Summe von Teilräumen

Beispiel 15X1 zeigt, dass die Vereinigung von Teilräumen im Allgemeinen keinen Teilraum bildet. Stattdessen definieren wir:
Seien UiU_i (für iIi\in I und II beliebige Indexmenge) Teilräume eines Vektorraums VV über dem Körper KK. Dann heißt der von der Vereinigung U=iIUiU=\bigcup\limits_{i\in I} U_i erzeugte Teilraum von VV die Summe der UiU_i. Wir schreiben dafür:
span(U)=iIUi\span(U)=\sum\limits_{i\in I} U_i
Nach Satz 5329A und Satz 15WZ gilt:
iIUi={k=1nukiI:ukUi}\sum\limits_{i\in I} U_i=\ntxbraceK{\sum\limits_{k=1}^nu_k\, |\, \exists i\in I: u_k\in U_i}.
Die Summe besteht also aus allen endlichen Linearkombinationen von Vektoren aus den UiU_i.
Insbesondere ergibt sich für zwei Teilräume U1U_1 und U2U_2:
U1+U2={u1+u2u1U1u2U2}U_1+U_2=\{u_1+u_2\, |\, u_1\in U_1 \and u_2\in U_2\}

Beispiel

Für die in Beispiel 15X1 betrachteten Teilräume ergibt sich U1+U2=R2U_1+U_2=\domRZwei.

Satz 15X2

Seien U1U_1 und U2U_2 Teilräume des KK-Vektorraums VV und U=U1+U2U=U_1+U_2. Dann sind für alle u1U1,u_1\in U_1, u2U2u_2\in U_2 und uUu\in U die folgenden Aussagen paarweise äquivalent:
  1. Wenn u1+u2=0u_1+u_2=0, dann ist u1=u2=0u_1=u_2=0.
  2. Die Darstellung u=u1+u2u=u_1+u_2 ist eindeutig.
  3. U1U2={0}U_1\cap U_2=\{0\}

Beweis

(i)     \implies (ii): Es seien mit u=u1+u2=u1+u2u=u_1+u_2=u'_1+u'_2 für u1,u1U1u_1,u'_1\in U_1 und u2,u2U2u_2,u'_2\in U_2 zwei Darstellungen von uu gegeben. Dann gilt: u1+u2=u1+u2    u1u1+u2u2=0u_1+u_2=u'_1+u'_2 \implies u_1-u'_1+u_2-u'_2 =0. Nun ist u1u1U1u_1-u'_1\in U_1 und u2u2U2u_2-u'_2\in U_2 wegen der Vektorraumraumeigenschaften von U1U_1 und U2U_2. Damit sind die Voraussetzungen von (i) erfüllt und es gilt: u1u1=0u_1-u'_1=0 sowie u2u2u_2-u'_2, also: u1=u1u_1= u'_1 und u2=u2u_2=u'_2. Beide Darstellungen sind also gleich, womit gezeigt ist, dass die Darstellung immer eindeutig ist.
(ii)     \implies (iii): Sei uU1U2u\in U_1\cap U_2. Wir müssen zeigen, dass u=0u=0 gilt. Wir finden für uu zwei Darstellungen: u=u+0=0+uu=u+0=0+u. Nun ist aber nach (ii) die Darstellung von uu eindeutig. Damit muss u=0u=0 gelten.
(iii)     \implies (i): Sei u1+u2=0u_1+u_2=0, dann ist zu zeigen, dass u1=u2=0u_1=u_2=0 gilt.
u1+u2=0u_1+u_2=0     u1=u2U2\implies u_1=-u_2\in U_2, also u1U1U2u_1\in U_1\cap U_2 und nach (iii) u1=0u_1=0 und damit auch u2=0u_2=0. \qed
 
 

Jede Wissenschaft bedarf der Mathematik, die Mathematik bedarf keiner.

Jakob I. Bernoulli

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