Poznámky z lineární algebry u Fialy v zimním semestru 23/24

Grupy

Definice: Binární operace

Binární operace na množině X je zobrazení X×X→X

Třeba + na ℝ , : 1 na ℝ\0 .

Definice: Grupa

Grupa je uspořádaná dvojice (G,∘) je nějaká grupa na neprázdné množině G s binární operací ∘ pro kterou platí:

Komultativita∀a,b,c∈G:(a∘b)∘c=a∘(b∘c)
Neutrální prvek∃e∈G:∀a∈G:a∘e=e∘a=a
Inverzní prvek∀a∈G:∃b∈G:a∘b=b∘a=e

Grupa musí být neprázdná protože v prázdné grupě neexistuje neutrální prvek.

Definice: Abelovská grupa

Grupa pro kterou navíc platí: ∀a,b∈G:a∘b=b∘a

Definice: Aditivní grupy

(G,∘) kde ∘ je odvozeno od sčítání

může se zavést operace rozdíl jako a−b=a+(−b) . Tohle není formální definice. Je to spíš vibe.

Definice: Multiplikativní grupy

(G,∘) kde ∘ je odvozeno od násobení

může se zavést operace podíl jako a:b=a·b−1 . Tohle není formální definice. Je to spíš vibe.

Vlastnosti grup

Pozorování

neutrální prvek je jednoznačný

Důkaz

Pokud by existovali 2 neutrální prvky e , e′ , pak e=e∘e′=e′

Pozorování

každé a jednoznačně určuje svůj inverzní prvek a−1

Důkaz

Pokud by b , b′ byly oba inverze a , pak:

b=b∘e=b∘a∘b′⏟a∘b′=e=b∘a⏟b∘a=e∘b′=e∘b′=b′

(b=a−1=b′ je špatně protože nevíme jestli a−1 je jednoznačně určené)

Pozorování

a=b⇔a∘c=b∘c⇔c∘a=c∘b

Důkaz

a=b⇒a∘c=b∘c (a můžu zaměnit za b protože se rovnají)

a∘c=b∘c⇒a=b : a=a∘e=a∘c∘c−1=b∘c∘c−1=b∘e=b

Pozorování

Rovnice a∘x=b a x∘a=b mají obě jednoznačné řešení v závislosti na a a b

Důkaz

x=e∘x=a−1∘a∘x=a−1∘b

Pozorování

(a−1)−1=a

Důkaz

(a−1)−1∘e=(a−1)−1∘a−1∘a=e∘a=a (takové schody dolů)

Pozorování

(a∘b)−1=b−1∘a−1

Důkaz

pokud b−1∘a−1=(a∘b)−1 pak (b−1∘a−1)∘(a∘b)=e což platí: (b−1∘a−1)∘(a∘b)=b−1∘e∘b=b−1∘b=e .

Pozorování

a≠b⇒a−1≠b−1

Důkaz

a≠b

e∘a≠b∘e

b∘b−1∘a≠b∘a−1∘a

b−1∘(b∘b−1∘a)∘a−1≠b−1∘(b∘a−1∘a)∘a−1

e∘b−1∘e≠e∘a−1∘e

b−1≠a−1

Permutace

Syntactic sugar: [n]:={1,2,…,n}

Definice: Permutace

Permutace na množině [n] je bijektivní zobrazení p:[n]→[n]

Zápis pomocí:

Definice: Symetrická grupa

Množina Sn všech permutací na n prvcích s operací ∘ (skládání permutací) tvoří symetrickou grupu (Sn,∘) .

(q∘p)(i)=q(p(i))

Důkaz
Pozorování

q∘p je stále permutace

Důkaz

q∘p je prosté: i≠j⇒p(i)≠p(j)⇒q(p(i))≠q(p(j))

q∘p je na: (∀i∃j:p(j)=i)∧(∀j∃k:q(k)=j)⇒(∀i∃k:q(p(k))=i

Skládání je asociativní: ((r∘p)∘q)(i)=r(p(q(i)))=(r∘(p∘q))(i)

Neutrální prvek e je identita: ∀i:e(i)=i

Inverzní prvek: p(i)=j⇔p−1(j)=i

Vlastnosti permutací

Definice: Pevný bod

i kde p(i)=i

Definice: Transpozice

Identita ale má jeden cyklus délky 2

Důkaz

Každou permutaci lze rozložit na transpozice. Búno cyklus (zápis cyklem): (1,2,…,k) = (1,k)∘(1,2,…,k−1) = (1,k)∘(1,k−1)∘…∘(1,2)

Podobný jako slepování ekvivalentních úprav u matic :eyes:

Definice: Inverze

dvojice prvků (i,j):(i<j)∧(p(i)>p(j))

Definice: Znaménko permutace

p je sgn(p)=(−1)#inverzíp

Permutace s kladným znaménkem jsou sudé, se záporným liché

Pozorování

Každá transpozice má záporné znaménko.

Důkaz

Identita má znaménko 1 . Transpozice přidá 1 cyklus takže 1 inverzi která může křížit jiné šipky ale počet těchto křížení je vždy sudý.

Pozorování

Znaménko složené permutace

Pro libovolné p,q∈Sn:sgn(q∘p)=sgn(p)·sgn(q)

Důkaz
prvky i , jmají inverzi v pnemají inverzi v p
mají inverzi v q+0 (vyruší se!)+1
nemají inverzi v q+1+0

takže

#inverzí(p∘q)=#inverzí(p)+#inverzí(q) −2|{(i,j):mají inverzi vpiq}|

kde ta množina je formálně zapsaná jako:

{(i,j):(i<j)∧(p(i)>p(j))∧(q(i)>q(j))}

Pozorování

sgn(p−1)=sgn(p)

Důkaz

sgn(p)·sgn(p−1)=sgn(p∘p−1)=sgn(id)=1

Pozorování

sgn(p)=(−1)#transpozic libovolného rozhladupna transpozice

Důkaz

duh

Pozorování

sgn(p)=(−1)#sudých cyklůp

Důkaz

∏ přes rozklad na transpozice.

Liché cykly se rozloží na sudý počet transpozic které přispějí 1

Sudé cykly se rozloží na lichý počet transpozic které přispějí −1

Tělesa

Definice: Těleso

je množina T a 2 operace + a · , kde (T,+) a (T\0,·) jsou Abelovské grupy2 a navíc ∀a,b,c∈T:a·(b+c)=(a·b)+(a·c)

rozepsaných 9 axiomů:

Komultativita∀a,b∈T:a+b=b+a
Neutrální prvek∃0∈T:∀a∈T:a+0=a
Inverzní prvek∀a∈T:∃−a∈T:a+(−a)=0
Asociativita∀a,b,c∈T:(a+b)+c=a+(b+c)
Komultativita∀a,b∈T:a·b=b·a (Včetně 0!)
Neutrální prvek∃1∈T\0:∀a∈T\0:a·1=a (→1≠0 !)
Inverzní prvek∀a∈T\0:∃a−1∈T\0:a·a−1=1
Asociativita∀a,b,c∈T\0:(a·b)·c=a·(b·c)
Roznásobování∀a,b,c∈T:a·(b+c)=(a·b)+(a·c)

Příklady

(ℚ,+,·) , (ℝ,+,·) , (ℂ,+,·) , ℤp zbytkové třídy modulo prvočíslo p jsou tělesa

Pozorování

0a=0

Důkaz

Operace z grupy (T\0,*) nedefinuje chování pro násobení nulou. Můžeme si ale všimnout že:

0a=0a+0=0a+(0a−0a)=0a+0a−0a =(0+0)a−0a =0a−0a=0

Pozorování

(−1)a=−a

Důkaz

(−1)a=(−1)a+0=(−1)a+a+(−a) =(−1)a+(1)a+(−a) =(−1+1)a+(−a) =0a+(−a)=−a

Pozorování

ab=0⇒a=0∨b=0

Důkaz

Sporem: kdyby a≠0∧b≠0∧ab=0 tak EEa−1,b−1 1=aa−1bb−1=(ab)(a−1b−1)=0(a−1b−1)=0 ↯

Pozorování

ℤp je těleso právě když p∈bbbP

Důkaz

⇒ : Kdyby p mělo rozklad p=ab , pak ab=0(modp) kde a≠0∧b≠0 což je spor s předchozím pozorováním.

⇐ : Většina plyne z vlastností + a * na ℤ . Netriviální je existence inverzního prvku pro násobení a−1 :

∀a∈{1,…,p−1}:∃a−1∈{1,…,p−1}:aa−1≡1(modp)

Budiž násobící funkce fa:{1,…,p−1}→{1,…,p−1} t.ž. fa(x)≡axmodp

fa zobrazuje konečnou množinu samu na sebe
∴ fa je prostá ⇔ fa je na.

Pro spor fa není prostá, pak ∃b,c búno b<c t.ž. fa(b)=fa(c)⇒0=fa(b)−fa(c)≡ab−ac=a(b−c)(modp)

0=a(b−c)(modp) ale a,b,c∈{1,…,p−1} takže b−c=0 takže b=c ↯

Hledané a−1 splňuje fa(a−1)=1 a jelikož fa je na, musí existovat prvek který se zobrazí na 1 .

Charakteristika tělesa

Definice: Charakteristika tělesa

V tělese T pokud ∃n∈ℕ:1+1+1+…+1⏟n=0 pak n je charakteristika tělesa. Jinak je 0 . Značí se char(T)

Pozorování

char(T)∈0∪prvočísla

Důkaz

Sporem: pokud by char(T)=ab pak 0=1+…+1⏟char(T)=(1+…+1)⏟a·(1+…+1)⏟b≠0

protože 1+…+1⏟a≠0 a zároveň 1+…+1⏟b≠0

Pozorování

Pro tělesa T:char(T)=0:∀a∈T:a=a−1

Důkaz

1+1=0⇒−1=1⇒−a=a⇒a−b=a+b

Malá Fermatova věta

Definice: Malá Fermatova věta

Pro p∈𝐛P a každé a∈[p−1]:ap−1≡1(modp)

Důkaz

V ℤp nechť

∏x=1p−1x

fa(x):[p−1]→[p−1] t.ž. fa(x)=ax(modp) je bijekce (Viz důkaz o ℤp ) a · je v tělesech komultativní. Takže můžeme zapsat jako

∏x=1p−1fa(x)

Inline

∏x=1p−1ax

Vytkneme společný člen a před ∏ (je tam p−1 krát)

ap−1∏x=1p−1x

takže

∏x=1p−1x=ap−1∏x=1p−1x

Škrt ∏ !

1=ap−1

Důsledek

V ℤp s prvočíslem p platí ∀a:ap=a

Vektorové prostory

Definice: Vektorový prostor

Vektorový prostor (V,+,·) nad tělesem (T,+,·) je množina V spolu s binární operací + a binární operací skalárního násobku ·:T×V→V , kde platí:

:tada:(V,+) je Abelovská grupa
Komultativita binární operace∀a,b∈T,𝐯∈V:(a·b)·𝐯=a·(b·𝐯)
Neutralita binární operace∀𝐯∈V:1·𝐯=𝐯
Roznásobování závorky vektorem∀a,b∈T,∀𝐯∈V:(a+b)·𝐯=(a·𝐯)+(b·𝐯)
Roznásobování závorky skalárem∀a∈T,∀𝐮,𝐯∈V:a·(𝐮+𝐯)=(a·𝐮)+(a·𝐯)

Prvky T se nazývají skaláry. Prvky V se nazývají vektory a jsou tučně (𝐯 ).

Rozepsané axiomy:

  1. Asociativita v grupách (T,+) , (T,·) , (V,+)
  2. Komultativita v grupách (T,+) , (T,·) , (V,+)
  3. Neutralní prvek v grupách (T,+) , (T,·) , (V,+)
  4. Inverzní prvek v grupách (T,+) , (T,·) , (V,+)
  5. Roznásobování závorek tělesa (T,+,·)
  6. Komultativní prvek v ·:T×V→V
  7. Neutrální prvek v ·:T×V→V
  8. Roznásobování závorky skalárů vektorem
  9. Roznásobování závorky vektorů skalárem
Pozorování

0·𝐯=a·𝟎=𝟎

Důkaz

0*𝐯=0𝐯+𝟎=0𝐯+0𝐯−0𝐯⏞𝐯−𝐯=𝟎=(0+0)𝐯−0𝐯=0𝐯−0𝐯=𝟎 a*𝟎=a𝟎+𝟎=a𝟎+a𝟎−a𝟎=a(𝟎+𝟎)−a𝟎=a𝟎−a𝟎=𝟎

Pozorování

∀v∈V:(−1)v=−v

Důkaz

(−1)v+v=(−1)v+(1)v=(−1+1)v=0v=0
∴(−1)v=−v

Pozorování

a𝐯=𝟎⇒a=0∨𝐯=𝟎

Důkaz

pokud a≠0 pak 𝐯=1𝐯=a−1a𝐯=a−1𝟎=𝟎

jinak a=0 a splněno.

Pozorování

a𝐱=𝐯⇔𝐱=a−1𝐯

(domácí, není v prezentaci)

Důkaz

a𝐱=𝐯⇒𝐱=a−1𝐯 : 𝐱=1𝐱=(a−1a)𝐱=a−1a𝐱=a−1𝐯

𝐱=a−1𝐯⇒a𝐱=𝐯 : 𝐯=1𝐯=(aa−1)𝐯=aa−1𝐯=a𝐱

Definice: Podprostor

Budiž vektorový prostor V nad tělesem T , pak podprostor U je neprázdná podmnožina V splňující:

Příklady:

Pozorování

Jakýkoliv podprostor je také vektorový prostor.

Důkaz

Axiomy plynou z uzavřenosti: 𝟎=0𝐯∈U a také −v=(−1)v∈U . Ostatní axiomy platí již na V .

Průnik podprostorů

Pozorování

Nechť (Ui,i∈I) je libovolný systém podprostorů prostoru V . Průnik tohoto systému ⋂i∈IUi je také podprostor V .

Důkaz

Nechť W=⋂i∈IUi . W je uzavřen na + a * .

∀𝐮,𝐯∈W: 𝐮,𝐯∈W⇒∀i∈I:𝐮,𝐯∈Ui⇒∀i∈I:𝐮+𝐯∈Ui⇒𝐮+𝐯∈W

∀t∈T,𝐯∈W: 𝐯∈W⇒∀i∈I:𝐯∈Ui⇒AAi∈I:t𝐯∈Ui⇒t𝐯∈W

I když I=∅ tak W=⋂i∈IUi=V (protože prázdný průnik je roven celku)

Podprostor generovaný množinou

Definice: Generovaný podprostor

Podprostor prostoru V generovaný množinou M je průnik všech podprostorů U z V , které obsahují M . Značí se span(M) .

Formálně span(M)=⋂{U:M⊆U,Uje podprostorV}

(Nazývá se též lineární obal M a může se značit ccL(M) )

Ukázky:

Pro V=ℝ3 , span({(2,2,2)T})={(a,a,a)T,a∈ℝ}

(2,2,2)T je obsažen v podprostoru přímky protínající počátek a tento bod a v množině rovin které protínají počátek a tento bod. Průnik přes všechny tyto podprostory pak tvoří tu přímku.

span({(1,0,0)T,(0,1,0)T})={(a,b,0)T|a,b∈ℝ}

Žádný přímka-podprostor neprotíná tyhle 2 body a zároveň počátek

Definice: Lineární kombinace

Lineární kombinace vektorů 𝐯1,𝐯2,…,𝐯n∈V nad T je {a1𝐯1,a2𝐯2,…,an𝐯n|a1,a2,…,an∈T}

Pozorování

Budiž vektorový prostor V nad tělesem T a M podmnožina V . Pak span(M) je množina všech lineárních kombinací vektorů z M .

Důkaz

Nechť W1=⋂M⊆Ui⊆VUi W2={∑i=0kai𝐯i:k∈ℕ,ai∈T,𝐯i∈M}

Chceme dokázat že W1=span(M)=W2

W2 je podprostor protože je uzavřen na skalární násobky:

𝐮∈W2:∑i=0kai𝐯i⇒t𝐮=t∑i=0kai𝐯=∑i=0k(tai)𝐯⇒t𝐮∈W2

I na součty:

𝐭+𝐮=∑i=0kai𝐯ti+∑i=0kbi𝐯ui

𝐭 může být vyjádřen oproti jiným vektorům 𝐯i než 𝐮 takže

=∑j=0|𝐯t∪𝐯u|(aj+bj)(𝐯t∪𝐯u)j⇒𝐮+𝐯∈W2

Některá aj a bj mohou být nulová pokud původně nebyla vyjádřena oproti tomuto vektoru (𝐯t∪𝐯u)j

Protože M⊆W2⊆V (z definice W2 když ai=1 ), W2 je jeden z Ui v W1 . Tudíž W1⊆W2 protože průniky s ostatníma Ui se W1 může jenom zmenšit.

Každý Ui obsahuje M a je uzavřen na sčítání a skalární násobky. Tudíž každý Ui obsahuje všechny lineární kombinace vektorů M . Proto ∀Ui:W2⊆Ui⇒W2⊆W1

∴W1=W2

Prostory určené maticí A∈Tmxxn

Definice: Jádro

Jádro matice A je množina řešení Ax=0 . Značí se ker(A)

ker(A)={x:Ax=0}

Definice: Sloupcový prostor

Podprostor Tm generovaný sloupci A

{𝐮∈Tm:𝐮=A𝐜,𝐜∈Tn}

(𝐜 jsou všechny možné koeficienty lineárních kombinací)

Definice: Řádkový prostor

Podprostor Tn generovaný řádky A

{𝐯∈Tn:𝐯=A−1𝐝,𝐝∈Tm}

(𝐝 jsou všechny možné koeficienty lineárních kombinací)

Pozorování

Jádro ker(A) je podprostor Tn

Důkaz
Pozorování

Elementární úpravy nemění jádro ani řádkový prostor

Pozorování

Každé 𝐯 z řádkového prostoru a 𝐱 z járda splňují 𝐯T𝐱=0

Důkaz

Zvolíme vhodné 𝐝∈Tm , aby 𝐯=AT𝐝 , pak: 𝐯T𝐱=(AT𝐝)T𝐱=𝐝TA𝐱=𝐝T𝟎=0

(mega random lol)

Lineární nezávislost

Definice: Lineární nezávislost

Množina vektorů B je lineárně nezávislá pokud pro každou n -tici vektorů 𝐯1,𝐯2,…,𝐯n∈B platí že ∑i=1nai𝐯1=𝟎 má pouze triviální řešení a1=a2=…=an=0

Jinak je množina B lineárně závislá.

Pozorování

Pokud jsou 𝐯1,𝐯2,…,𝐯n lineárně závislé pak ∑i=1nai𝐯1=𝟎 kde nějaké ai≠0 . Lze tedy vyjádřit odpovídající 𝐯i jako 𝐯i=∑j≠i−ajai𝐯j

Příklady

Pozorování

Upper bound na nezávislou množinu je velikost množiny která generuje celý vektorový prostor

Důkaz

adsfdsajkflhdsajkflhdsajklfhdsajkflhdsjakl

Steinitzova věta o výměně

Nechť ve vektorovém prostoru V : B je lineárně nezávislá, C je generátor. Já můžu zobat z C prvky do B dokud se z B nestane taky generátor.

Aplikace

Počet sudých podgrafů

lol

Množinové systémy s omezením velikostí

Množinový systém je docela random věc o které nic neřekl.

Chceme najít k podmnožin které mají všechny lichou velikost ale zároveň průnik jakékoliv dvojice má sudou velikost.

Dělení obdélníků

wow


  1. dělení↩︎

  2. (T\0,·) je Abelovská grupa s benefity. Definuje komultativitu včetně 0 , která v této grupě normálně vůbec neexistuje.↩︎