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authorUlli Kehrle <ulli.kehrle@rwth-aachen.de>2017-12-28 00:29:50 +0100
committerUlli Kehrle <ulli.kehrle@rwth-aachen.de>2017-12-28 00:29:50 +0100
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+++ b/ch01-lineare-struktur.tex
@@ -1,12 +1,18 @@
\chapter{Die lineare Struktur}
+\label{cha:die-lineare-struktur}
+\index{Struktur!lineare}
\section{Der lineare Raum}
+\label{sec:der-lineare-raum}
Sei im Folgenden stets $\K = ℝ$ oder $\K = ℂ$. Zunächst die
-\begin{definition}[Vektorraum]
+\begin{definition}[Vektorraum, linearer Raum]
+ \label{defi:vektorraum-1.1.1}
+ \index{Raum!linearer}
+ \index{Vektorraum}
Sei $\K$ ein Körper. Eine Abelsche Gruppe $(X,+)$ zusammen mit einer Abbildung
\[
\cdot : \K × X → X
\]
- heißt $\K$-Vektorraum, falls für alle $\alpha , β ∈ \K$ und $x, y ∈ X$ gilt:
+ heißt $\K$-\emph{Vektorraum} oder \emph{linearer Raum}, falls für alle $\alpha , β ∈ \K$ und $x, y ∈ X$ gilt:
\begin{enumerate}[label=(V\arabic*)]
\item $\alpha x+y) = \alpha x + βy$
\item $(\alpha +β)x = \alpha x + βx$
@@ -14,35 +20,34 @@ Sei im Folgenden stets $\K = ℝ$ oder $\K = ℂ$. Zunächst die
\item $1 \cdot x = x$
\end{enumerate}
\end{definition}
-
\begin{bemerkung-nn}
Je nachdem, ob $\K = ℂ$ oder $\K = ℝ$ gilt, heißt $X$ ein \emph{komplexer} oder ein \emph{reeller} Vektorraum.
\end{bemerkung-nn}
-
\begin{bemerkung-nn}
+ \index{Raum!linearer Teil-}
Eine nichtleere Teilmenge $Y ⊂ X$ ist bereits dann ein linearer Raum, falls aus $\alpha , β ∈ \K$, $x, y ∈ Y$ bereits $\alpha x + βy ∈ Y$ folgt, also $Y$ abgeschlossen unter den Vektorraumoperationen ist.
$Y$ heißt dann \emph{linearer Teilraum} oder auch \emph{linearer Unterraum}.
\end{bemerkung-nn}
-
\begin{bemerkung-nn}
+ \index{Aufspann}
Zu jeder Teilmenge $M ⊂ X$ bildet die Menge aller Linearkombinationen von je endlich vieler Elemente einen linearen Teilraum von $X$.
Dieser heißt die \emph{lineare Hülle} von $M$ oder der \emph{Aufspann} von $M$
\[
\lspan M = \left\{ x ∈ X: ∃ l ∈ ℕ, \alpha _1,…,\alpha _l ∈ \K, m_1,…,m_l ∈ M \text{ mit } \sum_{i=1}^l \alpha _i m_i = x \right\}.
\]
\end{bemerkung-nn}
-
\begin{bemerkung-nn}
+ \index{Basis!Hamel-}
$M = \{x_\lambda \}_{\lambda ∈ \Lambda } ⊂ X$ heißt \emph{Basis} oder \emph{Hamel-Basis} von $X$, falls $M$ \emph{linear unabhängig}, das heißt,
$0 ∈ X$ lässt sich nur auf triviale Art und Weise als Linearkombination endlich vieler der $x_\lambda $ schreiben, und $\lspan M = X$ ist.
\end{bemerkung-nn}
-
\begin{bemerkung-nn}
+ \index{Dimension}
Besitzt $X$ eine Basis von $n < \infty $ Elementen, dann heißt $n$ die \emph{Dimension} von $X$ und wir schreiben $\dim X = n$.
Andernfalls heißt $X$ \emph{unendlich-dimensional} ($\dim X = \infty $).
\end{bemerkung-nn}
-
\begin{bemerkung-nn}
+ \index{Summe}
Seien $X_1, X_2 ⊂ X$ lineare Teilräume. Dann ist
\[
X_1 + X_2 \coloneq \left\{ \alpha x_1 + βx_2: \alpha , β ∈ \K, x_1 ∈ X_1, x_2 ∈ X_2 \right\}
@@ -50,22 +55,24 @@ Sei im Folgenden stets $\K = ℝ$ oder $\K = ℂ$. Zunächst die
ebenfalls ein linearer Teilraum.
Falls $X_1 ∩ X_2 = \{ 0\}$, schreiben wir $X_1 \oplus X_2$ und nennen die Summe \emph{direkt}.
\end{bemerkung-nn}
-
\begin{bemerkung-nn}
+ \index{Raum!Quotienten-}
Sei $Y$ ein linearer Teilraum von $X$. Definiere die Äquivalenzrelation $\sim$ auf $X$ durch
$x \sim y \Leftrightarrow x - y ∈ Y$.
Dann wird die Menge der Äquivalenzklassen mit vertreterweiser Addition und Multiplikation auch ein $\K$-Vektorraum.
Wir schreiben für diesen Vektorraum $X/Y$.
\end{bemerkung-nn}
-
-\begin{satz}\label{01-vr-besitzt-basis}
+\begin{satz}
+ \label{satz:vr-besitzt-basis-1.1.2}
Jeder lineare Raum besitzt eine (Hamel-)Basis.
\end{satz}
\begin{proof}
- Folgt unmittelbar aus \cref{01-basisergaenzungssatz}.
+ Folgt unmittelbar aus \cref{satz:basisergaenzungssatz-1.1.3}.
\end{proof}
-\begin{satz}[Basisergänzungssatz]\label{01-basisergaenzungssatz}
+\begin{satz}[Basisergänzungssatz]
+ \index{Satz!Basisergänzungs-}
+ \label{satz:basisergaenzungssatz-1.1.3}
Sei $M ⊂ X$ eine linear unabhängige Teilmenge.
Dann gibt es eine Basis $B$ von $X$ mit $M ⊂ B$.
\end{satz}
@@ -79,6 +86,8 @@ Sei im Folgenden stets $\K = ℝ$ oder $\K = ℂ$. Zunächst die
\end{proof}
\section{Beispiele}
+\label{sec:beispiele}
+\index{$ℝ^n$}
\begin{beispiel}
Der $ℝ^n$ ist ein linearer Raum über dem Körper $ℝ$. Der $ℂ^n$ ist sowohl ein $ℂ$- als auch ein $ℝ$-Vektorraum.
\end{beispiel}
@@ -94,6 +103,7 @@ Sei im Folgenden stets $\K = ℝ$ oder $\K = ℂ$. Zunächst die
\end{beispiel}
\begin{beispiel}[Folgenräume]
+ \index{$\ell^p$}
Es ist
\[
\ell^p = \{ x = (ξ_n)_{n ∈ ℕ} : ξ_n ∈ \K, \sum_{n=1}^∞ |ξ_n|^p < ∞ \}
@@ -114,8 +124,8 @@ Sei im Folgenden stets $\K = ℝ$ oder $\K = ℂ$. Zunächst die
c_0 = \left\{ (ξ_n)_{n ∈ ℕ} ∈ \ell^∞: \lim_{n → ∞} ξ_n = 0 \right\}.
\]
\end{beispiel}
-
-\begin{beispiel}[Lebesgue-integrierbare Funktionen]
+\begin{beispiel}[Lebesgue-integrierbare Funktionen] \index{$L^p$}
+ \index{Funktion!Lebesgue-integrierbar}
Sei $M ⊂ ℝ$ messbar und $0 < p < ∞$.
Dann ist
\[
@@ -130,7 +140,11 @@ Sei im Folgenden stets $\K = ℝ$ oder $\K = ℂ$. Zunächst die
\end{beispiel}
\section{Lineare Abbildungen}
-\begin{definition}
+\label{sec:lineare-abbildungen}
+\begin{definition}[Lineare Abbildung]
+ \index{Funktion!linear}
+ \index{Abbildung!linear}
+ \label{defi-lineare-abbildung-1.3.1}
Seien $X, Y$ lineare Räume über $\K$. $A: X → Y$ heißt \emph{linear}, falls für alle $x_1, x_2 ∈ X$ und $\alpha , β ∈ \K$ gilt:
\[
A(\alpha x_1 + βx_2) = \alpha A(x_1) + βA(x_2).
@@ -138,8 +152,8 @@ Sei im Folgenden stets $\K = ℝ$ oder $\K = ℂ$. Zunächst die
$A: X → \K$ heißt \emph{lineares Funktional}.
Für $A$ linear heißt $R(A) = \im A = \{A(x): x ∈ X\}$ der \emph{Bildraum} von $A$ und $N(A) = \ker A = \{ x ∈ X: A(x) = 0\}$ der \emph{Kern} von $A$.
\end{definition}
-
\begin{bemerkung}
+ \label{bem:lineare-abb-eigenschaften-1.3.2}
Sei $A: X → Y$ linear.
\begin{enumerate}
\item Sei $M ⊂ X $ ein linearer Unterraum. Dann ist $A(M) ⊂ Y$ wieder ein linearer Unterraum und es gilt $\dim A(M) \le \dim M$ mit Gleichheit bei Injektivität.
@@ -156,6 +170,7 @@ Sei im Folgenden stets $\K = ℝ$ oder $\K = ℂ$. Zunächst die
\item
$A: X → Y$ ist linear und bijektiv genau dann, wenn es eine lineare Umkehrabbildung $A^{-1}: Y → X$ gibt.
\item
+ \index{isomorph!linear}
Falls so ein $A: X → Y$ linear und bijektiv existiert, nennen wir $X$ und $Y$ \emph{linear isomorph.}
$A$ heißt dann ein \emph{linearer Isomorphismus}.
@@ -222,6 +237,7 @@ Sei im Folgenden stets $\K = ℝ$ oder $\K = ℂ$. Zunächst die
\end{beispiel-nn}
\section{Duale Räume}
+\label{sec:duale-raume}
$A: X → \K$ sei ein lineares Funktional, $X$ ein linearer Raum. Wir verwenden ein neues Symbol (statt $A$)
\[
x': X → \K = \begin{cases} ℝ \\ ℂ \end{cases} \text{ linear}.
@@ -246,12 +262,16 @@ So ist
\langle -,- \rangle_{X×X^f}: X × X^f → \K
\]
bilinear.
-\begin{definition}
+\begin{definition}[Algebraischer Dualraum, Algebraischer Bidualraum]
+ \index{Raum!algebraischer Dual-}
+ \index{Raum!algebraischer Bidual-}
+ \label{defi:alg-dualraum-bidualraum-1.4.1}
$X^f$ heißt der \emph{algebraische Dualraum} zu $X$.
$X^{ff} \coloneq (X^f)^f$ heißt der \emph{biduale Raum} zu $X$.
\end{definition}
-
\begin{beispiel-nn}
+ \index{$J$}
+ \index{Abbildung!kanonische}
$X^{ff}$ liefert die kanonische Abbildung
\[
J: X → X^{ff}, \; x ↦ J(x) = x''
@@ -262,12 +282,13 @@ bilinear.
\]
Damit ist $x'': X^f → \K$ linear wohldefiniert.
\end{beispiel-nn}
-
-\begin{definition}
+\begin{definition}[algebraisch reflexiv]
+ \index{algebraisch reflexiv}
+ \label{defi:alg-reflexiv-1.4.2}
Der lineare Raum $X$ heißt \emph{algebraisch reflexiv}, falls $J$ bijektiv ist (und damit $X$ linear isomorph zu $X^{ff}$) ist.
\end{definition}
-
\begin{bemerkung}
+ \label{bem:X-alg-reflexiv-gdw-dim-endlich-1.4.3}
$X$ ist genau dann algebraisch reflexiv, wenn $\dim X < \infty $ ist.
Im Fall $\dim X < \infty $ lässt sich leicht eine duale Basis angeben:
@@ -282,6 +303,8 @@ bilinear.
\end{bemerkung}
\begin{definition}[Dualraum]
+ \index{Raum!Dual-}
+ \label{defi:dualraum-1.4.4}
Zu einem linearen Raum $X$ ist
\[
X' \coloneq \left\{ x' : X → \K, x' \text{ linear und stetig} \right\} ⊂ X^f