algebra slides

129
1 Sissejuhatus ahtsamadt¨ahistused N - k˜oigi naturaalarvude hulk Z -k˜oigit¨aisarvudehulk Q - k˜oigi ratsionaalarvude hulk R - k˜oigi reaalarvude hulk R * - k˜oigi nullist erinevate reaalarvude hulk Q + - k˜oigi positiivsete ratsionaalarvude hulk

Upload: matvei-miroshnikov

Post on 10-Oct-2014

341 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Algebra Slides

1 Sissejuhatus

Tahtsamad tahistused

N - koigi naturaalarvude hulk

Z - koigi taisarvude hulk

Q - koigi ratsionaalarvude hulk

R - koigi reaalarvude hulk

R∗ - koigi nullist erinevate reaalarvude hulk

Q+ - koigi positiivsete ratsionaalarvude hulk

Page 2: Algebra Slides

SeegaR∗ = {x |x ∈ R, x 6= 0} = {x ∈ R |x 6= 0}Q+ = {x |x ∈ Q, x > 0} = {x ∈ Q |x > 0}

∅ - tuhi hulk

P(A) - hulga A koigi alamhulkade hulk

AB - koigi kujutuste hulk hulgast B hulka A

AB = {f | f : B → A}

AA - koigi teisenduste hulk hulgal A

Page 3: Algebra Slides

A×B - hulkade A ja B otsekorrutis

A2 = A×A

A×B = {(a, b) | a ∈ A, b ∈ B}

(a, b) - jarjestatud paar

A1 × · · · ×An - hulkade A1, . . . , An otsekorrutis.

A1 × · · · ×An = {(a1, . . . , an) | a1 ∈ A1, . . . , an ∈ An}An = A× · · · ×A - hulga A n-s otseaste

An = {(a1, . . . , an) | a1 ∈ A1, . . . , an ∈ An}(a1, . . . , an) - (loplik) jada, korteez, jarjend

Page 4: Algebra Slides

2 Algebralised pohistruktuurid

2.1 Algebraline tehe

Definitsioon 2.1.1. n-aarseks algebraliseks tehteks hulgal A

nimetatakse mistahes kujutust hulgast An hulka A.

n = 2 - binaarne tehe

n = 1 - unaarne tehe

n = 0 - nullaarne tehe

Definitsioon 2.1.2. Algebraliseks struktuuriks nimetataksemittetuhja hulka koos temal defineeritud algebraliste tehetega.

Page 5: Algebra Slides

2.2 Ruhmoid

Definitsioon 2.2.1. Uhe binaarse tehtega algebralist struktuurinimetatakse ruhmoidiks.

Definitsioon 2.2.2. Ruhmoidi (A; ∗) uhikelemendiks nimetatakseniisugust elementi e ∈ A, et iga a ∈ A korral kehtib a ∗ e = a = e ∗ a.

Markus 1. Kui ruhmoidi tehe on korrutamine, siis uhikelementitahistatakse tavaliselt sumboliga 1.

Markus 2. Kui ruhmoidi tehe on liitmine, siis uhikelemendi asemelraagitakse nullelemendist ning viimast tahistatakse sumboliga 0.

Lause 2.2.1. Ruhmoidis on ulimalt uks uhikelement.

Page 6: Algebra Slides

2.3 Poolruhm

Definitsioon 2.3.1. Binaarset tehet ∗ hulgal A nimetatakseassotsiatiivseks, kui suvaliste a, b, c ∈ A korral kehtiba ∗ (b ∗ c) = (a ∗ b) ∗ c.

Definitsioon 2.3.2. Ruhmoidi, mille tehe on assotsiatiivne,nimetatakse poolruhmaks.

Lause 2.3.1. Tehte tulemus poolruhmas ei soltu sulgude paigutusest.

Kui (A; ∗) on pooruhm ja n ∈ N, siis defineerime elemendi a ∈ A

n-nda astme valemiga an = a ∗ · · · ∗ a, kus paremal esineb element a

tapselt n korda.

Lause 2.3.2. Kui (A; ∗) on poolruhm, a ∈ A ja m,n ∈ N, siiskehtivad valemid amn = (am)n ja am+n = am ∗ an.

Page 7: Algebra Slides

Definitsioon 2.3.3. Binaarset tehet ∗ hulgal A nimetataksekommutatiivseks, kui suvaliste a, b ∈ A korral kehtib a ∗ b = b ∗ a.

Lause 2.3.3. Kui (A, ∗) on kommutatiivne poolruhm (st poolruhm,mille tehe on kommutatiivne), a, b ∈ A ja n ∈ N, siis kehtib valem(a ∗ b)n = an ∗ bn.

Markus. Kui poolruhma tehe on liitmine, siis an asemel kirjutamena ja nimetame seda elemendi a n-kordseks. Eelneva pohjal kehtivadigas poolruhmas (A; +) valemid (m + n)a = ma + na ja(mn)a = m(na) ning kui see poolruhm on kommutatiivne, siis kavalem n(a + b) = na + nb.

Page 8: Algebra Slides

2.4 Monoid

Definitsioon 2.4.1. Monoidiks nimetatakse uhikelemendigapoolruhma.

Definitsioon 2.4.2. Monoidi (A; ·) elemendi a poordelemendiksnimetatakse niisugust elementi b ∈ A, et kehtib ab = 1 = ba.

Monoidi (A; ·) elemendi a poordelementi tahistatakse sumboliga a−1.

Lause 2.4.1. Monoidi elemendil on ulimalt uks poordelement.

Definitsioon 2.4.3. Monoidi elementi nimetatakse pooratavaks, kuital on olemas poordelement selles monoidis.

U(A) - monoidi A koigi pooratavate elementide hulk.

Page 9: Algebra Slides

Lause 2.4.2. Iga monoidi (A; ·) korral on toesed jargmised vaited:

• 1 ∈ U(A), kusjuures 1−1 = 1;

• kui a ∈ U(A), siis ka a−1 ∈ U(A), kusjuures (a−1)−1 = a;

• kui a, b ∈ U(A), siis ka ab ∈ U(A), kusjuures (ab)−1 = b−1a−1.

Markus. Kui tehteks on liitmine, siis poordelemendi asemel raagimevastandelemendist. Elemendi a vastandelemendi tahis on −a. Niisiis,a + (−a) = 0 = (−a) + a ning viimane lause votab jargmise kuju.Lause 2.4.3. Iga monoidi (A; +) korral on toesed jargmised vaited:

• −0 = 0,

• kui a ∈ A omab vastandelementi, siis ka −a omabvastandelementi, kusjuures −(−a) = a;

• kui a, b ∈ A omavad vastandelementi, siis ka a + b omabvastandelementi, kusjuures −(a + b) = (−b) + (−a).

Page 10: Algebra Slides

Multiplikatiivne tahistus Aditiivne tahistus

korrutamine · liitmine +

uhikelement 1 nullelement 0

poordelement a−1 vastandelement −a

(R; +) – reaalarvude aditiivne monoid

(MatnZ; ·) – taisarvuliste elementidega n-ndat jarku ruutmaatriksitemultplikatiivne monoid

Page 11: Algebra Slides

2.5 Ruhm

Definitsioon 2.5.1. Ruhmaks nimetatakse monoidi, mille igalelemendil on poordelement.

Lause 2.5.1. Iga monoidi koigi pooratavate elementide hulk on sellemonoidi tehte suhtes ruhm.

Ruhma (A; ·) korral on voimalik defineerida elemendi a astmed an

iga n ∈ Z jaoks. Nimelt a0 loetakse vordseks selle ruhmauhikelemendiga ning negatiivse astmenaitajaga aste defineeritaksevalemiga a−n = (an)−1 (siin n ∈ N). Lausete 2.3.2 ja 2.3.3 vaitedjaavad kehtima ka sel juhul.

Page 12: Algebra Slides

Kui (A; ·) on ruhm ja a, b ∈ A, siis saab vaadelda vorrandeid ax = b

ja ya = b. Nende vorrandite lahendid on vastavalt x = a−1b jay = ba−1. Kui x = y, siis voib seda elementi nimetada b ja a

jagatiseks. Uldjuhul aga x 6= y.

Teoreem 2.5.1. Jargmised tingimused on samavaarsed igapoolruhma (A; ·) korral:

(1) A on ruhm.

(2) Iga a, b ∈ A korral on vorrandid ax = b ja ya = b uheseltlahenduvad selles poolruhmas A.

(3) Iga a, b ∈ A korral on vorrandid ax = b ja ya = b lahenduvadselles poolruhmas A.

Page 13: Algebra Slides

Definitsioon 2.5.2. Ruhmoidi (A; ∗) elementi a nimetatakseidempotendiks, kui a ∗ a = a.

Jareldus 2.5.1. Ruhmas on ainult uks idempotent – temauhikelement.

2.6 Abeli ruhm

Definitsioon 2.6.1. Ruhma, mille tehe on kommutatiivne,nimetatakse kommutatiivseks ruhmaks ehk Abeli ruhmaks.

Abeli ruhmade uurimisel on tavaks votta ruhma tehteks liitmine.

Niels Henric Abel (1802-1829) Norra matemaatik

Page 14: Algebra Slides

Lause 2.6.1. Uhe binaarse tehtega + algebraline struktuur A onAbeli ruhm, kui on taidetud jargmised tingimused:

• tehe on assotsiatiivne, st suvaliste a, b, c ∈ A korral

a + (b + c) = (a + b) + c ;

• leidub 0 ∈ A, nii et iga a ∈ A korral a + 0 = a;

• iga a ∈ A jaoks leidub −a ∈ A, nii et a + (−a) = 0;

• tehe on kommutatiivne, st suvaliste a, b ∈ A korral

a + b = b + a .

Page 15: Algebra Slides

Kui (A; +) on Abeli ruhm ja a, b ∈ A, siis vorrandi a + x = b lahenditnimetatakse elementide b ja a vaheks ning tahistatakse b− a. Ilmseltb− a = b + (−a).

Jarelduse 2.5.1 pohjal saame, et Abeli ruhmas on tapselt uks elementa, mille korral a + a = a. See on ruhma nullelement 0.

Page 16: Algebra Slides

2.7 Ring

Definitsioon 2.7.1. Hulka R, millel on defineeritud kaks binaarsetalgebralist tehet – liitmine ja korrutamine, nimetatakse ringiks, kuion taidetud jargmised tingimused:

• (R; +) on Abeli ruhm;

• (R; ·) on monoid;

• korrutamine on liitmise suhtes distributiivne,

∀r, s, t ∈ R, r(s + t) = rs + rt ja (r + s)t = rt + st .

Markus. Monikord kasutatakse moistet ring laiemas tahenduses,seadmata nouet, et korrutamise suhtes on tegemist monoidiga.

Page 17: Algebra Slides

Igas ringis on nullelement 0 (ruhma (R; +) nullelement). Ringi igalelemendil r on olemas vastandelement −r (tema vastandelementruhmas (R; +)). Ringis on olemas lahutamistehe (r − s = r + (−s)).Lause 2.7.1. Ringi suvaliste elementide r, s, t korral kehtivadvordused:

• r · 0 = 0 = 0 · r;• r(−s) = −rs = (−r)s;

• r(s− t) = rs− rt, (r − s)t = rt− st.

Lause 2.7.2. Igas ringis R kehtib jargmine nn uldistatuddistributiivsuse seadus: suvaliste r1, . . . , rm, s1, . . . , sn ∈ R korral

(m∑

i=1

ri)(n∑

j=1

sj) =m,n∑

i,j=1

risj .

Page 18: Algebra Slides

Definitsioon 2.7.2. Ringi nimetatakse kommutatiivseks, kui temakorrutamistehe on kommutatiivne.

Kui ringis R kehtib 0 = 1, siis selles ringis on ainult uks element.

Page 19: Algebra Slides

2.8 Korpus

Definitsioon 2.8.1. Ringi, mille nullist erinevad elemendidmoodustavad ruhma selle ringi korrutamise suhtes, nimetataksekorpuseks.

Korpuses on vahemalt kaks elementi.

Definitsioon 2.8.2. Kui r, s, t on ringi R elemendid ja r = st, siiselemente s ja t nimetatakse elemendi r teguriteks ehk jagajateks.

Definitsioon 2.8.3. Ringi nullelemendist erinavaid nullelemendijagajaid nimetatakse selle ringi nulliteguriteks.

Teoreem 2.8.1. Korpuses puuduvad nullitegurid. Lopliknulliteguriteta ring on korpus.

Page 20: Algebra Slides

2.9 Jaagiklassid

Fikseerime mingi naturaalarvu n. Siis iga taisarv on uheseltavaldatav kujul a = qn + r, kus q, r ∈ Z ja 0 ≤ r < n. Arvu r

nimetatakse seejuures arvu a jagamisel n-ga tekkivaks jaagiks.

Definitsioon 2.9.1. Taisarvu a jaagiklassiks mooduli n jarginimetatakse hulka

a = {x ∈ Z | a ja x annavad n-ga jagamisel sama jaagi} .

Arvu a nimetame jaagiklassi a esindajaks. Ilmselt, kui b ∈ a, siisb = a ja vastupidi. See tahendab, iga arv, mis sisaldub mingisjaagiklassis, on vaadeldav selle jaagiklassi esindajana.

Edaspidi kasutame taisarvude jagumise tahistamiseks sumbolit |jargmiselt: suvaliste a, b ∈ Z korral a | b tahistab seda, et a on b

jagaja ehk b jagub a-ga ehk a jagab b-d.

Page 21: Algebra Slides

Lause 2.9.1. Suvaliste taisarvude a ja b korral

a = b ⇔ n | a− b .

Koigi jaagiklasside hulka mooduli n jargi tahistatakse sumboliga Zn.Ilmselt |Zn| = n.

Definitsioon 2.9.2. Jaagiklasside liitmine ja korrutaminedefineeritakse valemitega

a + b = a + b, a · b = a · b .

Lause 2.9.2. Jaagiklasside liitmine ja korrutamine on defineeritudkorrektselt.

Teoreem 2.9.1. Hulk Zn on ulal defineeritud liitmise ja korrutamisesuhtes ring. See ring on korpus parajasti siis, kui n on algarv.

Page 22: Algebra Slides

2.10 Alamstruktuurid

Definitsioon 2.10.1. Algebralise struktuuri A alamstruktuuriksnimetatakse hulga A alamhulka, mis on ise ka A tehete suhtes samaliiki algebraline struktuur.

Ehkki me defineerisime monoidi kui teatud lisatingimusegapoolruhma, st kui uhe binaarse tehtega algebralise struktuuri, onjargnevas otstarbekas lugeda, et monoidil on peale binaarsekorrutamistehte defineeritud ka nullaarne tehe, mis fikseeribuhikelemendi. Analoogilise kokkuleppe teeme ka ringide suhtes.

Samuti lepime kokku, et lisaks binaarsele korrutamis- (liitmistehtele)on multiplikatiivse (aditiivse) ruhma tehteks ka unaarnepoordelemendi (vastandelemendi) votmise tehe.

Page 23: Algebra Slides

Definitsioon 2.10.2. Olgu hulgal A antud mingi n-aarne algebralinetehe ω. Oeldakse, et hulga A alamhulk B on kinnine tehte ω suhtes,kui suvaliste a1, . . . , an ∈ B korral ka ω(a1, . . . , an) ∈ B.

Paneme tahele, et kui ω on nullaarne tehe, mis fikseerib hulga A

elemendi a0, siis alamhulga B ⊆ A kinnisus tehte ω suhtes tahendabseda, et a0 ∈ B.

Koigi meie vaadeldud algebraliste struktuuride (valja arvatudkorpus) korral kehtib vaide: struktuuri A mittetuhi alamhulk B onstruktuuri A alamstruktuur parajasti siis, kui ta on kinninestruktuuri A tehete suhtes.

Page 24: Algebra Slides

Lause 2.10.1. Ruhmoidi mittetuhi alamhulk on selle ruhmoidialamruhmoid parajasti siis, kui ta on kinnine selle ruhmoidi tehtesuhtes.

Lause 2.10.2. Poolruhma mittetuhi alamhulk on selle poolruhmaalampoolruhm parajasti siis, kui ta on kinnine selle poolruhma tehtesuhtes.

Lause 2.10.3. Monoidi (A; ∗, e), kus e on uhikelement, alamhulk onselle monoidi alammonoid parajasti siis, kui ta on kinnine tehte ∗suhtes ja sisaldab elemendi e.

Lause 2.10.4. Ruhma (A; ·) mittetuhi alamhulk on selle ruhmaalamruhm parajasti siis, kui ta on kinnine korrutamise japoordelemendi votmise suhtes.

Page 25: Algebra Slides

Lause 2.10.5. Ruhma (A; ·) mittetuhi alamhulk B on selle ruhmaalamruhm parajasti siis, kui iga x, y ∈ B korral ka xy−1 ∈ B.

Lause 2.10.6. Abeli ruhma (A; +) mittetuhi alamhulk on selleruhma alamruhm parajasti siis, kui ta on kinnine lahutamise suhtes.

Lause 2.10.7. Ringi alamhulk on selle ringi alamring parajasti siis,kui ta on kinnine lahutamise ja korrutamise suhtes ning sisaldab selleringi uhikelemendi.

Lause 2.10.8. Korpuse alamhulk on selle korpuse alamkorpusparajasti siis, kui ta sisaldab selle korpuse vahemalt uhe nullisterineva elemendi ning on kinnine lahutamise, korrutamise japoordelemendi votmise suhtes.

Page 26: Algebra Slides

2.11 Isomorfism

Olgu antud hulk A n-aarse algebralise tehtega ω ja bijektiivnekujutus φ : A → A′. Siis kujutus φ kannab tehte ω ule tehteks ω′

hulgal A′ jargmise valemi abil:

ω′(x1, . . . , xn) = φ(ω(φ−1(x1), . . . , φ−1(xn)) . (1)

Tehes asendused yi = φ−1(xi), i = 1, . . . , n, votab valem (1) kuju

ω′(φ(y1), . . . , φ(yn)) = φ(ω(y1, . . . , yn) . (2)

Definitsioon 2.11.1. Algebralisi struktuure (A; ω1, ω2, . . . ) ja(A′; ω′1, ω

′2, . . . ) nimetatakse isomorfseteks, kui iga i korral on tehted

ωi ja ω′i seotud valemi (2) abil. Seejuures kujutust φ nimetatakseisomorfismiks.

Page 27: Algebra Slides

Naeme, et kui kaks struktuuri on isomorfsed, siis sisuliselt uks neistsaadakse teisest elementide ja tehete umbertahistamise teel. Sellestjareldub, et algebralised omadused, mis kehtivad uhes kahestisomorfsest struktuurist, kehtivad ka teises.

Definitsioon 2.11.2. Ruhmoide (A; ∗) ja (B; ◦) nimetatakseisomorfseteks, kui leidub bijektiivne kujutus φ : A → B, nii etsuvaliste a1, a2 ∈ A korral

φ(a1 ∗ a2) = φ(a1) ◦ φ(a2) .

Definitsioon 2.11.3. Ringe R ja S nimetatakse isomorfseteks, kuileidub bijektiivne kujutus φ : R → S, nii et suvaliste r1, r2 ∈ R korral

φ(r1 + r2) = φ(r1) + φ(r2) ja φ(r1r2) = φ(r1)φ(r2) .

Page 28: Algebra Slides

Lause 2.11.1. Isomorfsus on ekvivalentsiseos koigi sama liikialgebraliste struktuuride klassil, st, ta on refleksiivne, summeetrilineja transitiivne.

Lause 2.11.2. Olgu (A; ∗) ja (B; ◦) isomorfsed ruhmoidid. Siis:

• (A; ∗) on poolruhm parajasti siis, kui (B; ◦) on poolruhm;

• tehe ∗ on kommutatiivne parajasti siis, kui tehe ◦ onkommutatiivne;

• ruhmoidis (A; ∗) leidub uhikelement parajasti siis, kui ruhmoidis(B; ◦) on leidub uhikelement;

• (A; ∗) on ruhm parajasti siis, kui (B; ◦) on ruhm;

Page 29: Algebra Slides

Pidades silmas seda, et me leppisime kokku vaadelda ruhmi kuialgebralisi struktuure, millel on uks binaarne tehe (naitekskorrutamine), uks unaarne tehe (poordelemendi votmine) ja uksnullaarne tehe (uhikelement), peaksime multiplikatiivsete ruhmade G

ja G′ vahelise isomorfismi φ defineerima kui kujutuse, mis rahuldabtingimusi φ(xy) = φ(x)φ(y), φ(x−1) = (φ(x))−1, φ(1) = 1. Tegelikult,kuna nii uhikelement kui poordelemendi votmine on maaratudkorrutamisega, piisab ainult esimesest tingimusest. See tahendab,kehtib jargmine lause.

Lause 2.11.3. Olgu G ja G′ multiplikatiivsed ruhmad ningφ : G → G′ ruhmoidide isomorfism. Siis φ on ka ruhmadeisomorfism, st φ(1) = 1 ja iga x ∈ G korral φ(x−1) = (φ(x))−1.

Page 30: Algebra Slides

3 Kompleksarvud

3.1 Kompleksarvude korpuse moiste ja

konstruktsioon

Eesmark: konstrueerida korpus, mis sisaldab endas korpust R jamilles on olemas

√−1.

Definitsioon 3.1.1. Kompleksarvude korpuseks nimetataksekommutatiivset korpust C, mis rahuldab jargmisi tingimusi:

(1) ta sisaldab alamkorpust L, mis on isomorfne korpusega R;

(2) temas leidub element i, mille ruut on −1;

(3) tema iga element esitub kujul a + bi, kus a, b ∈ R.

Definitsioonis esinevat elementi i nimetatakse imaginaaruhikuks.

Page 31: Algebra Slides

Lause 3.1.1. Kui kompleksarvude korpus eksisteerib, siis igakompleksarv on uheselt avaldatav kujul a + bi, kus a, b ∈ R.

Teoreem 3.1.1. Kompleksarvude korpus eksisteerib ja on maaratuduheselt isomorfismi tapsuseni.

C on konstrueeritav kui ringi Mat2R alamring, mis koosneb koigistmaatriksitest

a b

−b a

, kus a, b ∈ R .

Definitsioon 3.1.2. Lauses 3.1.1 antud kuju nimetataksekompleksarvu algebraliseks kujuks.

Page 32: Algebra Slides

Definitsioon 3.1.3. Kui α = a + bi on algebralisel kujul esitatudkompleksarv, siis

• reaalarvu a nimetatakse α reaalosaks;

• kompleksarvu bi nimetatakse α imaginaarosaks;

• reaalarvu b nimetatakse α imaginaarosa kordajaks.

Definitsioon 3.1.4. Kompleksarvu, mis ei ole reaalarv, nimetatakseimaginaararvuks.

Definitsioon 3.1.5. Imaginaararvu, mille reaalosa on 0,nimetatakse puhtimaginaararvuks.

Page 33: Algebra Slides

Lause 3.1.2. Olgu α = a + bi ja β = c + di algebralisel kujul antudkompleksarvud. Siis:

• α = β parajasti siis, kui a = c ja b = d;

• α = 0 parajasti siis, kui a = b = 0;

• α + β = (a + c) + (b + d)i;

• α− β = (a− c) + (b− d)i;

• αβ = (ac− bd) + (ad + bc)i;

• kui β 6= 0 siis αβ = ac+bd

c2+d2 + bc−adc2+d2 i.

Page 34: Algebra Slides

3.2 Kompleksarvude geomeetriline

interpretatsioon

Olgu antud tasand koos ristkoordinaadistikuga. Siis kompleksarvulea + bi seatakse vastavusse punkt koordinaatidega (a, b). Tekibuksuhene vastavus tasandi punktide ja kompleksarvude vahel.Tasandit koos kirjeldatud vastavusega nimetataksekomplekstasandiks. Seejuures x-telge nimetatakse reaalteljeks jay-telge imaginaarteljeks. Ilmselt reaalteljel asuvad parajastireaalarvud ning imaginaarteljel puhtimaginaararvud ja 0.

Definitsioon 3.2.1. Kompleksarvu α = a + bi kaaskompleksarvuksnimetatakse kompleksarvu α = a− bi.

Seega antud kompleksarvule ja tema kaaskompleksarvule vastavadpunktid komplekstasandil asetsevad summeetriliselt reaaltelje suhtes.

Page 35: Algebra Slides

Lause 3.2.1. Suvaliste kompleksarvude α ja β korral kehtivadvalemid:

α + β = α + β, αβ = αβ .

Uleminekul ristkoordinaatidelt polaarkoordinaatidele saamekompleksarvu trigonomeetrilise kuju.

Definitsioon 3.2.2. Kompleksarvu mooduliks nimetatakse tallekomplekstasandil vastava punkti kaugust koordinaatide alguspunktist.

Kompleksarvu α moodulit tahistatakse sumboliga |α|.

Definitsioon 3.2.3. Kompleksarvu argumendiks nimetatakse nurkareaaltelje positiivse suuna ja sellele kompleksarvule vastava punktikohavektori vahel.

Page 36: Algebra Slides

Igal kompleksarvul on uheselt maaratud moodul, mis on mitte-negatiivne reaalarv. Argument on olemas vaid nullist erinevatelkompleksarvudel. See voib olla mistahes reaalarv, kuid ta ei oleantud kompleksarvuga uheselt maaratud.

Kui kompleksarv α = a + bi on antud algebralisel kujul, siis temamoodul on

√a2 + b2 ja tema argumendi tangens on b

a .

Kui kompleksarvu α moodul on r ja argument on φ, siisa = r cosφ ja b = r sin φ, millest

α = r(cos φ + i sin φ) . (3)

Kompleksarvu esitust kujul (3) nimetatakse kompleksarvutrigonomeetriliseks kujuks.

Page 37: Algebra Slides

Lause 3.2.2. Kompleksarvude korrutamiseks tuleb nende moodulidkorrutada ja argumendid liita. Kompleksarvude jagamiseks tulebnende moodulid jagada ja argumendid lahutada.

Jareldus 3.2.1. (Moivre’i valem) Iga taisarvu n korral

(r(cos φ + i sin φ))n = rn(cos(nφ) + i sin(nφ)) .

Abraham de Moivre, inglise paritolu prantsuse matemaatik,1667–1754.

Jareldus 3.2.2. Iga nullist erineva kompleksarvu α korral

α−1 =α

|α|2 .

Page 38: Algebra Slides

3.3 Kompleksarvude juurimine

Definitsioon 3.3.1. Kompleksarvu α n-nda astme juureksnimetatakse kompleksarvu β, mille korral βn = α.

Lause 3.3.1. Igal nullist erineval kompleksarvul on tapselt n

erinevat n-nda astme juurt. Need arvutatakse valemist:

n√

r(cos φ + i sin φ) = n√

r(cosφ + 2kπ

n+ i sin

φ + 2kπ

n) ,

kus k = 0, 1, . . . , n− 1.

Definitsioon 3.3.2. Uhejuureks nimetatakse juurt kompleksarvust 1.

Page 39: Algebra Slides

Tulenevalt lausest 3.3.1 esituvad koik n-nda astme uhejuured kujul

cos2kπ

n+ i sin

2kπ

n,

kus k = 0, 1, . . . , n− 1.

Lause 3.3.2. Koigi uhejuurte hulk on ruhma C∗ alamruhm.

Lause 3.3.3. Koigi n-nda astme uhejuurte hulk on ruhma C∗

alamruhm, mis on isomorfne ruhmaga (Zn; +).

Definitsioon 3.3.3. n-nda astme algjuureks nimetatakse n-ndaastme uhejuurt, mille astmetena esituvad koik n-nda astme uhejuured.

Lause 3.3.4. Kompleksarv cos kπn + i sin kπ

n on n-nda astme algjuurparajasti siis, kui k ja n on uhisteguriteta.

Page 40: Algebra Slides

4 Vektorruum

4.1 Vektorruumi moiste ja lihtsamad omadused

Kokkulepe. Siit alates, kui ei vaideta vastupidist, on koik korpusedkommutatiivsed.

Definitsioon 4.1.1. Hulka V nimetatakse vektorruumiks ule korpuseK, kui on taidetud jargmised tingimused:

• hulgal V on defineeritud liitmistehe, mille suhtes V on Abeliruhm;

• iga α ∈ K jaoks on hulgal V defineeritud unaarne tehe, midanimetatakse korrutamiseks elemendiga α; sealjuures elementidev ∈ V ja α ∈ K korrutist tahistatakse αv;

• suvaliste α, β ∈ K ja v ∈ V korral (αβ)v = α(βv);

Page 41: Algebra Slides

• suvaliste α, β ∈ K ja v ∈ V korral (α + β)v = αv + βv;

• suvaliste α,∈ K ja v, w ∈ V korral α(v + w) = αv + αw;

• iga v ∈ V korral 1v = v.

Naeme, et vektorruum on algebraline struktuur, millel on defineerituduks binaarne tehe ja niipalju unaarseid tehteid, kuipalju on korpusesK elemente. Kui vaadeldakse vektorruumi V ule korpuse K, siishulga V elemente nimetatakse vektoriteks ja korpuse K elementeskalaarideks. Korpust K nimetatakse vektorruumi V pohikorpuseks.

Kuna vektorruum on Abeli ruhm liitmise suhtes, siis on igasvektorruumis nullvektor 0, igal vektoril v on vastandvektor −v, ningsaab raakida vektorite lahutamisest: v − w = v + (−w).

Page 42: Algebra Slides

Lause 4.1.1. Igal vektorruumil V ule korpuse K on jargmisedomadused:

• iga α ∈ K ja v ∈ V korral αv = 0 siis ja ainult siis, kui α = 0 voiv = 0;

• iga α ∈ K ja v ∈ V korral (−α)v = −αv = α(−v);

• suvaliste α ∈ K ja v, w ∈ V korral α(v − w) = αv − αw;

• suvaliste α, β ∈ K ja v ∈ V korral (α− β)v = αv − βv;

• suvaliste α1, . . . , αm ∈ K ja v1, . . . , vn ∈ V korral

(m∑

i=1

αi)(n∑

j=1

vj) =m,n∑

i,j=1

αivj .

Page 43: Algebra Slides

4.2 Vektorruumi alamruum

Definitsioon 4.2.1. Vektorruumi V alamruumiks nimetataksealamhulka W ⊆ V , mis on vektorruumi V tehete suhtes ise kavektorruum (ule sama pohikorpuse, mis vektorruumil V ).

Lause 4.2.1. Vektorruumi mittetuhi alamhulk on selle vektorruumialamruum parajasti siis, kui ta on kinnine liitmise ja skalaarigakorrutamise suhtes.

Definitsioon 4.2.2. Olgu V vektorruum ule korpuse K,v1, . . . , vn ∈ V ja α1, . . . , αn ∈ K. Siis avaldist

α1v1 + · · ·+ αnvn

nimetatakse lineaarkombinatsiooniks vektoritest v1, . . . , vn.

Page 44: Algebra Slides

Definitsioon 4.2.3. Kui V on vektorruum ule korpuse K ja A onmistahes alamhulk vektorruumis V , siis koigi lineaarkombinatsioonidehulka hulka A kuuluvatest vektoritest nimetatakse alamhulga A

lineaarkatteks. Viimast tahistame L(A).

Lause 4.2.2. Kui A on vektorruumi V alamhulk, siis L(A) onvektorruumi V alamruum. Veel enam, L(A) on vahim V nendealamruumide seas, mis sisaldavad alamhulka A.

4.3 Lineaarne soltuvus

Edaspidi raagime tihti antud vektorruumi vektorite susteemidest.Selle all peame silmas vektorite komplekte, kus on oluline jarjekord javoib esineda ka korduvaid liikmeid. Rangelt vottes on vektorruumi V

n-elemendiline vektorite susteem lihtsalt hulga V n element.

Page 45: Algebra Slides

Definitsioon 4.3.1. Lineaarkombinatsiooni nimetatakse triviaalseks,kui tema koik kordajad on nullid.

On selge, et triviaalse lineaarkombinatsiooni vaartus on alatinullvektor.

Definitsioon 4.3.2. Vektorite susteemi nimetatakse lineaarseltsoltuvaks, kui leidub mittetriviaalne lineaarkombinatsioon sellesusteemi vektoritest, mille vaartus on nullvektor.

Seega on vektorite susteem lineaarselt soltumatu parajasti siis, kuiainult triviaalne lineaarkombinatsioon selle susteemi vektoritestvordub nullvektoriga.

Page 46: Algebra Slides

Lause 4.3.1. Lineaarselt soltuva (soltumatu) vektorite susteemiumberjarjestamisel saadav susteem on ka lineaarselt soltuv(soltumatu).

Lause 4.3.2. Uhest vektorist koosnev susteem on lineaarselt soltuvparajasti siis, kui see vektor on 0.

Lause 4.3.3. Vektorite susteem, mis sisaldab lineaarselt soltuvatalamsusteemi, on ise ka lineaarselt soltuv.

Jareldus 4.3.1. Nullvektorit sisaldav vektorite susteem onlineaarselt soltuv.

Jareldus 4.3.2. Lineaarselt soltumatu vektorite susteemi igaalamsusteem on lineaarselt soltumatu.

Page 47: Algebra Slides

Lause 4.3.4. Vektorite susteem v1, . . . , vn, kus n ≥ 2, on lineaarseltsoltuv parajasti siis, kui tema mingi vektor avaldub selle susteemiulejaanud vektorite lineaarkombinatsioonina.

Markus. Kui vektor v esitub mingite vektorite v1, . . . , vn

lineaarkombinatsioonina, siis oeldakse ka, et v esitub lineaarseltvektorite v1, . . . , vn kaudu

Jareldus 4.3.3. Vektorite susteem, mis sisaldab monda vektoritmitmekordselt, on lineaarselt soltuv.

4.4 Vektorite susteemide ekvivalentsus

Definitsioon 4.4.1. Mingi vektorruumi kahte vektorite susteeminimetatakse ekvivalentseteks, kui kummagi susteemi iga vektoravaldub lineaarselt teise susteemi kaudu.

Page 48: Algebra Slides

Lause 4.4.1. Kaks vektorite susteemi on ekvivalentsed parajasti siis,kui neil on vordsed lineaarkatted.

Jareldus 4.4.1. Vektorite susteemide ekvivalentsus onekvivalentsiseos, st ta on refleksiivne, summeetriline ja transitiivne.

Definitsioon 4.4.2. Vektorite sustemi alamsusteemi nimetatakseselle susteemi maksimaalseks lineaarselt soltumatuks alamsusteemiks,kui ta on lineaarselt soltumatu ja kui teda rangelt sisaldavad antudsusteemi alamsusteemid on koik lineaarselt soltuvad.

Lause 4.4.2. Iga vektorite susteem on ekvivalentne iga omamaksimaalse lineaarselt soltumatu alamsusteemiga.

Teoreem 4.4.1. Kui kaks lineaarselt soltumatut vektorite susteemion ekvivalentsed, siis neis on vordne arv vektoreid.

Page 49: Algebra Slides

Jareldus 4.4.2. Mistahes vektorite susteemi igas kahesmaksimaalses lineaarselt soltumatus alamsusteemis on vordne arvvektoreid.

Definitsioon 4.4.3. Vektorite susteemi astakuks nimetataksevektorite arvu tema maksimaalses lineaarselt soltumatusalamsusteemis ja arvu 0, kui susteem koosneb vaid nullvektoreist.

Lause 4.4.3. Ekvivalentsete vektorite susteemide astakud on vordsed.

4.5 Baas ja moode

Definitsioon 4.5.1. Vektorruumi alamhulka nimetatakse sellevektorruumi moodustajate susteemiks, kui temasse kuuluvate vektoritekaudu avalduvad lineaarselt koik selle vektorruumi vektorid.

Page 50: Algebra Slides

Kokkulepe. Lepime kokku, et edaspidi koigis vektorruumides, midame vaatleme, on olemas loplik moodustajate susteem.

Definitsioon 4.5.2. Vektorruumi baasiks nimetatakse temalineaarselt soltumatut moodustajate susteemi.

Teoreem 4.5.1. Vektorruumi igas kahes baasis on vordne arvvektoreid.

Definitsioon 4.5.3. Vektorruumi mootmeks ehk dimensiooniksnimetatakse vektorite arvu tema baasis. Vektorruumi V moodettahistame dim V .

Lause 4.5.1. Vektorruumi mistahes vektorite susteemi astak vordubselle susteemi lineaarkatte mootmega.

Lause 4.5.2. Kui vektorruum sisaldab nullist erinevat vektorit, siistema igast loplikust moodustajate susteemist saab valja valida sellevektorruumi baasi.

Page 51: Algebra Slides

Lause 4.5.3. Vektorruumi iga lineaarselt soltumatu vektoritesusteem on taiendatav selle vektorruumi baasiks.

4.6 Vektorruumide isomorfism

Definitsioon 4.6.1. Vektorruume V1 ja V2 ule korpuse K

nimetatakse isomorfseteks, kui leidub bijektiivne kujutus φ : V1 → V2,nii et

• suvaliste x, y ∈ V1 korral φ(x + y) = φ(x) + φ(y),

• suvaliste x ∈ V1 ja α ∈ K korral φ(αx) = α(φ(x)) .

Lause 4.6.1. Isomorfism kujutab lineaarselt soltuva (soltumatu)vektorite susteemi lineaarselt soltuvaks (soltumatuks) vektoritesusteemiks.

Page 52: Algebra Slides

Lause 4.6.2. Iga n-mootmeline vektorruum ule korpuse K onisomorfne vektorruumiga Kn.

Jareldus 4.6.1. Kaks vektorruumi ule korpuse K on isomorfsedparajasti siis, kui nende mootmed on vordsed.

Lause 4.6.2 toestuses seadsime vektorile v ∈ V vastavusse kordajatejada (α1, . . . , αn), mis tekib, kui esitame v valitud baasivektoritee1, . . . , en lineaarkombinatsioonina. Skalaare α1, . . . , αn nimetataksevektori v koordinaatideks baasil e1, . . . , en.

Lause 4.6.3. Kui baas on fikseeritud, siis vektorite liitmiseks tulebliita nende vastavad koordinaadid ning korrutamiseks mingiskalaariga tuleb korrutada koik koordinaadid selle skalaariga.

Page 53: Algebra Slides

4.7 Elementaarteisendused

Definitsioon 4.7.1. Vektorite susteemi elementaarteisendusteksnimetatakse:

• susteemi mingi vektori korrutamist mingi nullist erinevaskalaariga;

• susteemi mingile vektorile mingi skalaariga korrutatud samasusteemi mingi teise vektori liitmist.

Lause 4.7.1. Elementaarteisenduste poordteisendused on kaelementaarteisendused.

Lause 4.7.2. Elementaarteisendusi korduvalt rakendades onvoimalik vektorite jarjestust muuta.

Page 54: Algebra Slides

Lause 4.7.3. Iga elementaarteisendus teisendab iga vektoritesusteemi iseendaga ekvivalentseks susteemiks.

Teoreem 4.7.1. Vektorite susteemid v1, . . . , vn ja w1, . . . , wn

on ekvivalentsed parajasti siis, kui uks neist susteemidest onelementaarteisendusi korduvalt rakendades teisendatav teisekssusteemiks.

Page 55: Algebra Slides

5 Maatriksid

Kaesolevas peatukis arendame edasi maatriksite teooriat, millegaesmatutvumine toimus kursuses “Algebra ja geomeetria”. Lisaksparis uuele materjalile esitame nimetatud kursuses pohjendamatajaanud vaidete toestused. Oluline erinevus on, et me vaatlememaatrikseid, mille elemendid kuuluvad mistahes ringi. Enamasti onsee ring korpus.

Koigi m× n maatriksite hulka ule ringi R tahistame sumboligaMatm,nR. Koigi n-ndat jarku ruutmaatriksite hulka ule ringi R

tahistame sumboliga MatnR. Seega Matn,nR = MatnR.

Page 56: Algebra Slides

5.1 Permutatsioonid

Definitsioon 5.1.1. Hulga X = {x1, . . . , xn} permutatsiooniksnimetatakse selle hulga mistahes umberjarjestust.

Hulga Nn = {1, 2, . . . , n} koigi permutatsioonide hulka tahistamesumboliga Pn. Edaspidi vaatleme ainult hulga Nn permutatsioone.

Lause 5.1.1. Hulgas Pn on n! elementi.

Definitsioon 5.1.2. Oeldakse, et elemendipaar (αi, αj) moodustabinversiooni permutatsioonis

α1, . . . , αi, . . . , αj , . . . , αn ,

kui αi > αj.

Inversioonide arvu permutatsioonis α tahistame sumboliga I(α).

Page 57: Algebra Slides

Definitsioon 5.1.3. Oeldakse, et permutatsioon α paaris (paaritu),kui arv I(α) on paaris (paaritu).

Definitsioon 5.1.4. Permutatsiooni kahe elemendi aravahetamistnimetatakse transpositsiooniks.

Lause 5.1.2. Transpositsiooni teostamine permutatsioonis muudabtema paarsust.

Lause 5.1.3. Permutatsioon on paaris parajasti siis, kui ta onsaadav permutatsioonist 1, 2, . . . , n paarisarvu transpositsioonide abil.

Lause 5.1.4. Kui n ≥ 2, siis hulgas Pn on uhepalju paaris japaarituid permutatsioone.

Page 58: Algebra Slides

5.2 Determinant ja tema omadused

Definitsioon 5.2.1. Maatriksi A = (aij) ∈ MatnK determinadiksnimetatakse korpuse K elementi

α∈Pn

(−1)I(α)a1α1 . . . anαn .

Maatriksi A determinanti tahistatakse sumboliga |A| voi sumboligadet A.

Lause 5.2.1. Ruutmaatriksi transponeerimisel maatriksideterminant ei muutu.

Page 59: Algebra Slides

Lause 5.2.2. Kui ruutmaatriksi kaks rida (veergu) vahetada, siismaatriksi determinant korrutub korpuse elemendiga −1.

Lause 5.2.3. Kui ruutmaatriksis on kaks vordset rida (veergu), siismaatriksi determinant on 0.

Lause 5.2.4. Kui ruutmaatriksi mingit rida (veergu) korrutadaskalaariga α, siis maatriksi determinant korrutub skalaariga α.

Lause 5.2.5. Kui ruutmaatriksi mingile reale (veerule) liita mingiskalaariga korrutatud mingi teine rida (veerg), siis maatriksideterminant ei muutu.

Jareldus 5.2.1. Kui B on saadud ruutmaatriksist A ridade(veergude) elementaarteisenduste teel ja detA 6= 0, siis ka det B 6= 0.

Page 60: Algebra Slides

Definitsioon 5.2.2. Nimetame ruutmaatriksit A = (aij) ulemiseks(alumiseks) kolmnurkmaatriksiks, kui tema koik elemendid allpool(ulevalpool) peadiagonaali on nullid.

Lause 5.2.6. Nii ulemise kui alumise kolmnurkmaatriksi A = (aij)determinant vordub tema peadiagonaali elementide korrutisegaa11 · · · ann.

Teoreem 5.2.1. Jargmised kolm tingimust on samavaarsed igaruutmaatriksi A korral: 1) detA = 0; 2) A reavektorite susteem onlineaarselt soltuv; 3) A veeruvektorite susteem on lineaarselt soltuv.

Page 61: Algebra Slides

5.3 Laplace’i valem

Pierre Simon de Laplace (1749-1827) prantsuse astronoom,matemaatik ja fuusik.

Kui A on mistahes maatriks ule korpuse K, milles on vahemalt k

rida ja k veergu, siis M j1,...,jk

i1,...,ikabil tahistame tema miinorit, mis

vastab ridadele jarjekorranumbritega i1, . . . , ik ja veergudelejarjekorranumbritega j1, . . . , jk. Kui A on ruutmaatriks, siis miinoriM j1,...,jk

i1,...,iktaiendusmiinorit ja algebralist taiendit tahistame vastavalt

sumbolitega M ′j1,...,jk

i1,...,ikja Aj1,...,jk

i1,...,ik. Teatavasti

Aj1,...,jk

i1,...,ik= (−1)sM ′j1,...,jk

i1,...,ik, kus s = i1 + · · ·+ ik + j1 + · · ·+ jk.

Page 62: Algebra Slides

Teoreem 5.3.1. Olgu A suvaline n-ndat jarku ruutmaatriks ulekorpuse K ja 1 ≤ i1 < · · · < ik ≤ n. Siis

det A =∑

1≤j1<···<jk≤n

M j1,...,jk

i1,...,ikAj1,...,jk

i1,...,ik.

Teoreem 5.3.2. Olgu A suvaline n-ndat jarku ruutmaatriks ulekorpuse K ja 1 ≤ j1 < · · · < jk ≤ n. Siis

detA =∑

1≤i1<···<ik≤n

M j1,...,jk

i1,...,ikAj1,...,jk

i1,...,ik.

Kui k = 1, siis maatriksi A miinor M ji on lihtsalt selle maatriksi

element aij . Tema taiendusmiinorit ja algebralist taiendit hakkametahistama vastavalt sumbolitega M ′

ij ja Aij . Ilmselt siisAij = (−1)i+jM ′

ij .

Page 63: Algebra Slides

Jareldus 5.3.1. Olgu A suvaline n-ndat jarku ruutmaatriks ulekorpuse K ja 1 ≤ i ≤ n. Siis

detA =n∑

j=1

aijAij .

Jareldus 5.3.2. Olgu A suvaline n-ndat jarku ruutmaatriks ulekorpuse K ja 1 ≤ j ≤ n. Siis

detA =n∑

i=1

aijAij .

Page 64: Algebra Slides

5.4 Maatriksi astak

Definitsioon 5.4.1. Maatriksi astakuks mimetatakse temareavektorite susteemi astakut. Maatriksi A astakut tahistame rank A

Teoreem 5.4.1. Maatriksi astak vordub selle maatriksi nullisterineva miinori suurima jarguga.

Jareldus 5.4.1. Maatriksi astak vordub tema veeruvektoritesusteemi astakuga.

Teoreem 5.4.2. Kahe maatriksi korrutise astak ei uleta kummagiteguri astakut.

Jareldus 5.4.2. Maatriks A ∈ MatnK on regulaarne parajasti siis,kui tema astak on n.

Page 65: Algebra Slides

Maatriksi astaku praktiline leidmine tugineb jargmisele lausele.

Lause 5.4.1. Kui maatriksi astak on r, siis leiduvad naturaalarvudn1 < · · · < nr, nii et see maatriks on ridade elementaarteisendusteabil teisendatav maatriksiks B, mille korral

• bi,ni 6= 0, kui 1 ≤ i ≤ r;

• bi,j = 0, kui 1 ≤ i ≤ r ja j < ni;

• bi,j = 0, kui i > r.

Lause 5.4.2. Vektorite susteemi astak vordub tema koordinaatidestmoodustatud maatriksi astakuga.

Page 66: Algebra Slides

5.5 Poordmaatriks

Definitsioon 5.5.1. Elementaarmaatriksiteks nimetatakse:

• ruutmaatrikseid Ei(α), kus α 6= 0, mis saadakse uhikmaatriksisttema i-nda peadiagonaali elemendi asendamisel skalaariga α;

• ruutmaatrikseid Eij(α), kus i 6= j, mis saadakse uhikmaatriksisttema i-nda rea ja j-nda veeru elemendi asendamisel skalaariga α.

Lemma 5.5.1. Maatriksi korrutamisel vasakult maatriksiga Ei(α)korrutatakse selle maatriksi i-s rida skalaariga α. Teised read jaavadendiseks.

Maatriksi korrutamisel paremalt maatriksiga Ei(α) korrutatakse sellemaatriksi i-s veerg skalaariga α. Teised veerud jaavad endiseks.

Page 67: Algebra Slides

Lemma 5.5.2. Maatriksi korrutamisel vasakult maatriksiga Eij(α)liidetakse selle maatriksi i-ndale reale skalaariga α korrutatud j-srida. Teised read jaavad endiseks.

Maatriksi korrutamisel paremalt maatriksiga Eij(α) liidetakse sellemaatriksi j-ndale veerule skalaariga α korrutatud i-s veerg. Teisedveerud jaavad endiseks.

Viimased lemmad utlevad, et elementaarteisenduste sooritaminemaatriksi ridadega (veergudega) on samavaarne maatriksikorrutamisega vasakult (paremalt) elementaarmaatriksitega.

Lause 5.5.1. Maatriks on regulaarne parajasti siis, kui ta esitubelementaarmaatriksite korrutisena.

Page 68: Algebra Slides

Viimasest lausest tuleneb jargmine vote poordmaatriksi leidmiseks.Kirjutame regulaarmaatriksi A korvale (paremale) sama jarkuuhikmaatriksi. Nii moodustunud n× 2n maatriksit C teisendameridade elementaarteisenduste abil, kuni maatriks A asendubuhikmaatriksiga. Seejuures maatriksi C viimaste n veerumoodustatud uhikmaatriks teiseneb maatriksiks A−1.

5.6 Lineaarvorrandisusteemid

Definitsioon 5.6.1. Lineaarvorrandisusteemiks ule korpuse K

nimetatakse vorrandisusteemi, mis koosneb vorranditest

ai1x1 + · · ·+ ainxn = bi, 1 ≤ i ≤ m,

kus aij , bi ∈ K.

Page 69: Algebra Slides

Elemente aij nimetatakse vorrandisusteemi kordajateks, elemente bi

vabaliikmeteks. m× n-maatriksit A = (aij) nimetatakse antudvorrandisusteemi maatriksiks. Maatriksit, mille saame, kuimaatriksile A lisame uue veeruna vabaliikmed, nimetatakse antudvorrandisusteemi laiendatud maatriksiks.

Lause 5.6.1. Kui lineaarvorrandisusteemi laiendatud maatriksitteisendada ridade elementaarteisenduste abil, siis tekib esialgsevorrandisusteemiga ekvivalentse vorrandisusteemi laiendatudmaatriks.

Teoreem 5.6.1. (Kronecker-Capelli teoreem.)Lineaarvorrandisusteem on lahenduv parajasti siis, kui temamaatriksi ja tema laiendatud maatriksi astakud on vordsed.

Page 70: Algebra Slides

Leopold Kronecker (1823-1891) saksa matemaatik

Alfredo Capelli (1855-1910) itaalia matemaatik

Gaussi meetod lineaarvorrandisusteemi lahendamiseks seisneb temalaiendatud maatriksi teisendamises ridade elementaarteisenduste abil,kuni vorrandisusteem teiseneb kujule, mis voimaldab osa tundmatuidavaldada ulejaanute (nn vabade tundmatute) kaudu. Vabadeletundmatutele voib anda vaartusi taiesti vabalt. Igale vabadetundmatute vaartustusele vastab uks vorrandisusteemi lahend.

Lause 5.6.2. Lahenduva lineaarvorrandisusteemi vabade tundmatutearv vordub koigi tundmatute arvu ja susteemi maatriksi astakuvahega.Jareldus 5.6.1. Lahenduv lineaarvorrandisusteem on uheseltlahenduv parajasti siis, kui tema tundmatute arv vordub temamaatriksi astakuga.

Page 71: Algebra Slides

Definitsioon 5.6.2. Kui lineaarvorrandisusteemi tundmatute arvuhtib vorrandite arvuga ja susteemi maatriks on regulaarne, siisoeldakse, et tegemist on Crameri peajuhuga.

Gabriel Cramer (1704-1752) Sveitsi matemaatik

Teoreem 5.6.2. Crameri peajuhul oleva lineaarvorrandisusteemilahend on leitav nn Crameri valemitest

xi =∆i

detA,

kus A on vorrandisusteemi maatriks ja ∆i on sellise maatriksideterminant, mis saadakse maatriksi A i-nda veeru asendamiselvabaliikmete veeruga.

Page 72: Algebra Slides

5.7 Homogeenne ja mittehomogeenne

lineaarvorrandisusteem

Definitsioon 5.7.1. Lineaarvorrandisusteemi nimetataksehomogeenseks, kui tema koik vabaliikmed on nullid.

Lause 5.7.1. Homogeense linearvorrandisusteemi koigi lahenditehulk on alamruum vektorruumis Kn, kus n on tundmatute arv. Sellealamruumi moode on n− r, kus r on susteemi maatriksi astak.

Teoreem 5.7.1. Homogeenne lineaarvorrandisusteem, milletundmatute arv vordub vorrandite arvuga, omab mittetriviaalsetlahendit parajasti siis, kui tema maatriksi determinant on 0.

Page 73: Algebra Slides

Lausest 5.7.1 tuleneb, et kui homogeensel lineaarvorrandisusteemil onolemas mittetriviaalne lahend, siis on voimalik leida tema lineaarseltsoltumatu lahendite hulk, mille kaudu avalduvad lineaarselt sellesusteemi koik lahendid. Sellist lahendite hulka nimetatakse antudvorrandisusteemi lahendite fundamentaalsusteemiks.

Lause 5.7.2. Lineaarvorrandisusteemi kahe lahendi vahe on vastavahomogeense vorrandisusteemi lahend. Lineaarvorrandisusteemilahendi ja vastava homogeense vorrandisusteemi lahendi summa onesialgse vorrandisusteemi lahend.

Lause 5.7.3. Lineaarvorrandisusteemi uldlahend on esitatav kujul

c(0) + α1c(1) + · · ·+ αkc(k) ,

kus c(0) on selle susteemi mingi erilahend ja c(1), . . . , c(k) on vastavahomogeense vorrandisusteemi lahendite fundamentaalsusteem.

Page 74: Algebra Slides

6 Polunoomid

6.1 Polunoomide ring

Olgu antud mingi ring R. Vaatleme koigi selliste jadade hulka, milleelemendid kuuluvad ringi R ja sealjuures mingist kohast alates onkoik vordsed ringi R nullelemendiga. Teatud pohjustel, mis selguvadhiljem, tahistame seda hulka sumboliga R[X]. Niisiis, jadaa = (a0, a1, a2, . . . ) kuulub hulka R[X] parajasti siis, kui leidub n, niiet iga k > n korral ak = 0.

Jadade a = (a0, a1, a2, . . . ) ja b = (b0, b1, b2, . . . ) liitmine jakorrutamine defineeritakse valemitega:

a + b = c = (c0, c1, c2, . . . ) ,

Page 75: Algebra Slides

kus ci = ai + bi, i = 0, 1, 2, . . . ja

ab = d = (d0, d1, d2, . . . ) ,

kus di = a0bi + a1bi−1 + · · ·+ aib0.

Lause 6.1.1. Hulk R[X] on defineeritud tehete suhtes ring.

Lause 6.1.2. Kui ring R on kommutatiivne (nulliteguriteta), siis karing R[X] on kommutatiivne (nulliteguriteta).

Lause 6.1.3. Hulk R′, mis koosneb koigist jadadest (a, 0, 0, . . . ), kusa ∈ R, on ringi R[X] alamring. Kujutus φ : R → R′,φ(a) = (a, 0, 0, . . . ), on ringide isomorfism.

Viimane lause lubab samastada polunoomi (a, 0, 0, . . . ) ringi R

elemendiga a ning seega vaadelda ringi R kui ringi R[X] alamringi.Ringi R′ elemente nimetatakse ka konstantseteks polunoomideks.

Page 76: Algebra Slides

Votame kasutusele sumboli X = (0, 1, 0, 0, . . . ).

Lause 6.1.4. Ringi R[X] element a = (a0, a1, a2, . . . , an, 0, 0, . . . ) onkirja pandav kujul

a = a0 + a1X + · · ·+ an−1Xn−1 + anXn .

Liidetavaid aiXi nimetatakse polunoomi a liikmeteks, ringi R

elemente ai aga selle polunoomi kordajateks. Liiget a0 = a0X0

nimetatakse polunoomi a vabaliikmeks. Kui an 6= 0, siis anXn

nimetatakse polunoomi a pealiikmeks. Naeme, et pealiige on olemasvaid nullist erinevatel polunoomidel.

Definitsioon 6.1.1. Kui polunoomi pealiige sisaldab muutujatastmes n, siis oeldakse, et polunoomi aste on n. Polunoomi a astettahistatakse deg(a).

Page 77: Algebra Slides

Eelnevast jareldub, et nullpolunoomi aste ei ole defineeritud, kuidaste 0 on parajasti nullist erinevatel konstantsetel polunoomidel.Monikord lepitakse kokku, et nullpolunoomi aste on −∞.

Lause 6.1.5. Polunoomi astmel on jargmised omadused:

• kahe polunoomi summa aste ei uleta kummagi liidetava astet;

• kahe polunoomi korrutise aste ei uleta tegurite astmete summat;

• kui ring R on nulliteguriteta, siis polunoomide a, b ∈ R[X]korrutise aste on vordne tegurite astmete summaga.

Lause 6.1.6. Kui ring R on nulliteguriteta, siis ringi R[X]pooratavad elemendid on parajasti ringi R pooratavad elemendid(vaadelduna konstantsete polunoomidena).

Page 78: Algebra Slides

Jareldus 6.1.1. Kui K on korpus, siis ringi K[X] pooratavadelemendid on parajasti nullist erinevad konstantsed polunoomid.

6.2 Jaguvus kommutatiivsetes nulliteguriteta

ringides

Selle teema ulatuses on koik vaadeldavad ringid kommutatiivsed janulliteguriteta.

Definitsioon 6.2.1. Olgu a ja b ringi R elemendid. Oeldakse, et b

on a jagaja, kui leidub niisugune c ∈ R, et a = bc.

Seda, et b on a jagaja, tahistatakse nii: b|a. Selle kohta oeldakse ka,et a jagub b-ga voi et b jagab a-d.

Page 79: Algebra Slides

Lause 6.2.1. Jaguvuse seosel on jargmised omadused:

• kui a|b ja b|c, siis a|c;• kui a|b ja a|c, siis a|(b± c);

• iga a ∈ R korral a|a ja a|0;• kui a ∈ U(R) ja b ∈ R, siis a|b.

Definitsioon 6.2.2. Oeldakse, et ringi elemendid a ja b onassotsieeritud, kui a|b ja b|a. Seda, et a ja b on assotsieeritud,tahistame nii: a ∼ b.

Lause 6.2.2. Ringi elementide assotsieeritus on ekvivalentsiseos.

Lause 6.2.3. Ringi R elemendid a ja b on assotsieeritud parajastisiis, kui leidub u ∈ U(R), nii et a = ub.

Page 80: Algebra Slides

Definitsioon 6.2.3. Ringi R elementide a ja b suurimaksuhisteguriks nimetatakse nende niisugust uhist jagajat, mis jagub a jab koigi uhiste jagajatega.

Elementide a ja b suurimat uhistegurit tahistatakse SUT(a, b).

Lause 6.2.4. Kui ringi R elementidel on olemas suurim uhistegur,siis on see maaratud uheselt assotsieerituse tapsuseni.

Lause 6.2.5. Suurima uhisteguri votmisel ringis R on jargmisedomadused:

• SUT(a, b) = a parajasti siis, kui a|b;• iga a ∈ R korral SUT(a, 0) = a;

• SUT(SUT(a, b), c) =SUT(a,SUT(bc)).

Page 81: Algebra Slides

Markus. Viimase lause viimases punktis eeldatakse, et koik sealesinevad suurimad uhistegurid eksisteerivad.

6.3 Eukleidese ringid

Definitsioon 6.3.1. Kommutatiivset nulliteguriteta ringi R

nimetatakse Eukleidese ringiks, kui on olemas selline kujutusδ : R∗ → N ∪ {0}, et iga a ∈ R ja b ∈ R∗ jaoks, leiduvad q, r ∈ R, niiet a = qb + r, kusjuures r = 0 voi δ(r) < δ(b).

Teoreem 6.3.1. Kui K on korpus, siis K[X] on Eukleidese ring,kusjuures kujutuse δ rolli sobib polunoomi aste deg.

Page 82: Algebra Slides

Teoreem 6.3.2. Eukleidese ringi igal kahel elemendil on olemassuurim uhistegur.

Eukleidese ringi kahe elemendi suurima uhisteguri leidmisekskasutatakse Eukleidese algoritmi.

Olgu a ja b Eukleidese ringi elemendid, kusjuures b 6= 0. Leiameesmalt q1, r1 ∈ R, nii et a = q1b + r1, kusjuures r1 = 0 voiδ(r1) < δ(b).

Kui r1 = 0, siis algoritm lopetab too. Kui r1 6= 0, siis leiameq2, r2 ∈ R, nii et b = q2r1 + r2, kusjuures r2 = 0 voi δ(r2) < δ(r1).

Kui r2 = 0, siis algoritm lopetab too. Kui r2 6= 0, siis leiameq3, r3 ∈ R, nii et r1 = q3r2 + r3, kusjuures r3 = 0 voi δ(r3) < δ(r2).

Nii jatkame, kuni saame rn = 0. Osutub, et siis rn−1=SUT(a, b).

Page 83: Algebra Slides

Teoreem 6.3.3. Kui a ja b on Eukleidese ringi R elemendid jac = SUT(a, b), siis leiduvad r, s ∈ R, nii et c = ar + bs.

6.4 Polunoom kui funktsioon

Kui on antud polunoom f = a0 + a1X + a2X2 + · · ·+ anXn ∈ R[X],

siis saab iga r ∈ R korral leida avaldisea0 + a1r + a2r

2 + · · ·+ anrn ∈ R vaartuse. Seda nimetataksepolunoomi f vaartuseks kohal r ja tahistatakse f(r). Seega maarabiga polunoom f ∈ R[X] teisenduse ehk funktsiooni ringil R

(tegelikult ka igal ringil, mis alamringina sisaldab ringi R). Uldjuhulei tohi polunoomi samastada selle funktsiooniga, mille ta maarab.Siiski, pidades silmas seda, et iga polunoom maarab uhe kindlafunktsiooni, tahistakse polunoome tihti kujul f(X).

Page 84: Algebra Slides

Definitsioon 6.4.1. Polunoomi f ∈ R[X] juureks nimetatakse sellistelementi r ∈ R, et f(r) = 0.

Teoreem 6.4.1. (Bezout teoreem) Olgu f polunoom ule korpuse K

ja a ∈ K. Siis f vaartus kohal a vordub jaagiga, mis tekib f

jagamisel polunoomiga X − a.

Jareldus 6.4.1. Olgu f polunoom ule korpuse K ja a ∈ K. Elementa on polunoomi f juur parajasti siis, kui (X − a)|f .

Etienne Bezout 1730-1783 Prantsuse matemaatik

Teoreem 6.4.2. Kui K on korpus ja f ∈ K[X] on n-nda astmepolunoom, siis f omab ulimalt n juurt.

Page 85: Algebra Slides

Teoreem 6.4.3. (Lagrange’i interpolatsioonivalem) Olgu K korpusja a1, . . . , an, b1, . . . , bn ∈ K, kusjuures a1, . . . , an on paarikaupaerinevad. Siis leidub uheselt maaratud polunoom f ∈ K[X], milleaste on vaiksem kui n, nii et f(ai) = bi, i = 1, . . . , n. Polunoom f onjargmine:

f(X) =n∑

i=1

(X − a1) . . . (X − ai−1)(X − ai+1) . . . (X − an)(ai − a1) . . . (ai − ai−1)(ai − ai+1) . . . (ai − an)

bi .

Joseph Louis de Lagrange (1736-1813) prantsuse matemaatik jamehaanikateadlane.

Page 86: Algebra Slides

6.5 Kordsed juured

Definitsioon 6.5.1. Olgu f polunoom ule korpuse K, a ∈ K temajuur ja m ∈ N. Oeldakse, et juure a kordsus on m, kui (X − a)m|f ,kuid (X − a)m+1 6 |f .

Definitsioon 6.5.2. Olgu f = a0 + a1X + a2X2 + · · ·+ anXn

polunoom ule korpuse K. Polunoomi f tuletiseks nimetataksepolunoomi

f ′ = a1 + 2a2X + 3a3X2 + · · ·+ nanXn−1 .

Lause 6.5.1. Suvaliste polunoomide f, g ∈ K[X] ning naturaalarvu n

korral kehtivad valemid:

• (f + g)′ = f ′ + g′;

• (fg)′ = f ′g + fg′; (fn)′ = nfn−1f ′ .

Page 87: Algebra Slides

Definitsioon 6.5.3. Oeldakse, et korpuse K karakteristika on 0, kuiiga naturaalarvu m korral m · 1 6= 0 (siin 1 on korpuse K

uhikelement).

Teoreem 6.5.1. Kui K on korpus, mille karakteristika on 0 ja a onpolunoomi f ∈ K[X] m-kordne juur, siis ta on f tuletise(m− 1)-kordne juur.

Lause 6.5.2. Olgu f polunoom ule korpuse K, mille karakteristikaon 0, ning g polunoomide f ja SUT(f, f ′) jagatis. Siis f ja g juurtehulgad korpuses K uhtivad, kuid g koik juured on uhekordsed.

Viimase lause rakendamist, st antud polunoomi f jaoks sellisepolunoomi g leidmist, millel on samad, kuid uhekordsed juured,nimetatakse kordsete juurte eraldamiseks.Teoreem 6.5.2. Kui f on polunoom ule korpuse K, mille aste on n,siis f omab ulimalt n juurt, isegi arvestades kordsusi.

Page 88: Algebra Slides

6.6 Polunoomi lahutuskorpus, algebra

pohiteoreem

Definitsioon 6.6.1. Polunoomi f ∈ K[X] nimetataksetaandumatuks ule korpuse K, kui ta ei ole konstantne ning tema igaslahutuses kahe polunoomi korrutiseks on uks tegur konstantne.

Lause 6.6.1. Iga mittekonstantne polunoom esitub taandumatutepolunoomide korrutisena.

Teoreem 6.6.1. Olgu f mittekonstantne polunoom ule korpuse K.Siis leidub korpus L, mis sisaldab korpust K alamkorpusena, nii et f

lahutub esimese astme polunoomide korrutiseks ule L.Definitsioon 6.6.2. Polunoomi f ∈ K[X] lahutuskorpuseksnimetatakse sellist minimaalset korpust, mis alamkorpusena sisaldabkorpust K ja ule mille polunoom f lahutub esimese astmepolunoomide korrutiseks.

Page 89: Algebra Slides

Teoreem 6.6.2. Iga mittekonstantse polunoomi jaoks ule korpuseleidub lahutuskorpus, mis on uheselt maaratud isomorfismi tapsuseni.

Definitsioon 6.6.3. Korpust K nimetatakse algebraliselt kinniseks,kui iga mittekonstantne polunoom f ∈ K[X] lahutub esimese astmepolunoomide korrutiseks ule K.

Lause 6.6.2. Jargmised tingimused korpusele K on samavaarsed:

• K on algebraliselt kinnine;

• iga mittekonstantne polunoom f ∈ K[X] omab juurt korpuses K;

• ainukesed taandumatud polunoomid ule K on esimese astmepolunoomid.

Page 90: Algebra Slides

Teoreem 6.6.3. (Algebra pohiteoreem) Kompleksarvude korpus onalgebraliselt kinnine.

Lemma 6.6.1. Kui α ∈ C on polunoomi f ∈ R[X] juur, siis ka α onf juur.Teoreem 6.6.4. Taandumatud polunoomid ule R on: a) esimeseastme polunoomid ja b) teise astme polunoomid, millel puuduvadreaalarvulised juured.

6.7 Ringi jagatiste korpus

Definitsioon 6.7.1. Korpust K nimetatakse ringi R jagatistekorpuseks, kui ta sisaldab ringi R alamringina ja K iga elementesitub kujul ab−1, kus a, b ∈ R.Teoreem 6.7.1. Iga kommutatiivne nulliteguriteta ring omabjagatiste korpust.

Page 91: Algebra Slides

Ringi R jagatiste korpust hakkame tahistama sumboliga Q(R).

Definitsioon 6.7.2. Kui K on korpus, siis ringi K[X] jagatistekorpust nimetatakse ratsionaalmurdude korpuseks ule korpuse K.

Definitsioon 6.7.3. Nullist erineva ratsionaalmurru fg astmeks

nimetatakse taisarvu deg f − deg g.

Definitsioon 6.7.4. Ratsionaalmurdu, mille aste on negatiivne,nimetatakse lihtmurruks.

Lause 6.7.1. Iga nullist erinev ratsionaalmurd esitub uheseltpolunoomi ja lihtmurru summana.

Page 92: Algebra Slides

Definitsioon 6.7.5. Ratsionaalmurdu fgm , kus g on taandumatu

polunoom ja deg f < deg g, nimetatakse algmurruks.

Teoreem 6.7.2. Iga lihtmurd on esitatav algmurdude summana.

7 Vektorruumide lineaarteisendused

7.1 Lineaarkujutuste vektorruum

Definitsioon 7.1.1. Olgu V1 ja V2 vektorruumid ule korpuse K.Kujutust φ : V1 → V2 nimetatakse lineaarseks, kui ta rahuldabtingimusi:

• φ(x + y) = φ(x) + φ(y) iga x, y ∈ V korral;

• φ(αx) = α(φ(x)) suvaliste x ∈ V , α ∈ K korral.

Page 93: Algebra Slides

Seega voib oelda, et lineaarkujutus on niisugune kujutus uhestvektorruumist teise, mis sailitab vektorruumi tehted. Algebrasnimetatakse uldiselt selliseid kujutusi, mis sailitavad vaadeldavastruktuuri tehted, homomorfismideks. Seeparast hakkame tahistamakoigi lineaarkujutuste hulka vektorruumist V1 vektorruumi V2

sumboliga Hom(V1, V2).

Definitsioon 7.1.2. Lineaarkujutust vektorruumist V iseendassenimetatakse vektorruumi V lineaarteisenduseks.

Uldiselt nimetatakse algebras homomorfisme mingist algebraliseststruktuurist iseendasse endomorfismideks. Selleparast tahistamevektorruumi V koigi lineaarteisenduste hulka sumboliga EndV .Eelneva pohjal End V = Hom(V, V ).

Page 94: Algebra Slides

Definitsioon 7.1.3. Lineaarkujutuste φ, ψ ∈ Hom(V1, V2) summaksnimetatakse kujutust φ + ψ, mis on defineeritud eeskirjaga

(φ + ψ)(x) = φ(x) + ψ(x), x ∈ V1 .

Lause 7.1.1. Lineaarkujutuste summa on ise ka lineaarkujutus.

Definitsioon 7.1.4. Lineaarkujutuse φ ∈ Hom(V1, V2) korrutiseksskalaariga α ∈ K nimetatakse kujutust αφ, mis on defineeritudeeskirjaga

(αφ)(x) = α(φ(x)), x ∈ V1 .

Lause 7.1.2. Lineaarkujutuse korrutis skalaariga on ise kalineaarkujutus.

Lause 7.1.3. Kui V1 ja V2 on vektorruumid ule korpuse K, siis kaHom(V1, V2) on vektorruum ule korpuse K.

Page 95: Algebra Slides

Definitsioon 7.1.5. Olgu φ ∈ Hom(V1, V2) ning e1, . . . , en jaf1, . . . , fm olgu baasid vastavalt vektorruumides V1 ja V2. Siism× n-maatriksit, mille i-ndas veerus on vektori φ(ei) koordinaadidbaasil f1, . . . , fm, nimetatakse φ maatriksiks antud baaside suhtes.

Lause 7.1.4. Olgu V1 ja V2 vektorruumid ule korpuse K, kusjuurese1, . . . , en ja f1, . . . , fm olgu nende baasid. Siis kujutus, mis igalelineaarkujutusele φ ∈ Hom(V1, V2) seab vastavusse tema maatriksiantud baaside suhtes, on isomorfism vektorruumist Hom(V1, V2)vektorruumi Matm,nK.

Page 96: Algebra Slides

Jareldus 7.1.1. Kui V1 ja V2 on vastavalt n- ja m-mootmelinevektorruum ule korpuse K, siis vektorruumi Hom(V1, V2) moode onmn.

7.2 Lineaarteisenduste ring

Lineaarkujutuste korrutamine tahendab nende jarjest rakendamist.Seega, kui φ ∈ Hom(V1, V2) ja ψ ∈ Hom(V2, V3), siis ψφ on kujutusvektorruumist V1 vektorruumi V3, mis on defineeritud eeskirjaga(ψφ)(x) = ψ(φ(x)).

Lause 7.2.1. Kui φ ∈ Hom(V1, V2) ja ψ ∈ Hom(V2, V3), siisψφ ∈ Hom(V1, V3).

Teoreem 7.2.1. Iga vektorruumi V korral on hulk EndV ulaldefineeritud liitmise ja korrutamise suhtes ring.

Page 97: Algebra Slides

Definitsioon 7.2.1. Olgu V vektorruum, e1, . . . , en tema baas jaφ ∈ EndV . Lineaarteisenduse φ maatriksiks baasil e1, . . . , en

nimetatakse n-ndat jarku ruutmaatriksit A = (aij), mille i-ndaveeruvektori komponendid on vektori φ(ei) koordinaadid baasile1, . . . , en, i = 1, . . . , n.

Teoreem 7.2.2. Olgu V vektorruum ule korpuse K ja e1, . . . , en

tema mingi baas. Kujutus, mis V igale lineaarteisendusele seabvastavusse tema maatriksi baasil e1, . . . , en, on isomorfism ringideEnd V ja MatnK vahel.

7.3 Lineaarkujutuse tuum ja kujutis

Definitsioon 7.3.1. Lineaarkujutuse φ ∈ Hom(V1, V2) tuumaksnimetatakse hulka {x ∈ V1 |φ(x) = 0}.

Page 98: Algebra Slides

Lause 7.3.1. Lineaarkujutuse φ ∈ Hom(V1, V2) tuum on vektorruumiV1 alamruum.

Definitsioon 7.3.2. Lineaarkujutuse φ ∈ Hom(V1, V2) kujutiseksnimetatakse hulka {φ(x) |x ∈ V1}.

Lause 7.3.2. Lineaarkujutuse φ ∈ Hom(V1, V2) kujutis onvektorruumi V2 alamruum.

Lineaarkujutuse φ ∈ Hom(V1, V2) tuuma ja kujutist tahistataksevastavalt sumbolitega Ker φ ja Im φ

Page 99: Algebra Slides

Lause 7.3.3. Lineaarkujutus φ on uksuhene parajasti siis, kuiKer φ = {0}.

Lause 7.3.4. Lineaarkujutus φ ∈ Hom(V1, V2) on pealekujutusparajasti siis, kui Imφ = V2.

Definitsioon 7.3.3. Lineaarkujutuse tuuma ja kujutise mootmeidnimetatakse vastavalt selle lineaarkujutuse defektiks ja astakuks.

Teoreem 7.3.1. Lineaarkujutuse φ ∈ Hom(V1, V2) defekti ja astakusumma vordub vektorruumi V1 mootmega.

Page 100: Algebra Slides

Lause 7.3.5. Lineaarkujutuse φ ∈ Hom(V1, V2) astak vordub sellekujutuse maatriksi astakuga.

7.4 Lineaarkujutused, lineaarvorrandisusteemid ja

maatriksid

Lause 7.4.1. Kui A ∈ Matm,n(K), siis kujutus φ : Kn → Km, mison antud eeskirjaga:

φ(x1, . . . , xn) = (y1, . . . , ym) ⇐⇒ A

x1

...

xn

=

y1

...

ym

,

on lineaarkujutus ja tema maatriks vektorruumide Kn ja Km

kanooniliste baaside suhtes on A.

Page 101: Algebra Slides

Lause 7.4.2. Olgu V ja V ′ vektorruumid ule korpuse K ning e ja e′

baasid vastavalt neis vektorruumides. Kui φ ∈ Hom(V, V ′) jaA = Ae,e′

φ , siis

φ(x) = y ⇐⇒ A

x1

...

xn

=

y1

...

ym

,

kus x1, . . . , xn on vektori x koordinaadid baasil e ja y1, . . . , ym onvektori y koordinaadid baasil e′.

Page 102: Algebra Slides

7.5 Lineaarteisenduse maatriksi soltuvus baasist

Olgu vektorruumis V antud kaks baasi: e1, . . . , en ja e′1, . . . , e′n.

Tahistame neid baase jargnevas luhidalt sumbolitega e ja e′.

Definitsioon 7.5.1. Uleminekumaatriksiks baasilt e baasile e′

nimetatakse maatriksit Ce,e′ , mille i-ndas veerus on vektori e′ikoordinaadid baasil e, i = 1, . . . , n.

Page 103: Algebra Slides

Lause 7.5.1. Uleminekumaatriksil on jargmised omadused:

• Iga uleminekumaatriks on regulaarne, kusjuures tema jark vordubvektorruumi mootmega;

• kui e on n-mootmelise vektorruumi baas ja C on n-ndat jarkuregulaarmaatriks, siis C on uleminekumaatriks baasilt e

vektorruumi V mingile baasile e′;

• kui e′ on n-mootmelise vektorruumi baas ja C on n-ndat jarkuregulaarmaatriks, siis C on uleminekumaatriks vektorruumi V

mingilt baasilt e baasile e′;

• iga baasi e korral on Ce,e uhikmaatriks;

• vektorruumi V suvaliste baaside e ja e′ korral Ce′,e = (Ce,e′)−1;

• vektorruumi V suvaliste baaside e, e′ ja e′′ korralCe,e′′ = Ce,e′Ce′,e′′ .

Page 104: Algebra Slides

Lause 7.5.2. Olgu vektorruumis V antud baasid e ja e′ ningφ ∈ EndV . Kui A ja A′ on teisenduse φ maatriksid vastavaltbaasidel e ja e′, siis A′ = C−1AC, kus C = Ce,e′ .

Definitsioon 7.5.2. Kahte sama jarku ruutmaatriksit A ja B

nimetatakse sarnasteks, kui leidub regulaarmaatriks C, nii etB = C−1AC.

Lause 7.5.3. Ruutmaatriksite sarnasus on ekvivalentsiseos.

Teoreem 7.5.1. Maatriksid A, B ∈ MatnK on sarnased parajastisiis, kui nad on sama lineaarteisenduse maatriksiteks mingite baasidesuhtes.

Definitsioon 7.5.3. Maatriksi A ∈ MatnK karakteristlikukspolunoomiks nimetatakse polunoomi f(λ) = det(A− λE).

Page 105: Algebra Slides

Lause 7.5.4. Maatriksi A ∈ MatnK karakteristliku polunoomi asteon n.

Lause 7.5.5. Sarnaste maatriksite karakteristlikud polunoomid onvordsed.

7.6 Lineaarteisenduse omavaartused ja

omavektorid

Definitsioon 7.6.1. Lineaarteisenduse φ ∈ EndV omavektoriksnimetatakse nullist erinevat vektorit a ∈ V , mille jaoks leidubniisugune skalaar λ ∈ K, et φ(a) = λa. Seejuures skalaari λ

nimetatakse teisenduse φ omavaartuseks.

Teoreem 7.6.1. Lineaarteisenduse maatriks mingil baasil ondiagonaalmaatriks parajasti siis, kui see baas koosneb sellelineaarteisenduse omavektoritest.

Page 106: Algebra Slides

Definitsioon 7.6.2. Lineaarteisenduse karakteristlikuks polunoomiksnimetatakse selle lineaarteisenduse maatriksi karakteristlikkupolunoomi.

Markus. Eelnevast on selge, et nii defineeritud polunoom ei soltubaasi valikust.

Lause 7.6.1. Lineaarteisenduse omavaartused on temakarakteristliku polunoomi juured.

Jareldus 7.6.1. n-mootmelise vektorruumi lineaarteisendusel onulimalt n omavaartust.

Lause 7.6.2. Kui λ1, . . . , λk on mingi lineaarteisenduse paarikaupaerinevad omavaartused ja a1, . . . , ak on neile vastavad omavektorid,siis vektorite susteem a1, . . . , ak on lineaarselt soltumatu.

Page 107: Algebra Slides

Jareldus 7.6.2. Kui n-mootmelise vektorruumi lineaarteisenduselon n erinevat omavaartust, siis selles vektorruumis leidub sellelineaarteisenduse omavektoritest koosnev baas.

Page 108: Algebra Slides

8 Eukleidilised ruumid

8.1 Eukleidilise ruumi moiste

Definitsioon 8.1.1. Olgu V vektorruum ule R. KujutustV × V → R, (a, b) → 〈a, b〉 nimetatakse skalaarkorrutiseksvektorruumil V , kui on taidetud jargmised tingimused:

• suvaliste a, b ∈ V korral 〈a, b〉 = 〈b, a〉;• suvaliste a, b, c ∈ V korral 〈a, b + c〉 = 〈a, b〉+ 〈a, c〉;• suvaliste a, b ∈ V ja α ∈ R korral 〈a, αb〉 = α〈a, b〉;• iga a ∈ V korral 〈a, a〉 ≥ 0;

• kui 〈a, a〉 = 0, siis a = 0.

Page 109: Algebra Slides

Definitsioon 8.1.2. Eukleidiliseks ruumiks nimetatakseloplikumootmelist vektorruumi ule R, millel on defineeritudskalaarkorrutis.

Lause 8.1.1. Skalaarkorrutisel on jargmised omadused:

• iga vektori a korral 〈a, 0〉 = 0;

• suvaliste vektorite a ja b korral 〈a,−b〉 = −〈a, b〉;• suvaliste vektorite a, b ja c korral 〈a, b− c〉 = 〈a, b〉 − 〈a, c〉;• suvaliste vektorite a1, . . . , am, b1, . . . , bn ja skalaaride

α1, . . . , αm, β1, . . . , βn korral

〈m∑

i=1

αiai,n∑

j=1

βibi〉 =m,n∑

i,j=1

αiβj〈ai, bj〉 .

Page 110: Algebra Slides

8.2 Vektori pikkus ja nurk vektorite vahel

Definitsioon 8.2.1. Eukleidilise ruumi vektori a pikkuseksnimetatakse reaalarvu

√〈a, a〉, mida tahistatakse sumboliga |a|.

Markus. Arvu 〈a, a〉 nimetatakse vektori a skalaar-ruuduks. Seegadefineeritakse vektori pikkus kui ruutjuur tema skalaar-ruudust.

Lause 8.2.1. Vektori pikkusel on jargmised omadused:

• iga vektori pikkus on mittenegatiivne reaalarv;

• nullvektor on ainuke vektor, mille pikkus on 0;

• iga vektori a ja reaalarvu α korral |αa| = |α||a|.

Page 111: Algebra Slides

Definitsioon 8.2.2. Eukleidilise ruumi vektorit, mille pikkus on 1,nimetatakse uhikvektoriks.

Eelmisest lausest jareldub, et iga nullist erineva vektori a korral on|a|−1a uhikvektor.

Lause 8.2.2. Iga kahe vektori a ja b korral kehtib nnCauchy-Bunjakovski vorratus |〈a, b〉| ≤ |a||b|.

Viktor Bunjakovski (1804-1889) – vene matemaatik

Jareldus 8.2.1. Iga kahe vektori a ja b korral |a + b| ≤ |a|+ |b|(kolmnurga vorratus).

Cauchy-Bunjakovski vorratus voimaldab defineerida nurga vektoritea ja b vahel kui sellise nurga, mille koosinus on 〈a,b〉

|a||b| .

Page 112: Algebra Slides

Definitsioon 8.2.3. Oeldakse, et Eukleidilise ruumi vektorid a ja b

on risti ehk ortogonaalsed, kui nende skalaarkorrutis on 0.

8.3 Ortogonaalsed vektorite susteemid

Definitsioon 8.3.1. Vektorite susteemi, mille vektorid onpaarikaupa ortogonaalsed, nimetatakse ortogonaalseks vektoritesusteemiks.

Definitsioon 8.3.2. Ortogonaalset vektorite susteemi, mis koosnebuhikvektoritest, nimetatakse ortonormeeritud vektorite susteemiks.

Lause 8.3.1. Ortogonaalne nullist erinevatest vektoritest koosnevsusteem on lineaarselt soltumatu.

Teoreem 8.3.1. Igas Eukleidilises ruumis on olemasortonormeeritud baas.

Page 113: Algebra Slides

Viimase teoreemi toestus tugineb nn Gram-Schmidtiortogonaliseerimisprotsessile.

Jørgen Pedersen Gram (1850–1916) – taani matemaatik

Erhard Schmidt (1876–1959) – saksa matemaatik, sundinud Tartus,oppinud Tartu Ulikoolis 1893–1899

Lause 8.3.2. Kui Eukleidilise ruumi kahe vektori koordinaadid onantud mingi ortonormeeritud baasi suhtes, siis nende skalaarkorrutisvordub vastavate koordinaatide korrutiste summaga.

Definitsioon 8.3.3. Eukleidilisi ruume V ja V ′ nimetatakseisomorfseteks, kui leidub vektorruumide isomorfism φ : V → V ′, missailitab skalaarkorrutise, st suvaliste vektorite a, b ∈ V korral〈φ(a), φ(b)〉 = 〈a, b〉.

Page 114: Algebra Slides

Teoreem 8.3.2. Kaks Eukleidilist ruumi on isomorfsed parajastisiis, kui nende mootmed on vordsed.

8.4 Ortogonaalmaatriksid ja

ortogonaalteisendused

Definitsioon 8.4.1. Maatriksit A ∈ MatnR nimetatakseortogonaalseks, kui AT = A−1.

Lause 8.4.1. Ortogonaalmaatriksi determinant on 1 voi −1. Seegaon koik ortogonaalmaatriksid regulaarsed.

Page 115: Algebra Slides

Lause 8.4.2. Koigi n-ndat jarku ortogonaalmaatriksite hulk on ruhmmaatriksite korrutamise suhtes. Ta on koigi n-ndat jarku,reaalarvuliste elementidega regulaarmaatriksite ruhma alamruhm.

Definitsioon 8.4.2. Eukleidilise ruumi lineaarteisendust, missailitab skalaarkorrutise, nimetatakse ortogonaalteisenduseks.

Lause 8.4.3. Jargmised tingimused Eukleidilise ruumilineaarteisenduse φ kohta on samavaarsed:

• φ on ortogonaalne;

• φ maatriks mistahes ortonormeeritud baasil on ortogonaalne;

• φ maatriks mingil ortonormeeritud baasil on ortogonaalne.

Page 116: Algebra Slides

Jareldus 8.4.1. Eukleidilise ruumi koik ortogonaalteisendused onbijektiivsed. Nad moodustavad ruhma lineaarteisenduste korrutamisesuhtes.

Lause 8.4.4. Uleminekumaatriks Eukleidilise ruumi uheltortonormeeritud baasilt teisele ortonormeeritud baasile onortogonaalne. Teiselt poolt, kui uleminekumaatriks Eukleidilise ruumiuhelt baasilt teisele on ortogonaalne ja uks neist baasidest onortonormeeritud, siis ka teine baas on ortonormeeritud.

Page 117: Algebra Slides

8.5 Kaasteisendus

Definitsioon 8.5.1. Eukleidilise ruumi V lineaarteisenduse φ

kaasteisenduseks nimetatakse selle ruumi niisugust lineaarteisendustφ∗, et suvaliste a, b ∈ V korral

〈φ(a), b〉 = 〈a, φ∗(b)〉 .

Teoreem 8.5.1. Eukleidilise ruumi igal lineaarteisendusel φ ontapselt uks kaasteisendus. Sealjuures, kui φ maatriks mingilortonormeeritud baasil e on A, siis φ∗ maatriks baasil e on AT .

Page 118: Algebra Slides

8.6 Eukleidilise ruumi summeetrilised

lineaarteisendused

Definitsioon 8.6.1. Eukleidilise ruumi lineaarteisendust, mis uhtiboma kaasteisendusega, nimetatakse summeetriliseks.Lause 8.6.1. Eukleidilise ruumi summeetrilise lineaarteisendusemaatriks mistahes ortonormeeritud baasil on summeetriline.

Lause 8.6.2. Eukleidilise ruumi summeetrilise lineaarteisenduse koikomavaartused on reaalsed.

Teoreem 8.6.1. Eukleidilise ruumi summeetrilise lineaarteisendusejaoks leidub tema omavektoritest koosnev ortonormeeritud baas.

Teoreem 8.6.2. Iga reaalarvuliste elementidega summeetriliseruutmaatriksi A jaoks leidub ortogonaalmaatriks C, nii et C−1AC ondiagonaalmaatriks.

Page 119: Algebra Slides

9 Funktsionaalid ja vormid

9.1 Vektorruumi kaasruum

Funktsionaal – kujutus, mille vaartused on skalaarid.

Teatavasti on vektorruumi pohikorpus vaadeldav, kui uhemootmelinevektorruum ule sama korpuse.

Definitsioon 9.1.1. Olgu V vektorruum ule korpuse K.Vektorruumil V kaasruumiks ehk duaalseks ruumiks nimetataksevektorruumi Hom(V, K). Kaasruumi elemente nimetatakselineaarseteks funktsionaalideks antud vektorruumil.

Vektorruumi V kaasruumi tahistatakse sumboliga V ∗.

Page 120: Algebra Slides

Naiteid

• Olgu V Eukleidiline ruum ja a ∈ V mingi fikseeritud vektor. Siiskujutus φ : V → R, mis on defineeritud eeskirjaga φ(x) = (x, a),on lineaarne funktsionaal vektorruumil V .

• Olgu V koigi loigul [0, 1] integreeruvate funktsioonidevektorruum (see on lopmatumootmeline). Siis kujutusφ : V → R, mis seab igale funktsioonile f ∈ V vastavusse∫ 1

0f(x)dx, on lineaarne funktsionaal vektorruumil V .

• Olgu V koigi uhe muutuja polunoomide vektorruum ule korpuseK (ka see on lopmatumootmeline) ja a ∈ K mingi fikseeritudelement. Siis kujutus φ : V → K, mis seab igale polunoomilef ∈ V vastavusse tema vaartuse kohal a, on lineaarnefunktsionaal vektorruumil V .

Page 121: Algebra Slides

Kui dim V = n, siis dim V ∗ = n · 1 = n. Naitame, kuidas vektorruumiV mingist baasist e lahtudes konstrueerida kaasruumi baas e∗.

Lause 9.1.1. Olgu e1, . . . , en vektorruumi V baas. Tahistame ei abillineaarset funktsionaali vektorruumil V , mis kujutab baasivektori ei

skalaariks 1 ning ulejaanud baasivektorid nulliks. Siis lineaarsetefunktsionaalide susteem e1, . . . , en on kaasruumi V ∗ baas.

Eelmises lauses defineeritud kaasruumi baasi nimetame vektorruumiV antud baasi kaasbaasiks ja tahistame seda sumboliga e∗.

Page 122: Algebra Slides

9.2 Bilineaarsed funktsionaalid ja bilineaarvormid

Definitsioon 9.2.1. Olgu V vektorruum ule korpuse K. Kujutustf : V × V → K nimetatakse bilineaarseks funktsionaaliksvektorruumil V , kui on taidetud jargmised tingimused:

• f(x1 + x2, y) = f(x1, y) + f(x2, y);

• f(αx, y) = αf(x, y);

• f(x, y1 + y2) = f(x, y1) + f(x, y2);

• f(x, αy) = αf(x, y)

suvaliste x, x1, x2, y, y1, y2 ∈ V ja α ∈ K korral.

Page 123: Algebra Slides

Definitsioon 9.2.2. Olgu V vektorruum ule korpuse K, f olgubilineaarne funktsionaal vektorruumil V ning e1, . . . , en olgu V mingibaas. Siis f maatriksiks antud baasil nimetatakse maatriksitA = (aij), kus aij = f(ei, ej), i, j = 1, . . . , n.

Kui f on bilineaarne funktsionaal vektorruumil V ja A on f maatriksbaasil e, siis suvaliste x, y ∈ V korral

f(x, y) =n∑

i,j=1

aijxiyj ,

kus xi ja yj on vastavalt vektorite x ja y koordinaadid baasil e.

Viimase valemi paremal pool olevat avaldist nimetataksebilineaarvormiks muutujatest x1, . . . , xn, y1, . . . , yn.

Page 124: Algebra Slides

Lause 9.2.1. n-mootmelise vektorruumi V baasi fikseeriminekorraldab uksuhese vastavuse selle vektorruumi blineaarsetefunktsionaalide ja 2n muutuja bilineaarvormide vahel.

Lause 9.2.2. Uleminekul uhelt baasilt teisele korrutub bilineaarsefunktsionaali maatriks paremalt uleminekumaatriksiga ja vasakultviimase transponeeritud maatriksiga.

Definitsioon 9.2.3. Bilineaarset funktsionaali f vektorruumil V

nimetatakse summeetriliseks, kui f(x, y) = f(y, x) suvaliste x, y ∈ V

korral.

Ilmselt summeetrilise bilineaarse funktsionaali maatriks mistahesbaasil on summeetriline ja vastupidi, kui mingi bilineaarsefunktsionaali maatriks mingil baasil on summetriline, siis seefunktsionaal on ka summeetriline.

Page 125: Algebra Slides

9.3 Ruutfunktsionaalid ja ruutvormid

Definitsioon 9.3.1. Olgu V vektorruum ule korpuse K. KujutustF : V → K nimetatakse ruutfunktsionaaliks vektorruumil V , kuileidub selline summeetriline bilineaarne funktsionaal vektorruumil V ,et F (x) = f(x, x) iga x ∈ V korral.

Lause 9.3.1. Kui F on ruutfunktsionaal vektorruumil ule korpuseK, mille karakteristika ei ole 2, siis on summeetriline bilineaarnefunktsionaal, mis maarab F , uheselt maaratud.

Edaspidi eeldame selle peatuki valtel, et korpuse K karakteristika eiole 2.

Definitsioon 9.3.2. Ruutfunktsionaali maatriksiks mingil baasilnimetatakse teda maarava summeetrilise bilineaarse funktsionaalimaatriksit sellel baasil.

Page 126: Algebra Slides

Lause 9.3.2. Olgu F ruutfunktsionaal n-mootmelisel vektorruumilV , mille maatriks baasil e on A = (aij) ning vektori x ∈ V

koordinaadid baasil e olgu x1, . . . , xn. Siis

F (x) =n∑

i,j=1

aijxixj .

Viimase vorduse paremal pool asuvat avaldist nimetatakseruutvormiks muutujatest x1, . . . , xn. Seega baasi fikseerimisel seostubiga ruutfunktsionaaliga uks kindel ruutvorm. Ruutfunktsionaalivaartuste arvutamiseks tuleb asendada ruutvormi muutujad vektorikoordinaatidega. Vastupidi: iga ruutvorm defineerib mingiruutfunktsionaali viimase valemi abil.

Page 127: Algebra Slides

Lause 9.3.3. Olgu V n-mootmeline vektorruum ule korpuse K.Vektorruumi V baasi fikseerimine korraldab uksuhesed vastavusedsellel vektorruumil defineeritud ruutfunktsionaalide, summeetrilisten-ndat jarku ruutmaatriksite ule korpuse K ja n muutujaruutvormide ule K vahel.

Lause 9.3.4. Uleminekul uhelt baasilt teisele korrutubruutfunktsionaali maatriks paremalt uleminekumaatriksiga ja vasakultviimase transponeeritud maatriksiga.

Definitsioon 9.3.3. Oeldakse, et ruutvormil on kanooniline kuju,kui temas puuduvad liikmed erinevate muutujate korrutisega.

Definitsioon 9.3.4. Baasi, mille suhtes ruutfunktsionaalile vastabkanoonilisel kujul olev ruutvorm, nimetatakse selle ruutfunktsionaalikanooniliseks baasiks.

Page 128: Algebra Slides

Teoreem 9.3.1. Igal ruutfunktsionaalil on olemas kanooniline baas.

9.4 Positiivselt maaratud ruutfunktsionaalid

Definitsioon 9.4.1. Ruutfunktsionaali F vektorruumil V ule Rnimetatakse positiivselt maaratuks, kui F (x) > 0 iga nullist erinevavektori x ∈ V korral.

Definitsioon 9.4.2. Ruutvormi∑n

i,j=1 aijXiXj ule korpuse Rnimetatakse positiivselt maaratuks, kui

∑ni,j=1 aijrirj > 0 suvaliste

r1, . . . , rn ∈ R korral, mis koik ei ole nullid.

Ilmselt esitab positiivselt maaratud ruutfunktsionaali mistahes baasilpositiivselt maaratud ruutvorm ja, vastupidi, positiivselt maaratudruutvorm saab esitada vaid positiivselt maaratud ruutfunktsionaali.

Page 129: Algebra Slides

Definitsioon 9.4.3. n-ndat jarku ruutmaatriksi A = (aij)peamiinoriteks nimetatakse miinoreid

∣∣∣∣∣∣∣∣

a11 . . . a1k

. . . . . . . . .

ak1 . . . akk

∣∣∣∣∣∣∣∣,

k = 1, . . . , k.

Teoreem 9.4.1. Ruutfunktsionaal vektorruumil ule R on positiivseltmaaratud parajasti siis, kui tema maatriksi koik peamiinorid onpositiivsed.