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5 Lineare Abbildungen

5.1 Lineare Abbildungen

Definition 5.1

Lineare Abbildung/Vektorraumhomomorphismus

Sei $K$ ein Körper. Seien $V$, $W$ Vektorräume über $K$. Eine Abbildung $f\colon V\rightarrow W$ heißt lineare Abbildung oder (Vektorraum-)Homomorphismus zwischen $V$ und $W$, falls gilt:

  1. Für alle $v,w\in V$: $f(v+w) = f(v)+f(w)$.

  2. Für alle $a\in K$, $v\in V$: $f(av) = af(v)$.

Beispiel: $\mathop{\rm id}\nolimits _V$. Weitere Beispiele. Rechenregeln.

Isomorphismen (Existenz einer linearen Umkehrabbildung, äquivalent: bijektiv). Isomorphismen erhalten “VR-Eigenschaften”.

Satz 5.2

Sind $W$, $V$ zwei $K$-VR, $\dim W=n$, so bestimmt jede Basiswahl von $W$ einen Isomorphismus $\mathop{\rm Hom}\nolimits _K(W,V)\cong V^n$, d.h. eine lineare Abbildung ist durch die Bilder der Basisvektoren eindeutig bestimmt, und zu jeder “Wahl von Bildern” gibt es genau eine lineare Abbildung.

Koordinatenabbildung: $V$ Vektorraum mit Basis $\mathscr B = (v_1, \dots , v_n)$, $c_{\mathscr B}\colon V \rightarrow K^n$ die eind. best. lin. Abb. mit $v_i\mapsto e_i$.

5.2 Kern und Bild einer linearen Abbildung

$f\colon V\rightarrow W$ ein $K$-Vektorraumhomomorphismus.

Definition 5.3

$\mathop{\rm Ker}(f) = f^{-1}(\{ 0 \} )$.

Lemma 5.4

$\mathop{\rm Ker}(f)$, $\mathop{\rm Im}(f)$ sind UVR.

Satz 5.5

Die lineare Abbildung $f$ ist genau dann injektiv, wenn $\mathop{\rm Ker}(f)=\{ 0\} $.

Theorem 5.6 Dimensionsformel für lineare Abbildungen

Sei $f\colon V\rightarrow W$ eine lineare Abbildung zwischen $K$-VR und sei $V$ endlich-dimensional. Dann gilt:

\[ \dim V = \dim \mathop{\rm Ker}f + \dim \mathop{\rm Im}f. \]

Die Zahl $\dim \mathop{\rm Im}f$ heißt auch der Rang von $f$.

Korollar 5.7

Seien $V$, $W$ endlich-dimensionale $K$-VR, $\dim V = \dim W$, und sei $f\colon V\rightarrow W$ eine lineare Abbildung. Dann sind äquivalent:

  1. $f$ Isomorphismus,

  2. $f$ injektiv,

  3. $f$ surjektiv.