TU Wien:Algebra und Diskrete Mathematik VU (diverse)/Übungen 2025W/Beispiel 473

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Untersuchen Sie, ob W Teilraum des Vektorraums V=ℝ3 über ℝ ist und beschreiben Sie die Menge W geometrisch:

W={(x,y,z)∣x2+y2=1}

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Untervektorraum
Untervektorraum[Bearbeiten, Wikipedia, 3.05 Definition]

Sei ⟨U,+,K⟩ ein Vektorraum, U⊆V heißt Unterraum oder Teilraum, wenn:

  • U≠∅
  • x→,y→∈U⟹x→+y→∈U(U ist abgeschlossen bezüglich U+U)
  • x→∈U,λ∈K⟹λx→∈U(U ist abgeschlossen bezüglich U⋅K)

Lösungsvorschlag

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Kriterium 1 des Unterraumkriteriums, U≠∅, ist erfüllt, da es Vektoren gibt, für die gilt x2+y2=1, wie z. B.

[018]

Es gilt hier die Abgeschlossenheit bzgl. Addition von U+U zu prüfen.

Das zweite Kriterium ist nicht erfüllt, da nicht für jede Addition zweier Vektoren aus U gilt, dass die Summe wieder x2+y2=1 erfüllt. Wir wählen z. B. die folgenden Vektoren und addieren:

[01p]+[5923q]=[5953p+q]

Nun müsste für die Summe der beiden Vektoren gelten x2+y2=1. Dies ist jedoch nicht der Fall, weil 59+259=103≠1: Keine Abgeschlossenheit bzgl. Addition lt. Kriterium 2.

Das dritte Kriterium ist auch nicht erfüllt, weil für jedes Produkt eines Vektors aus U mit einem Skalar λ aus ℝ gelten müsste, dass es wieder die Kondition x2+y2=1 erfüllt (Abgeschlossenheit bzgl. Multiplikation von U⋅K). Dies ist jedoch auch nicht der Fall.

z. B.

[01r]⋅λ=[0λr⋅λ]

Diese Gleichung stimmt nur für λ=1 und nicht für alle Werte des Körpers ℝ. Somit ist auch das dritte Kriterium nicht erfüllt. Es handelt sich bei W also nicht um einen Teilraum des oben genannten Vektorraums.

Geometrische Darstellung

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Shikantaza 19:24, 30. Mai 2009 (CEST)

Vektorraum
Vektorraum[Bearbeiten, Wikipedia, 3.02 Definition]

Sei (V,+) eine abelsche Gruppe und K ein Körper. (V,+,K) heißt Vektorraum, wenn ∀x→,y→∈V,∀λ,μ∈K folgendes gilt:

  1. λ⋅(x→+y→)=λx→+λy→
  2. (λ+μ)⋅x→=λx→+μx
  3. (λ⋅μ)⋅x→=λ⋅(μx→)
  4. 1⋅x→=x→

Untervektorraum

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Sei ⟨V,+,K⟩ ein Vektorraum, U⊆V heißt Unterraum oder Teilraum, wenn:

  • U≠∅
  • x→,y→∈U⟹x→+y→∈U(U ist abgeschlossen bezüglich U+U)
  • x→∈aU,λ∈K⟹λx→∈U(U ist abgeschlossen bezüglich U⋅K)

Lösungsvorschlag von Har203

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--Har203 20:57, 2. Mär. 2026 (CET) Untersuchen Sie, ob W Teilraum des Vektorraums V=ℝ3 über ℝ ist und beschreiben Sie die Menge W geometrisch:

W={(x,y,z)∣x2+y2=1}


Anmerkung: W={(x,y,z)∣x2+y2=1}:x2+y2=1. D.h. in der x,y-Ebene handelt es sich um einen Kreis, um den Einheitskreis in der Ebene. Da z∈ℝ beliebig ist, entsteht ein leeres Rohr mit dem Radius r2=1, welches genau um die z-Achse als Mittelpunkt entsteht.


Anmerkung: Der kürzeste Gegenbeweis ist wohl: 0→=(0,0,0)⟹02+02=0≠1⟹0→∉W⟹W ist kein Untervektorraum von ℝ3.


Nicht leer:

  • W≠∅, da b1→=(1,0,0) mit x12+x22=1⟹b1→∈W.


Abgeschlossen bezüglich Addition:

  • Seien x→=(x1,x2,x3),y→=(y1,y2,y3)∈W⟹x→+y→=(x1,x2,x3)+(y1,y2,y3)=(x1+y1,x2+y2,x3+y3) mit
x12+x22=1∧y12+y22=1,x3,y3∈ℝ⟹(x1+y1)2+(x2+y2)2=x12+2⋅x1⋅y1+y12+x22+2⋅x2⋅y2+y22=(x12+x22)+(y12+y22)+2⋅(x1⋅y1+x2⋅y2)=1+1+2⋅(x1⋅y1+x2⋅y2).
⟹1+1+2⋅(x1⋅y1+x2⋅y2) müsste den Wert 1 annehmen:
Gegenbeispiel: (1,0,0)+(0,1,0)=(1,1,0)⟹12+02=1,02+12=1, beide ∈W und für die Summe gilt 12+12=2∉W.


Daher ist W={(x,y,z)∣x2+y2=1} bezüglich der Addition nicht abgeschlossen.


Abgeschlossen bezüglich der Skalarmultiplikation:

  • Seien x→=(x1,x2,x3)∈W,λ∈ℝ.
λ⋅x→=λ⋅(x1,x2,x3)=(λ⋅x1,λ⋅x2,λ⋅x3) mit x12+x22=1⟹(λ⋅x1)2+(λ⋅x2)2=(λ)2⋅x12+(λ)2⋅x22=(λ2)⋅(x12+x22)=(λ2)⋅1=λ2.
Gegenbeispiel: x→=(cos⁡(π/4),sin⁡(π/4),0)=((1/2)⋅2,(1/2)⋅2,0). Weiters sei λ=2⟹.
λ⋅x→=(λ⋅cos⁡(π/4),λ⋅sin⁡(π/4),0)=(λ⋅(1/2)⋅2,λ⋅(1/2)⋅2,0)⟹((λ⋅x1)2+(λ⋅x2)2=λ2⋅(x12+x22)=λ2⋅1=λ2=4⟹λ⋅x→∉W.


Daher ist W={(x,y,z)∣x2+y2=1} bezüglich der Skalarmultiplikation ebenfalls nicht abgeschlossen.


Geometrische Interpretation: x12+x22=r2 ist in der Ebene bekanntlich ein Kreis mit dem Radius r. Im Raum ist x12+x22=r2 ein Kreis in der xy-Ebene. Da der Radius r=1 ist, beschreibt diese vorab einmal den Einheitskreis (ohne Berücksichtigung der z-Achse). Weiters ist die z-Koordinate x3∈ℝ beliebig, also wird aus dem Kreis ein Hohlzylinder, mit einem Radius von 1 und dem Mittelpunkt des Zylinders der z-Achse.


Gesamtergebnis: W={(x,y,z)∣x2+y2=1}. ⟨W,+,.⟩ ist kein Unterraum des ℝ3 über ℝ. Die Menge W ist zwar nicht leer (W≠∅), aber weder die Addition, noch die Skalarmultiplikation sind abgeschlossen. ◼.

Wikipedia:

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