkan seluruh kamus itu secara konkret, dengan trace sebagai satu-satunya invarian linear bagi keserupaan (pertanyaan 20–23) dan rank sebagai panjang terkecil sebuah penguraian atas tensor elementer (pertanyaan 24). Dalam dimensi tak hingga pencacahan dimensinya gagal dan digantikan oleh hipotesis ketertutupan pada peta serta oleh kelengkapan — pada ruang Hilbert ini menjadi teorema representasi Riesz dan teori Fredholm atas operator kompak, yang dibuktikan secara jujur pada jilid Tahun ke-3.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium