Vektorraum

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Vektoraddition und Multiplikation mit Skalaren: Ein Vektor v (blau) wird zu einem anderen Vektor w addiert (rot, unten). Oben wird w um einen Faktor 2 gestreckt, das Ergebnis ist die Summe v + 2·w.

Ein Vektorraum oder linearer Raum ist eine algebraische Struktur, die in fast allen Zweigen der Mathematik verwendet wird. Vektorräume bilden den zentralen Untersuchungsgegenstand der linearen Algebra. Die Elemente eines Vektorraums heißen Vektoren. Sie können addiert oder mit Skalaren multipliziert werden, das Ergebnis ist wieder ein Vektor desselben Vektorraums. Entstanden ist der Begriff, indem diese Eigenschaften ausgehend von Vektoren des euklidischen Raumes abstrahiert wurden, so dass sie dann auf abstraktere Objekte wie Funktionen oder Matrizen übertragbar sind.

Die Skalare (Zahlen), mit denen man einen Vektor multiplizieren kann, stammen aus einem Körper. Deswegen ist ein Vektorraum immer ein Vektorraum „über“ einem bestimmten Körper. Man spricht beispielsweise von einem Vektorraum über den reellen Zahlen. In den meisten Anwendungen legt man die reellen oder die komplexen Zahlen als Körper zugrunde.

Eine Basis eines Vektorraums ist eine Menge von Vektoren, die es erlaubt, jeden Vektor durch eindeutige, endlich viele Koordinaten darzustellen. Die Anzahl der Basisvektoren wird Dimension des Vektorraums genannt. Sie ist unabhängig von der Wahl der Basis und kann auch unendlich sein. Die strukturellen Eigenschaften eines Vektorraums sind eindeutig durch den Körper, über dem er definiert ist, und seine Dimension bestimmt.

Eine Basis ermöglicht es, Rechnungen mit Vektoren über deren Koordinaten statt mit den Vektoren selbst auszuführen, was manche Anwendungen erleichtert.

Inhaltsverzeichnis

Formale Definition [Bearbeiten]

Sei V eine Menge. Man nennt (V, \oplus, \odot) einen Vektorraum über einem Körper (K,+,\cdot) oder kurz K-Vektorraum, wenn (V,\oplus) eine abelsche Gruppe ist und die Verknüpfung  \odot\;\colon K \times V \to V, die Skalarmultiplikation genannt wird, für alle u,v\in V und \alpha,\beta\in K die Eigenschaften

I: \alpha \odot (\beta \odot v) = (\alpha \cdot \beta) \odot v
IIa: \alpha \odot (u \oplus v) = \alpha \odot u \oplus \alpha \odot v
IIb: (\alpha + \beta) \odot v = \alpha \odot v \oplus \beta \odot v
III:  1 \odot v = v

erfüllt, wobei 1 hier das neutrale Element des Körpers bezeichnet.

Mit anderen Worten: Ein K-Vektorraum ist ein unitärer K-Linksmodul, dessen Grundring K ein (kommutativer) Körper ist.

Anmerkungen [Bearbeiten]

  • (V,\oplus) ist eine abelsche Gruppe“ bedeutet:
  • Die Addition der abelschen Gruppe (V,\oplus) heißt Vektoraddition, ihr neutrales Element Nullvektor.
  • In Analogie zu den Axiomen eines Körpers werden die Vektorraumaxiome I und II der Skalarmultiplikation häufig als Assoziativ-, beziehungsweise Distributivgesetze bezeichnet.[1][2] Dabei ist jedoch zu beachten, dass beim ersten Axiom die Skalarmultiplikation assoziativ mit der Multiplikation in K ist, und dass beim dritten Axiom die Pluszeichen zwei verschiedene Additionen (links die in K bzw. rechts jene in V) bezeichnen.
  • Die zu Distributivgesetzen analogen Axiome IIa und IIb garantieren die Verträglichkeit von Vektoraddition und Skalarmultiplikation.
  • In diesem Artikel werden im Folgenden – wie in der Mathematik üblich – sowohl die Addition im Körper K als auch die Addition im Vektorraum V mit demselben Zeichen „+“ bezeichnet, obwohl es sich um unterschiedliche Verknüpfungen handelt. Genauso werden sowohl die Multiplikation im Körper als auch die skalare Multiplikation zwischen Körperelement und Vektorraumelement mit dem Malpunkt „·“ bezeichnet. Bei beiden Multiplikationen ist es auch üblich, den Malpunkt wegzulassen. In der Praxis besteht keine Gefahr, die beiden Additionen oder die beiden Multiplikationen zu verwechseln. Die Verwendung der gleichen Symbole macht die Vektorraumaxiome besonders suggestiv.

Alternative Definition [Bearbeiten]

Ist (V,+) eine abelsche Gruppe, so bildet die Menge \operatorname{End}(V) der Endomorphismen von V mit punktweiser Addition als Addition, der Komposition von Abbildungen als Multiplikation und der Identität als Einselement einen Ring. Operiert der Körper K auf V, d. h. gibt es einen Ringhomomorphismus \varphi\colon K\to\operatorname{End}(V) von Ringen mit Einselement, so macht dies V zu einem K-Vektorraum.

Die Äquivalenz zu obenstehender Definition ergibt sich, wenn man \alpha\cdot v=\varphi(\alpha)(v) setzt.

Erste Eigenschaften [Bearbeiten]

Für alle \alpha \in K und v,w\in V gelten folgende Aussagen:

  • (-\alpha) \cdot v = - (\alpha \cdot v) = \alpha \cdot (-v).
  • \alpha \cdot v = 0_V \quad\Leftrightarrow\quad \alpha =0_K \text{ oder } v =0_V.
  • Die Gleichung v+x =w ist für alle v,w \in V eindeutig lösbar; die Lösung ist x = w + (-v).

Beispiele [Bearbeiten]

Euklidische Ebene [Bearbeiten]

Ein anschaulicher Vektorraum ist die zweidimensionale Euklidische Ebene \mathbb R^2 (in rechtwinkligen kartesischen Koordinaten) mit den Pfeilklassen (Verschiebungen oder Translationen) als Vektoren und den reellen Zahlen als Skalaren.

\vec v = ( 2 , 3 ) ist die Verschiebung um 2 Einheiten nach rechts und 3 Einheiten nach oben,
\vec w = ( 3 ,-5 ) die Verschiebung um 3 Einheiten nach rechts und 5 Einheiten nach unten.

Die Summe zweier Verschiebungen ist wieder eine Verschiebung, und zwar diejenige Verschiebung, die man erhält, indem man die beiden Verschiebungen nacheinander ausführt:

\vec v + \vec w = ( 5 ,-2 ), d. h. die Verschiebung um 5 Einheiten nach rechts und 2 Einheiten nach unten.

Der Nullvektor \vec 0 = ( 0 , 0 ) entspricht der Verschiebung, die alle Punkte an ihrem Platz belässt, d. h. der identischen Abbildung.

Durch die Streckung der Verschiebung \vec v mit einem Skalar a = 3 aus der Menge der reellen Zahlen erhalten wir das Dreifache der Verschiebung:

a \cdot \vec v = 3 \cdot ( 2 , 3 ) = ( 6 , 9 ).

Alles zu diesem Beispiel gesagte gilt auch in der reellen affinen Ebene.

Kn [Bearbeiten]

Ist K ein Körper und n eine natürliche Zahl, so bildet das n-fache kartesische Produkt

K^n = \{ (v_1, \dots, v_n) \mid v_1, \dots, v_n \in K \},

die Menge aller n-Tupel mit Einträgen in K, einen Vektorraum über K. Die Addition und die skalare Multiplikation werden komponentenweise definiert; für  u = (u_1, u_2, \dots, u_n),  v = (v_1, v_2, \dots, v_n) \in K^n, \alpha \in K setzt man:

 u + v = (u_1, u_2, \dots, u_n) + (v_1, v_2, \dots, v_n) = (u_1 + v_1, u_2 + v_2, \dots, u_n + v_n),
\alpha \cdot v  = \alpha \cdot (v_1, v_2, \dots, v_n) = (\alpha \, v_1, \alpha \, v_2, \dots, \alpha \, v_n).

Häufig werden die n-Tupel als Spaltenvektoren geschrieben, das heißt ihre Einträge stehen untereinander. In dieser Schreibweise gilt:

u + v = \begin{pmatrix} u_1 \\ \vdots \\ u_n \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} v_1 \\ \vdots \\ v_n \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} u_1 + v_1 \\ \vdots \\ u_n + v_n \end{pmatrix},\quad
\alpha \cdot v = \alpha  \cdot \begin{pmatrix} v_1 \\ \vdots \\ v_n \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \alpha \, v_1 \\ \vdots \\  \alpha \, v_n \end{pmatrix}.

Die Vektorräume K^n bilden gewissermaßen die Standardbeispiele für endlichdimensionale Vektorräume. Jeder n-dimensionale K-Vektorraum ist isomorph zum Vektorraum K^n. Mit Hilfe einer Basis kann jedes Element eines Vektorraums eindeutig durch ein Element des K^n als Koordinatentupel dargestellt werden.

Funktionenräume [Bearbeiten]

Hauptartikel: Funktionenraum

Ist K ein Körper, V ein K-Vektorraum und A irgendeine Menge, so kann auf der Menge F(A,V) aller Funktionen f \colon A \to V eine Addition und eine skalare Multiplikation punktweise definiert werden: Für f, g \in F(A,V) und \alpha \in K sind die Funktionen f + g \in F(A,V) und \alpha \cdot f \in F(A,V) definiert durch

(f + g) (x) = f(x) + g(x) für alle x \in A und
(\alpha \cdot f) (x) = \alpha \cdot f(x) für alle x \in A.

Mit dieser Addition und skalaren Multiplikation ist F(A,V) ein K-Vektorraum. Insbesondere gilt dies für F(A,K), wenn also als Zielraum der Körper K selbst gewählt wird. Weitere Beispiele für Vektorräume erhält man als Untervektorräume dieser Funktionenräume.

In vielen Anwendungen ist K = \R, der Körper der reellen Zahlen, oder K = \C, der Körper der komplexen Zahlen, und A ist eine Teilmenge von \R, \R^n, \C oder \C^n. Beispiele sind etwa der Vektorraum aller Funktionen von \R nach \R und die Unterräume C^0(\R,\R) aller stetigen Funktionen und C^k(\R,\R) aller k-mal stetig differenzierbaren Funktionen von \R nach \R.

Raum der linearen Funktionen [Bearbeiten]

Ein einfaches Beispiel für einen Funktionenraum ist der zweidimensionale Raum der reellen linearen Funktionen, das heißt der Funktionen der Form

f\colon\R\to\R,\;x\mapsto a x + b

mit reellen Zahlen a und b. Dies sind diejenigen Funktionen, deren Graph eine Gerade ist. Die Menge dieser Funktionen ist ein Untervektorraum des Raums aller reellen Funktionen, denn die Summe zweier linearen Funktionen ist wieder linear, und ein Vielfaches einer linearen Funktion ist auch eine lineare Funktion.

Zum Beispiel ist die Summe der beiden linearen Funktionen f und g mit

 f(x) = 2x + 3, g(x) = 3x - 5 ,

die Funktion f + g mit

 (f + g)(x) = f(x) + g(x) = 2x + 3 + 3x - 5 = (2+3)x + (3-5) = 5x - 2 .

Das 3-fache der linearen Funktion f ist die lineare Funktion 3f mit

 (3f)(x) = 3 \cdot f(x) = 3 \cdot (2x + 3) = (3 \cdot 2)x + (3 \cdot 3) = 6x + 9 .

Polynomräume [Bearbeiten]

Die Menge K[X] der Polynome mit Koeffizienten aus einem Körper K bildet, mit der üblichen Addition und der üblichen Multiplikation mit einem Körperelement, einen unendlichdimensionalen Vektorraum. Die Menge der Monome \{1,\ x,\ x^2,\ x^3,\ x^4, \dots \} ist eine Basis dieses Vektorraums. Die Menge der Polynome, deren Grad durch ein n \in \mathbb N nach oben beschränkt ist, bildet einen Untervektorraum der Dimension n+1. Beispielsweise bildet die Menge aller Polynome vom Grad kleiner gleich 4, also aller Polynome der Form

ax^4 + b x^3 + c x^2 + d x + e ,

einen 5-dimensionalen Vektorraum mit der Basis \{1,\ x,\ x^2,\ x^3,\ x^4\}.

Bei unendlichen Körpern K kann man die (abstrakten) Polynome mit den zugehörigen Polynomfunktionen identifizieren. Bei dieser Betrachtungsweise entsprechen die Polynomräume Unterräumen des Raums aller Funktionen von K nach K. Zum Beispiel entspricht der Raum aller reellen Polynome vom Grad \le 1 dem Raum der linearen Funktionen.

Körpererweiterungen [Bearbeiten]

Ist L ein Oberkörper von K, so ist L mit seiner Addition und der eingeschränkten Multiplikation K\times L\rightarrow L als skalare Multiplikation ein K-Vektorraum. Die dazu nachzuweisenden Regeln ergeben sich unmittelbar aus den Körperaxiomen für L. Diese Beobachtung spielt eine wichtige Rolle in der Körpertheorie.

Beispielsweise ist \C auf diese Weise ein zweidimensionaler \R-Vektorraum; eine Basis ist \{1, \mathrm i\}. Ebenso ist \R ein unendlichdimensionaler \mathbb Q-Vektorraum, bei dem eine Basis jedoch nicht konkret angegeben werden kann.

Lineare Abbildungen [Bearbeiten]

Hauptartikel: Lineare Abbildung

Lineare Abbildungen sind die Funktionen zwischen zwei Vektorräumen, die in einem gewissen Sinne die Struktur des Vektorraums erhalten, sie sind die Homomorphismen zwischen Vektorräumen im Sinne der universellen Algebra. Eine Funktion f:U\to V zwischen zwei Vektorräumen U und V über demselben Körper K heißt genau dann linear, wenn für alle a,b\in U und alle \lambda\in K

  • f(a+b)=f(a)+f(b)
  • f(\lambda a)=\lambda f(a)

erfüllt sind. Das heißt f ist in einem gewissen Sinne kompatibel mit den Strukturen, die den Vektorraum konstituieren, nämlich der Addition und der Skalarmultiplikation. Zwei Vektorräume heißen isomorph, wenn es eine lineare Abbildung zwischen ihnen gibt, die bijektiv ist, also eine Umkehrfunktion besitzt. Diese Umkehrfunktion ist dann automatisch ebenfalls linear. Isomorphe Vektorräume unterscheiden sich nicht bezüglich ihrer Struktur als Vektorraum.

Basis eines Vektorraums [Bearbeiten]

Hauptartikel: Vektorraumbasis

Für endlich viele v_1,\dotsc, v_n\in V und \alpha_1,\dotsc,\alpha_n\in K bezeichnet man die Summe

s=\alpha_1v_1+\dotsb+\alpha_nv_n=\sum_{i=1}^n\alpha_iv_i

als Linearkombination der Vektoren v_1,\dotsc, v_n. Dabei ist s selbst wieder ein Vektor aus dem Vektorraum V.

Ist S eine Teilmenge von V, so wird die Menge aller Linearkombinationen von Vektoren aus S die lineare Hülle von S genannt. Sie ist ein Untervektorraum von V, und zwar der kleinste Untervektorraum, der S enthält.

Eine Teilmenge S eines Vektorraums V heißt linear abhängig, wenn sich der Nullvektor auf nicht-triviale Weise als eine Linearkombination von Vektoren v_1,\dotsc, v_n \in S ausdrücken lässt. „Nicht-trivial“ bedeutet, dass mindestens ein Skalar (ein Koeffizient der Linearkombination) von null verschieden ist. Andernfalls heißt S linear unabhängig.

Eine Teilmenge B eines Vektorraums V ist eine Basis von V, wenn B linear unabhängig ist und die lineare Hülle von B der ganze Vektorraum ist.

Unter Voraussetzung des Auswahlaxioms lässt sich mittels des Lemmas von Zorn beweisen, dass jeder Vektorraum eine Basis hat (er ist frei), wobei diese Aussage im Rahmen von Zermelo Fraenkel äquivalent zum Auswahlaxiom ist.[3] Dies hat weitreichende Konsequenzen für die Struktur eines jeden Vektorraums: Zunächst einmal lässt sich zeigen, dass je zwei Basen eines Vektorraums dieselbe Kardinalität haben, sodass die Kardinalität einer beliebigen Basis eines Vektorraums eine eindeutige Kardinalzahl ist, die man als Dimension des Vektorraums bezeichnet. Zwei Vektorräume über demselben Körper sind nun genau dann isomorph, wenn sie dieselbe Dimension haben, denn aufgrund der Gleichmächtigkeit zweier Basen von zwei Vektorräumen existiert eine Bijektion zwischen ihnen. Diese lässt sich leicht zu einer linearen über allen Linearkombinationen von Basiselementen also den ganzen Räumen fortsetzen, und man erhält einen Isomorphismus. Ebenso lässt sich zeigen, dass beliebige lineare Abbildungen durch die Bilder von Elementen einer Basis festgelegt sind. Dies ermöglicht die Darstellung jedweder linearer Abbildungen zwischen endlichdimensionalen Vektorräumen als Matrix. Dies lässt sich auf unendlichdimensionale Vektorräume übertragen, wobei jedoch sichergestellt werden muss, dass jede verallgemeinerte „Spalte“ nur endlich viele von Null verschiedene Einträge enthält, damit jeder Basisvektor auf eine Linearkombinationen von Basisvektoren im Zielraum abgebildet wird.

Mittels des Basisbegriffs hat sich das Problem, ein Skelett in der Kategorie aller Vektorräume über einem gegebenen Körper zu finden, darauf reduziert, ein Skelett in der Kategorie der Mengen zu finden, das durch die Klasse der Kardinalzahlen gegeben ist. Ein jeder d-dimensionale Vektorraum lässt sich auch als die d-fache direkte Summe des zugrunde liegenden Körpers auffassen. Die direkten Summen eines Körpers bilden also ein Skelett der Kategorie der Vektorräume über ihm.

Die Linearfaktoren der Darstellung eines Vektors in den Basisvektoren heißen Koordinaten des Vektors bezüglich der Basis und sind Elemente des zugrunde liegenden Körpers. Erst durch Einführung einer Basis werden jedem Vektor seine Koordinaten bezüglich der gewählten Basis zugeordnet. Dadurch wird das Rechnen erleichtert, insbesondere wenn man statt Vektoren in „abstrakten” Vektorräumen ihre zugeordneten „anschaulichen” Koordinatenvektoren verwenden kann.

Untervektorraum [Bearbeiten]

Hauptartikel: Untervektorraum

Ein Untervektorraum (auch linearer Unterraum) ist eine Teilmenge eines Vektorraums, die selbst wieder ein Vektorraum über demselben Körper ist. Dabei werden die Vektorraumoperationen auf den Untervektorraum vererbt. Ist V ein Vektorraum über einem Körper K, so bildet eine Teilmenge U\subseteq V genau dann einen Untervektorraum, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:[4]

  • U \neq \emptyset
  • für alle u,v \in U gilt u + v \in U
  • für alle v \in U und \alpha \in K gilt \alpha \, v \in U

Die Menge U muss also abgeschlossen bezüglich der Vektoraddition und der Skalarmultiplikation sein. Jeder Vektorraum enthält zwei triviale Untervektorräume, nämlich zum einen sich selbst, zum anderen den Nullvektorraum \{0\}, der nur aus dem Nullvektor besteht. Jeder Unterraum ist Bild eines anderen Vektorraums unter einer linearen Abbildung in den Raum und Kern einer linearen Abbildung in einen anderen Vektorraum. Aus einem Vektorraum und einem Untervektorraum kann man durch Bildung von Äquivalenzklassen einen weiteren Vektorraum, den Quotientenraum oder Faktorraum, bilden, was maßgeblich mit der Eigenschaft eines Unterraums zusammenhängt, ein Kern zu sein, siehe auch Homomorphiesatz.

Vektorräume mit zusätzlicher Struktur [Bearbeiten]

In vielen Anwendungsbereichen in der Mathematik, etwa der Geometrie oder Analysis, ist die Struktur eines Vektorraums nicht hinreichend, etwa erlauben Vektorräume an sich keine Grenzwertprozesse, und man betrachtet daher Vektorräume mit bestimmten zusätzlich auf ihnen definierten Strukturen, die mit der Vektorraumstruktur in gewissen Sinnen kompatibel sind. Beispiele:

Euklidischer Vektorraum
Als euklidischer Vektorraum wird (meist) ein reeller Vektorraum mit Skalarprodukt bezeichnet. Er ist ein Spezialfall eines Prähilbertraums (siehe dort für abweichende Nomenklatur).
Normierter Raum
Ein normierter Raum ist ein Vektorraum, in dem Vektoren eine Länge (Norm) besitzen. Diese ist eine nichtnegative reelle Zahl und erfüllt die Dreiecksungleichung.
Prähilbertraum
Ein Prähilbertraum ist ein reeller oder komplexer Vektorraum, auf dem ein inneres Produkt (Skalarprodukt bzw. positiv definite hermitesche Form) definiert ist. In einem solchen Raum kann man Begriffe wie Länge und Winkel definieren.
Topologischer Vektorraum
Ein topologischer Vektorraum über einem topologischen Körper K ist ein topologischer Raum V mit einer kompatiblen K-Vektorraumstruktur, d. h. die Vektorraumoperationen {+}\colon V\times V\to V und {\cdot}\;\colon K\times V\to V sind stetig.
Unitärer Vektorraum
Als unitärer Vektorraum wird (meist) ein komplexer Vektorraum mit positiv definiter hermitescher Form ("Skalarprodukt") bezeichnet. Er ist ein Spezialfall des Prähilbertraums.

Bei all diesen Beispielen handelt es sich um topologische Vektorräume. In topologischen Vektorräumen sind die analytischen Konzepte der Konvergenz, der gleichmäßigen Konvergenz und der Vollständigkeit anwendbar. Ein vollständiger normierter Vektorraum heißt Banachraum, ein vollständiger Prähilbertraum heißt Hilbertraum.

Verallgemeinerungen [Bearbeiten]

  • Wenn man an Stelle eines Körpers K einen kommutativen Ring zugrunde legt, erhält man einen Modul. Moduln sind eine gemeinsame Verallgemeinerung der Begriffe abelsche Gruppe (für den Ring der ganzen Zahlen) und Vektorraum (für Körper).
  • Einige Autoren verzichten in der Definition von Körpern auf das Kommutativgesetz der Multiplikation und nennen Moduln über Schiefkörpern ebenfalls Vektorräume. Folgt man dieser Vorgehensweise, so müssen K-Linksvektorräume und K-Rechtsvektorräume unterschieden werden, wenn der Schiefkörper nicht kommutativ ist. Die oben gegebene Definition des Vektorraums ergibt dabei einen K-Linksvektorraum, da die Skalare im Produkt auf der linken Seite stehen. K-Rechtsvektorräume werden analog mit der spiegelbildlich erklärten Skalarmultiplikation definiert. Viele fundamentale Ergebnisse gelten völlig analog auch für Vektorräume über Schiefkörpern, etwa die Existenz einer Basis.
  • Eine andere Verallgemeinerung von Vektorräumen sind Vektorbündel; sie bestehen aus je einem Vektorraum für jeden Punkt eines topologischen Basisraums.

Literatur [Bearbeiten]

Einzelnachweise [Bearbeiten]

  1. H. Grauert, H. C. Grunert: Lineare Algebra und Analytische Geometrie, ISBN 3-486-24739-5.
  2. H.-J. Kowalski, G. O. Michler: Lineare Algebra.
  3. Andreas Blass, Axiomatic set theory in Contemporary Mathematics volume 31, 1984 Kapitel Existence of bases implies the axiom of choice, S. 31–33
  4.  Christoph Ableitinger, Angela Herrmann: Lernen aus Musterlösungen zur Analysis und Linearen Algebra. Ein Arbeits- und Übungsbuch. 1. Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2011, ISBN 978-3-8348-1724-2, S. 88.

Weblinks [Bearbeiten]