Materiál na štátnicu
Stiahnuť PDF · 1,8 MBPreber si túto poznámku so svojou AI
Skopíruj pripravený podklad a vlož ho do ChatGPT, Claude alebo inej AI — bude ťa učiť alebo skúšať len z tejto poznámky.
Náhľad poznámky
Ondrej Vršanský
26.IX.1997
Materiál na štátnicu
Algebra
Verzia 1
Materiál na štátnicu
Algebra
- 2 -
Obsah.
2.1. ZÁKLADY........................................................................................................................................................................................4
2.1.1. ZÁKLADNÉ POJMY Z TEÓR ............................................................................................................................................4
2.1.2. GRUPY A POLIA. ...........................................................................................................................................................................4
2.2. VEKTOROVÉ PRIESTORY..........................................................................................................................................................4
2.2.1. VEKTOROVÉ PRIESTORY A PODPRIESTORY. ..................................................................................................................................4
2.2.2. L .......................................................................................................................5
2.2.3. BÁZA VEKTOROVÉHO PRIESTORU. ................................................................................................................................................6
2.2.4. LINEÁRNE ZOBRAZENIA................................................................................................................................................................7
2.3. MATICE. ..........................................................................................................................................................................................7
2.3.1. POJEM MATICE..............................................................................................................................................................................7
2.3.2. VYJADRENIE LINEÁRNYCH ZOBRAZENÍ POMOCOU MATÍC.............................................................................................................8
2.3.3. RIADKOVÁ EKVIVALENCIA MATÍC................................................................................................................................................8
2.3.4. REGULÁRNE MATICE. ...................................................................................................................................................................9
2.3.5. EKVIVALENTNÉ MATICE. ............................................................................................................................................................ 10
2.3.6. SÚSTAVY LINEÁRNYCH ROVNÍC.................................................................................................................................................. 10
2.4. EUKLIDOVSKÉ A UNITÁRNE PRIESTORY. .........................................................................................................................11
2.4.1. EUKLIDOVSKÉ PRIESTORY. ......................................................................................................................................................... 11
2.4.2. ORTOGONÁLNE MATICE. ............................................................................................................................................................ 13
2.4.3. UNITÁRNE PRIESTORY. ............................................................................................................................................................... 13
2.5. GRUPY............................................................................................................................................................................................15
2.5.1. POLOGRUPY................................................................................................................................................................................ 15
2.5.2. IZOMORFIZMUS NA GRUPÁCH. .................................................................................................................................................... 16
2.5.3. PODGRUPY. ................................................................................................................................................................................ 16
2.5.4. CYKLICKÉ GRUPY....................................................................................................................................................................... 17
2.5.5. HOMOMORFIZMY GRÚP. ............................................................................................................................................................. 18
2.5.6. P! "#$% &(' . ................................................................................................................................................................ 18
2.5.7. ROZKLADY NA GRUPÁCH............................................................................................................................................................ 20
2.5.8. INVARIANTNÉ PODGRUPY........................................................................................................................................................... 20
2.5.9. FAKTOROVÉ GRUPY.................................................................................................................................................................... 22
2.6. DETERMINANTY.........................................................................................................................................................................22
2.6.1. DETERMINANT MATICE............................................................................................................................................................... 22
2.6.2. VLASTNOSTI DETERMINANTOV................................................................................................................................................... 22
2.6.3. MATICE ELEMENTÁRNYCH ÚPRAV.............................................................................................................................................. 24
2.6.4. GRUPA REGULÁRNYCH MATÍC.................................................................................................................................................... 25
2.6.5. CRAMEROVO PRAVIDLO. ............................................................................................................................................................ 25
2.7. OKRUHY........................................................................................................................................................................................25
2.7.1. ZÁKLADNÉ VLASTNOSTI............................................................................................................................................................. 25
2.7.2. OBORY INTEGRITY...................................................................................................................................................................... 26
2.7.3. PODOKRUHY............................................................................................................................................................................... 26
2.7.4. HOMOMORFIZMY A IDEÁLY OKRUHOV. ...................................................................................................................................... 27
2.7.5. FAKTOROVÉ OKRUHY. ................................................................................................................................................................ 28
2.8. POLIA. ............................................................................................................................................................................................28
2.8.1. PODPOLE. ................................................................................................................................................................................... 28
2.8.2. PODIELOVÉ POLE. ....................................................................................................................................................................... 29
2.9. OKRUHY POLYNÓMOV. ...........................................................................................................................................................30
2.9.1. KONŠTRUKCIA POLYNÓMOV....................................................................................................................................................... 30
2.9.2. OKRUHY HLAVNÝCH IDEÁLOV. .................................................................................................................................................. 32
2.9.3. KORENE POLYNÓMOV. ............................................................................................................................................................... 33
2.9.4. ALGEBRAICKÉ ROZŠÍRENIA POLÍ................................................................................................................................................. 35
2.9.5. K#$)&" . ........................................................................................................................................................................ 35
2.10. BILINEÁRNE A KVADRATICKÉ FORMY............................................................................................................................36
Ondrej Vršanský
- 3 -
2.10.1. BILINEÁRNE FORMY. ................................................................................................................................................................ 36
2.10.2. CHARAKTERISTICKÉ VEKTORY A HODNOTY MATÍC (BI)LINEÁRNYCH ZOBRAZENÍ. ................................................................... 36
2.10.3. P * + !" , . ................................................................................................................................................................. 37
2.10.4. KVADRATICKÉ FORMY. ............................................................................................................................................................ 37
2.10.5. KONGRUENCIA MATÍC. ............................................................................................................................................................. 37
2.10.6. REÁLNE KVADRATICKÉ FORMY. ............................................................................................................................................... 38
Materiál na štátnicu
Algebra
- 4 -
2. Algebra.
2.1. Základy.
=iNODGQpSRMP\]WHyULHPQRĺtQ
2.1.2. Grupy a polia.
Definícia.
Usporiadanú dvojicu (A,
⊕) nazývame grupa, ak
• ⊕ je binárna asociatívna operácia na A
• A je neprázdna
• ⊕ má neutrálny prvok e.
• ∀x∈A ∃y∈A > x⊕y = y⊕x = e.
Príklad.
(Z, +) je grupa, (Q+,
∗) je grupa, (P1..n, °) je grupa.
Definícia.
Usporiadanú trojicu (A,
⊕, ⊗) nazývame okruh, ak
• (A, ⊕) je komutatívna grupa
• ⊗ je binárna asociatívna operácia na A
• ⊗
MHGLVWULEXWtYQDY]K DGRPQD⊕.
Definícia.
Neutrálny prvok operácie
⊗ okruhu (A, ⊕, ⊗) nazývame jednotka okruhu (A, ⊕, ⊗).
Príklad.
(Z, +,
∗) je komutatívny okruh s jednotkou. (2Z, +, ∗) je komutatívny okruh bez jednotky.
Definícia.
Okruh (A,
⊕, ⊗) nazývame obor integrity, ak ∀a,b∈A : a≠0 ∧ b≠0 ⇒ a⊗b≠0.
Definícia.
Obor integrity s jednotkou nazývame teleso.
Príklad.
(Q, +,
∗) je teleso.
Definícia.
Teleso (A,
⊕, ⊗), kde ⊗ je komutatívna operácia, nazývame pole.
Veta 2.1.2.1.
Zn
MHSROHSUiYHYWHG\NH nMHSUYRţtVOR
Dôkaz.
6WDţtGRNi]D ĺHZnMHRERULQWHJULW\SUiYHYWHG\NH nMHSUYRţtVOR6SlWQiLPSOLNiFLDMH]UHMPiDNn je
SUYRţtVORWDNQHPiLQęFKGHOLWH RYQHĺMHGQRWNXWDNĺH∀x,y≠0 : x⊗y≠n (=0 v Zn). Ak ale n nie jeSUYRţtVOR
tak
∃a,b∈A : a≠0 ∧ b≠0 ∧ a⊗b = n = 0.
2.2. Vektorové priestory.
2.2.1. Vektorové priestory a podpriestory.
Definícia.
Usporiadanú trojicu (V,
⊕, ϕ) nazývame vektorový priestor
QDGSR RPF, ak
• (V, ⊕) je komutatívna grupa
• ϕ : V×F → V je taká funk
FLDĺH∀α,β∈F ∀x,y∈V platí
•
α(x⊕y) = αx ⊕ αy
•
(
α+β)x = αx ⊕ βx
•
α(β(x)) = (αβ)x
Ondrej Vršanský
- 5 -
•
1.x = x.
Lema 2.2.1.1.
∀α∈F : ak 0 je neutrálny prvok operácie ⊕ vektorového priestoru V, potom
• α.0 = 0
• α(-x) = -(αx)
Dôkaz.
• α.0 = α(0 ⊕ 0) = α.0 + α.0 ⇒ 0 = α.0.
• 0 = α.0 = α(x ⊕ (-x)) = αx ⊕ α(-x) ⇒ α(-x) = -(αx).
Definícia.
Vektorový priestor (W,
⊕, ψ) nazývame podpriestor vektorového priestoru (V, +, ϕ), ak
• W ⊆ V
• ∀x,y∈W : x⊕y = x+y
• ∀x∈W ∀α∈F : ψ(α, x) = ϕ(α, x).
Veta 2.2.1.1.
Neprázdna W
⊆V je podpriestor V
SUiYHYWHG\NH
• x,y∈W : (x - y)∈W
• ∀x∈W ∀α∈F : αx∈W.
Dôkaz.
Dopredná implikácia je triviálna. Obrátene nech W
PiSRĺDGRYDQpYODVWQRVWLW≠∅WDNĺH∃x∈W. Ale
potom aj }x - x|
∈W ⇒ 0∈W. Rovnako (0 - x)∈W ⇒ -x∈W a teda ∀y∈W aj (x - (-y)) = (x + y)∈W.
Veta 2.2.1.2.
Nech W,W´súpodpriestory V. Potom aj
• W∩W´je podpriestor V
• W+W´= {x+y; x∈W a y∈W´} je podpriestor V.
Dôkaz.
• (x - y)∈W ∧ (x - y)∈W´⇒ (x - y)∈W∩W´. Takiso αx.
• Nech x,y∈W a x´,y´∈W´. Potom (x+x´) + (y+y´) = (x+y) ∈W + (x´+y´)∈W´ ⇒ (x+y)+(x´+y´)∈W+W´.
2.2.2. Lineárna závis
ORV DQH]iYLVORV YHNWRURY
Definícia.
Vektor x
∈V nazývame lineárna kombinácia vektorov x1..xn∈V, ak ∃α1..αn : x = α1x1 + ..
+
αnxn.
Veta 2.2.2.1.
Ak x1..xn∈V, tak [x1..xn] = {x∈V; x je lineárna kombinácia x1..xn} je podpriestor V.
Dôkaz.
∀x = (α1x1+ .. +αnxn), y = (β1x1+ .. +βnxn)∈[x1..xn] : (x - y) = (α1 - β1)x1 + .. + (αn - βn)xn. Podobne ∀α∈F
:
αx = αα1x1 + .. + ααnxn.
Definícia.
[x1..xn] nazývame podpriestor generovaný vektormi x1..xn.
Definícia.
Vektory x1..xn nazývame lineárne závislé, ak ∃i : xi je lineárna kombinácia ostatných.
Veta 2.2.2.2.
Vektory x1..xn sú lineárne závislé práve vtedy,
NH ∃α1..αn≠0 : Σαixi = 0.
Dôkaz.
Ak x1..xn sú lineárne závislé, tak ∃i : xi je lineárna kombinácia ostatných. Nech je to xn a nech xn = α1x1 +
.. +
αn-1xn-1. Potom ale pre αn = -1 platí Σαixi = xn - xn = 0. Obrátene ak ∃α1..αn≠0 : Σαixi = 0, potom xn =
α
α
-
. -
-
.
[
=
−
∑ /
/
⇒ x1..xn sú lineárne závislé.
Materiál na štátnicu
Algebra
- 6 -
Definícia.
Vektory x1..xn sú lineárne nezávislé, ak nie sú lineárne závislé.
Veta 2.2.2.3.
Vektory x1..xn
V~OLQHiUQH]iYLVOpSUiYHYWHG\NH ∃i : xi je lineárna kombinácia predchádzajúcich.
Dôkaz.
Spätná implikácia je triviálna. Teraz ak x1..xn sú lineárne závislé, tak vezmeme max{i; αi≠0}
NWRUpVS D
SRĺLDGDYRN]DGDQLD
Veta 2.2.2.4.
Ak x je lineárna kombinácia x1..xn, tak [x1..xn] = [x, x1..xn].
Dôkaz.
-H]UHMPpĺH[x1..xn] ⊆ [x, x1..xn]. Nech x = Σαixi a v = βx + Σβixi$NR]QDţtPHγi = αi+βi, potom v =
Σαixi a teda v∈[x1..xn].
Dôsledok 2.2.2.1.
.DĺGiV~VWDYDYHNWRURYx1..xn obsahuje nezávislú podsústavu xi1..xim WDN~ĺH[x1..xn] = [xi1..xim].
Dôkaz.
3RVWXSQęP RGVWUD RYDQtP YHNWRURY V~VWDY\ x1..xn spôsobom popísaným vo vete 2.2.2.4 dosiahneme
nezávislú podsústavu, generujúcu ten istý podpriestor.
Veta 2.2.2.5.
Nech V = [x1..xn] a nech y1..ym∈V sú nezávislé. Potom n≥m.
Dôkaz.
x1..xn sú generujúce ⇒ y1,x1..xn
V~ OLQHiUQH ]iYLVOp 3RG D YHW\ Sootm existuje xi ako lineárna
kombinácia predchádzajúcich
⇒
SR MHKR RGVWUiQHQt RVWiYD JHQHUXM~FD V~VWDYD $OH WHQWR SRVWXS PRĺQR
SRVWXSQHDSOLNRYD QDYăHWN\ySULţRP]DNDĺGęPRGVWUiQLPHMHGHQxi (veta 2.2.3.2 nikdy nevyberie jeden z y,
lebo tie sú lineár
QHQH]iYLVOp$E\WRWRERORPRĺQpPXVtY\ n≥m.
2.2.3. Báza vektorového priestoru.
Definícia.
Nezávislú sústavu vektorov x1..xn∈V nazývame báza vektorového priestoru V, ak
[x1..xn] = V.
Veta 2.2.3.1.
Všetky bázy vektorového priestoru V
PDM~URYQDNęSRţHW vektorov.
Dôkaz.
Tvrdenie je triviálnym dôsledkom vety 2.2.2.5.
Definícia.
3RţHWYHNWRURYEi]YHNWRURYpKRSULHVWRUXV sa nazýva dimenzia VDR]QDţXMHdim(V).
Veta 2.2.3.2.
Ak dim(V) = n
WDNNĺGęFKn+1 vektorov z V je lineárne závislých.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva priamo z tvrdenia 2.2.2.5.
Veta 2.2.3.3.
.DĺGęYHNWRUx∈VPRĺQR]DStVD MHGLQęPVS{VRERPDNROLQHiUQXNRPELQiFLXEi]\x1..xn.
Dôkaz.
-H]UHMPpĺHNDĺGęYHNWRUx∈VPRĺQR]DStVD DNROLQHiUQXNRPELQiFLXEi]\x1..xn. Nech existujú dva
rôzne zápisy x =
Σαixi = Σβixi (teda ∃i : αi≠βi). Ale x - x = Σαixi - Σβixi = Σ(αi - βi)xi
DNH ĺHx1..xn sú
lineárne nezávislé,
∀i=1..n : (αi - βi) = 0 ⇒ αi = βi.
Ondrej Vršanský
- 7 -
2.2.4. Lineárne zobrazenia.
Definícia.
Funkciu f : V
→V´ nazveme lineárne zobrazenie z vektorového priestoru V do
vektorového priestoru V´, ak
• ∀x,y∈V : f(x+y) = f(x) + f(y)
• ∀x∈V ∀α∈F : f(αx) = α.f(x).
Veta 2.2.4.1.
f
MHOLQHiUQH]REUD]HQLHSUiYHYWHG\NH F(0) = 0 a ∀x,y∈V ∀α,β∈F : f(αx + βy) = α.f(x) + β.f(y).
Dôkaz.
Triviálne.
Definícia.
Lineárne zobrazenie f nazývame izomorfizmus, ak f je bijekcia.
Veta 2.2.4.2.
∀V : V a Fdim(V) sú izomorfné.
Dôkaz.
Pre daný V dimenzie n skonštruujeme izomorfizmus f : V
→Fn. Pre x = x1..xn
SRORĺtPHf(x) = y = f(x1) + ..
+ f(xn
7RMH]REUD]HQLH SUHWRĺH Y\MDGUHQLH YăHWNęFK f(xiMHSRG D YHW\MHGLQp 1DY\ăHf-1(y) = Σf-
1(f(xi)) = Σxi = xWDNĺHf je izomorfizmus.
Veta 2.2.4.3 (Základná veta o lineárnych zobrazeniach).
Nech x1..xn je báza vo V a y1..yn je báza vo W. Potom existuje jediné lineárne zobrazenie f : V→W t
DNpĺH
i=1..n : f(xi) = yi.
Dôkaz.
1DMSUYGRNiĺHPHĺHWDNp]REUD]HQLHH[LVWXMHQHMYLDFMHGQR1HFKf a gV~]REUD]HQLDVSRĺDGRYDQęPL
YODVWQRV DPL 3RWRP ∀x = α1x1..αnxn : f(x) = f(α1x1..αnxn) = Σf(αixi) = Σαi.f(xi) = Σαi.g(xi) = Σg(αixi) =
f(
α1x1..αnxn) = f(x) ⇒ f = g.
([LVWHQFLDOLQHiUQHKR]REUD]HQLDVSRĺDGRYDQęPLYODVWQRV DPLY\SOęYD]WRKRĺHIXQNFLDf, kde ∀x =
α1x1..αnxn : f(x) = α1y1..αnyn je lineárne zobrazenie.
Definícia.
Nech f : V
→W je lineárne zobrazenie. Potom funkciu Ker(f) = {x∈V; f(x) =0} nazývame
jadro (Kernel) zobrazenia f.
Veta 2.2.4.4.
-DGURNDĺGpKROLQHiUQHKR]REUD]HQLDf : V→W je podpriestor V. Navyše fMHLQMHNFLDSUiYHYWHG\NH
Kef(f) =
∅.
Dôkaz.
∀x,y∈V : f(x - y) = f(x) - f(y) = 0 - 0 = 0. Rovnako ∀x∈V ∀α∈F : f(αx) = α.f(x) = α
ýDV QDY\ăHMH
triviálna.
Definícia.
Nech f : V
→W je lineárne zobrazenie. Potom funkciu Im(f) = {f(x)∈W; x∈V} nazývame
obraz (Image) zobrazenia f.
Veta 2.2.4.5.
2EUD]NDĺGpKROLQHiUQHKR]REUD]HQLDf : V→W je podpriestor W.
Dôkaz.
∀f(x), f(y)∈W : x,y∈V. Ale ∀α,β∈F : α.f(x) + β.f(y) = f(αx + βy
SULţRPαx + βy∈V.
2.3. Matice.
2.3.1. Pojem matice.
Definícia.
Zobrazenie {1..n}
×{1..m}→F nazývame matica dimenzie n×m
QDGSR RPF.
Materiál na štátnicu
Algebra
- 8 -
2.3.2. Vyjadrenie lineárnych zobrazení pomocou matíc.
Definícia.
Nech x1..xn je báza vo V, y1..ym báza vo W a f : V→W je lineárne zobrazenie. Nech
∀i∈1..n : f(xi) =
α
0121
1
3
\
=
∑ 4
. Potom maticu Mf =
α
α
α
α
α
565
5
5
/
0
0
/
7
89
:
7;:
nazývame maticou zobrazenia f.
Veta 2.3.2.1.
Nech f a g sú lineárne zobrazenia. Potom aj f+g je lineárne zobrazenie a Mf+g = Mf + Mg.
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.3.2.2.
Nech f je lineárne zobrazenia. Potom
∀α∈F aj α.f je lineárne zobrazenie a Mαf = α.Mf .
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.3.2.3.
Nech f : V
→V´a g : V´→W sú lineárne zobrazenia. Potom aj g°f je lineárne zobrazenie a Mg°f = Mf × Mg.
Dôkaz.
∀α,β∈F : g°f(αx + βy) = g(f(αx + βy)) = g(α.f(x) + β.f(y)) = α.g°f(x) + β.g°f(y). Pritom ak Mf (i,j)
R]QDţtPHαi,j a Mg (i,j) = βi,j, tak ∀i∈1..n ∀j∈1..m : Mg°f (i,j) = α1iβj1 + .. + αniβjm = g°f(xi).
Veta 2.3.2.4.
Ak f : V
→W je bijektívne lineárne zobrazenie, tak aj f-1 : W→V je lineárne zobrazenie.
Dôkaz.
∀u,v∈W ∀α,β∈F : f -1(αu + βv) = f -1(α.id(u) + β.id(v)) = f -1(α.(f°f -1)(u) + β.(f°f -1)(v)) = f -1(f(α.f -1(u)) +
f(
β.f -1(v))) = f -1(f(α.f -1(u) + β.f -1(v))) = id(α.f -1(u) +β.f -1(v)) = α.f -1(u) +β.f -1(v).
2.3.3. Riadková ekvivalencia matíc.
Definícia.
Medzi elementárne operácie na maticiach patrí
•
9]iMRPQiYęPHQDGYRFKULDGNRYVW SFRY
•
9\QiVREHQLHULDGNXVW SFDVNDOiUQRXNRQăWDQWRX
•
3ULţtWDQLHQiVRENXMHGQpKRULDGNXNLQpPX
Definícia.
Matica M sa nazýva redukovaná, ak
•
9HG~FLSUYRNNDĺGpKRQHQXORYpKRULDGNXMH
•
9NDĺGRPULDGNXMHQDMYLDFMHGQDQHnulová hodnota.
Definícia.
Matice M1 a M2 sú riadkovo ekvivalentné
DN PRĺQR XSUDYL MHGQX QD GUXK~ SRPRFRX
elementárnych riadkových úprav.
Veta 2.3.3.1.
.DĺGiPDWLFDMHULDGNRYRHNYLYDOHQWQiVQHMDNRXUHGXNRYDQRXPDWLFRX]KRGQHMGLPHQ]LH
Dôkaz.
Klasický postup redukcie matice.
Definícia.
+RYRUtPH ĺH UHGXNRYDQi PDWLFD A je trojuholníková DN NDĺGę QHQXORYę ULDGRN MHQDG
NDĺGęPQXORYęPDSRVWXSQRV LQGH[RYYHG~FLFKSUYNRYQHQXORYęFKULDGNRYMHQHNOHVDM~FD
Veta 2.3.3.2.
.DĺGi PDWLFD MH ULDGNRYR HNYLYDOHQWQá s nejakou redukovanou trojuholníkovou maticou zhodnej
dimenzie.
Ondrej Vršanský
- 9 -
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.3.3.3.
Nenulové riadky trojuholníkovej redukovanej matice sú lineárne nezávislé.
Dôkaz.
Triviálne.
Dôsledok 2.3.3.1.
Nenulové riadky trojuholníkovej redukovanej matice tvoria bázu jej riadkového priestoru.
Dôkaz.
7YUGHQLH Y\SOęYD ] YHW\ D IDNWX ĺH QHQXORYp ULDGN\ WURMXKROQtNRYHM UHGXNRYDQHM PDWLFH MHM
riadkový priestor generujú.
Definícia.
+RGQRV matice je dimenzia jej riadkového pristoru.
Dôsledok 2.3.3.2.
+RGQRV WURMXKROQtNRYHMUHGXNRYDQHMPDWLFHMHSRţHWMHMQHQXORYęFKULDGNRY
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva priamo z definície hodnosti a dôsledku 2.3.3.1.
Veta 2.3.3.4.
Štvorcová matica dimenzie n
×n
PiKRGQRV nSUiYHYWHG\NH MHULDGNRYRHNYLYDOHQWQiVMHGQRWNRYRX
maticou rádu n.
Dôkaz.
Jediná trojuholníková redukovaná matica dimenzie n
×n je jednotková matica rádu n
WDNĺH âWYRUFRYi
matica dimenzie n
×n
PiKRGQRV nSUiYHYWHG\NH MHULDGNRYRHNYLYDOHQWQiV RX
Veta 2.3.3.5.
.DĺGpPX SRGSULHVWRUX Fn prislúcha práve jedna trojuholníková redukovaná matica dimenzie n×n nad
SR RPF.
Dôkaz.
Nedokazujeme.
2.3.4. Regulárne matice.
Definícia.
Matica An×n je regulárna, ak existuje matica Bn×n
WDNiĺHA×B = B×A = In.
Veta 2.3.4.1.
Ak
Rn
MHPQRĺLQDUHJXOiUQ\FKPDWtFUiGXn, tak (Rn, ×) je grupa.
Dôkaz.
Rn je neprázdna
SUHWRĺH In UHJXOiUQD =iURYH MH In QHXWUiOQ\P SUYNRP D LQYHU]Qę SUYRN NX NDĺGHM
matici existuje z definície regulárnosti.
Veta 2.3.4.2.
$N SRVWXSQRV HOHPHQWiUQ\FK ULDGNRYęFK RSHUiFLt NWRUęPL UHJXOiUQX PDWLFX A upravíme na In,
uplatníme na In, výsledkom bude regulárna matica A´ inverzná k A.
Dôkaz.
Nech E1 .. Ek sú regulárne matice, reprezentujúce elementárne riadkové operácie. Ak Ek×..×E1×A = In,
potom Ek×..×E1 = A´.
Veta 2.3.4.3.
Matica An×n je regulárna, ak jej prislúchajúce zobrazenie je bijekcia. Naviac ak B
MHPQRĺLQDYăHWNęFK
lineárnych bijekcií f : V
→V, tak (B, °) je grupa.
Dôkaz.
Ak fA je bijekcia, tak k nemu existuje inverné zobrazenie fB a jeho matica B je inverzná k A (A×B = In
práve tak ako fA°fB = id). (B
MHJUXSDSUHWRĺHRn, ×MHJUXSDSRG D vety 2.3.4.1).
Materiál na štátnicu
Algebra
- 10 -
Definícia.
Nech x1..xn je báza vo V a y1..yn vo V´. Nech f : V→V´
MHWDNp]REUD]HQLHĺHV~UDGQLFH
vektora f(xi) vo V´ sú αi1..αin. Maticu M, ktorej prvky M(i,j) = αij, nazývame matica
zobrazenia f. Ak V = V´, M je matica prechodu od bázy x1..xn k báze y1..yn.
Poznámka.
Matice dimenzie n
×m tvoria vektorový priestor dimenzie m.n, ktorého bázou sú elementárne matice Eij.
2.3.5. Ekvivalentné matice.
Definícia.
+RYRUtPHĺHPDWLFHA a B sú ekvivalentné, ak existujú také regulárne matice P a Qĺe
B = P
×A×Q-1.
Veta 2.3.5.1.
Ekvivalencia matíc je reláciou ekvivalencie.
Dôkaz.
• ∀Am×n : A = In×A×Im-1.
• B = P×A×Q-1 ⇒ A = P-1×B×Q = (P-1)×B×(Q-1)-1
• B = P×A×Q-1 ∧ C = R×B×T-1 ⇒ C = R×P×A×Q-1×T-1
Veta 2.3.5.2.
A a B
V~HNYLYDOHQWQpSUiYHYWHG\NH V~PDWLFDPLURYQDNpKROLQHiUQHKR]REUD]HQLDY]K DGRPQDU{]QH
dvojice báz.
Dôkaz.
nech A a B sú ekvivalentné. Potom existujú regulárne P a Q
DNpĺHB = P×A×Q-1$NVLXYHGRPtPHĺHP
a Q
PRĺQRFKiSD DNRPDWLFHSUHFKRGXEi]WYUGHQLHMH]UHMPp
Veta 2.3.5.3.
Matice A a B
V~HNYLYDOHQWQpSUiYHYWHG\NH MHGQXPRĺQRQDGUXK~XSUDYL HOHPHQWiUQ\PLULDGNRYęPL
DVW SFRYęPL~SUDYDPL
Dôkaz.
Spätná implikácia je triviálna a ak B = P
×A×Q-1, tak P a Q
PRĺQRUR]REUD QDV~ţLQHOHPHQWiUQ\FKPDWtF
2.3.6. Sústavy lineárnych rovníc.
Definícia.
Sústavu lineárnych rovníc
α
α
α
α
<6<=<
<
<
<=<
[
[ E
[
[ E
>2>
?
?>2> ?
+
+
=
+
=
/
0
2
0
/
(typ (1))
reprezentujeme maticou
α
α
α
α
@6@
@
@
@
/
0 2
0
0
/
A
B
BCA B
E
E
, ktorú nazývame rozšírená matica sústavy.
Definícia.
Sústava lineárnych rovníc
α
α
α
α
D;D=D
D
D
D=D
[
[ E
[
[ E
E2E
F
FE2E F
+
+
=
+
=
/
0
2
0
/
sa nazýva homogénna, ak
∀i∈1..m :
bi=0. Pri reprezentácii homogénnej sústavy vynechávame z
MHM PDWLFH SRVOHGQę VW SHF
Homogénna sústava, ktorej matica sa s maticou sústavy A líši iba chýbajúcim posledným
VW SFRPVDQD]ęYDV~VWDYDadjungovaná k A.
Definícia.
x1..xn∈Fn sa nazýva
NRUH sústavy lineárnych rovníc typu (1), ak ∀j∈1..m :
α
GHIG H
G
J
[ E
=
=
∑ K
$NGYHV~VWDY\PDM~URYQDN~PQRĺLQXULHăHQtKRYRUtPHĺHV~ekvivalentné.
Ondrej Vršanský
- 11 -
Veta 2.3.6.1 (Frobien).
6~VWDYDW\SXPiULHăHQLHSUiYHYWHG\NH MHMPDWLFDDUR]ătUHQiPDWLFDPDM~URYQDN~KRGQRV
Dôkaz.
Zrejmé.
Dôsledok 2.3.6.1.
.DĺGiKRPRJpQQDV~VWDYDPiDVSR MHGHQNRUH
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.3.6.2.
0QRĺLQDNRUH RYKRPRJpQQHMV~VWDY\MHSRGSULHVWRUFn.
Dôkaz.
Nech x1..xn a y1..yn sú korene a α,β∈Fn. ∀j∈1..m :
α α
β
LM L
L
L
N
[
\
+
=
∑ O
=
α α
α β
PQRP PQRP
P
S
[
\
+
=
∑ T
=
α
α
UVWU
U
X
[
=
∑ Y
+
β
α
UVZU
U
X
\
=
∑ Y
= 0 + 0 = 0.
Definícia.
%i ] X S U L H V W R U X N R U H R Y K R P R J p Q Q H M V ~ V W D Y \ E X G H P H Q D ] Ś Y D fundamentálny systém
tejto sústavy.
Veta 2.3.6.3.
$ N K R G Q R V I X Q G D P H Q W i O Q H M V ~ V W D Y \ M H r, tak dimenzia jej fundamentálneho systému je n-r a on samotný
je tvorený n-rozmernými vektormi zr+1..zn, ktorých jediná jednotka sa postupne nachádza na pozíciách r+1 .. n.
Dôkaz.
Zrejmé.
Definícia.
- H G H Q Ş S H F L i O Q H Y \ E U D Q Ś N R U H V ~ V W D Y \ W \ S X Q D ] Y H P H partikulárne riešenie.
Veta 2.3.6.4.
. D ĺ G Ś N R U H V ~ V W D Y \ P R ĺ Q R ] D S t V D D N R V ~ ţ H W S D U W L N X O i U Q H K R U L H Ş H Q L D D O L Q H i U Q H M N R P E L Q i F L H
fundamentálneho systému.
Dôkaz.
3 R V D Y H W \ M H S U L H V W R U N R U H R Y S R G S U L H V W R U R P Fn . D ĺ G Ś N R U H M H S U H W R L G H Q W L I L N R Y D W H Q Ś
S D U W L N X O i U Q \ P U L H Ş H Q t P Y H N W R U G R S R G S U L H V W R U X N R U H R Y D I X Q G D P H ntálnym systémom (pohyb v rámci
S U L H V W R U X N R U H R Y
2.4. Euklidovské a unitárne priestory.
2.4.1. Euklidovské priestory.
Definícia.
Zobrazenie
ψ : V×V→R nazvem
VNDOiUQ\V~ţLQ vo V, ak je symetrické, lineárne a ∀x∈V
:
ψ(x, x) ≥ 0 (ψ(x, x) = 0 ⇔ x = 0).
Ozna
ţHQLH
ψ(x, y
E X G H P H ] D S L V R Y D 〈x, y〉.
Definícia.
Ak V je vektorový priestor a
ψ
V N D O i U Q \ V ~ ţ L Q W D N X V S R U L D G D Q ~ G Y R M L F X V, ψ) nazvem
Euklidovský priestor.
Definícia.
ý t V O R
[ [
nazvem norma G ĺ N D Y H N W R U D x a zapisujem ||x||.
Veta 2.4.1.1 (Schwartz).
∀x,y∈V : |〈x, y〉| ≤ ||x||.||y|| .
Materiál na štátnicu
Algebra
- 12 -
Dôkaz.
Nech x,y
∈V a α∈F. 0 ≤ 〈x + αy, x + αy〉 = ||x||2 + α〈x, y〉 + α〈y, x〉 + α2||y||2 = ||x||2 + 2α〈x, y〉 + (α||y||)2 ⇒
D
≤ 0 ⇒ 4α2〈x, y〉2 - 4α||x||.||y|| ≤ 0 ⇒ |〈x, y〉| ≤ ||x||.||y||.
Dôsledok 2.4.1.1 (C
DXFK\KRQHURYQRV
∀x1..xn,y1..yn∈R :
[ \
[\[
[
]
=
∑ ^
≤
[
_
_
`bac
=
∑
.
\
d
d
egfh
=
∑
.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.
Lema 2.4.1.1.
• ∀x∈V : ||x|| ≥ 0
• ∀x∈V ∀α∈F : ||αx|| = |α|.||x||.
• ∀x,y∈V : ||x + y|| ≤ ||x|| + ||y
__ W U R M X K R O Q t N R Y i Q H U R Y Q R V
Dôkaz.
• Zrejmé z definície ||x||.
•
= U H M P p ] G H I L Q t F L H V N D O i U Q H K R V ~ ţ L Q X
• ∀x,y∈V ∀i∈1..n : |xi + yi| ≤ |xi| + |yi| ⇒ ||x + y|| ≤ ||x|| + ||y||.
Definícia.
+ R Y R U t P H ĺ H Y H N W R U \ x a y sú ortogonálne (kolmé), ak 〈x, y〉 = 0. ∀∅≠M⊆V nazývame
P Q R ĺ L Q X M⊥ = {x∈V; ∀y∈M : 〈x, y〉 = 0} ortogonálny doplnok P Q R ĺ L Q \ M vo V.
Veta 2.4.1.2.
∀∅≠M⊆V : M⊥ je podpriestor V.
Dôkaz.
Nech x
∈M, y,z∈M⊥, α,β∈F. 〈x, αy + βz〉 = α〈x, y〉 + β〈x, z〉 = 0 + 0 = 0.
Definícia.
Systém vektorov x1..xn je ortogonálny, ak ∀i≠j∈1..n : 〈xi, xj〉 = 0 a ortonormálny, ak
navyše
∀i∈1..n : ||xi|| = 1.
Veta 2.4.1.3.
. D ĺ G i Q H Q X O R Y i R U W R J R Q i O Q D V ~ V W D Y D M H O L Q H i U Q H Q H ] i Y L V O i
Dôkaz.
Nech
∃α1..αn :
α
i
i
j
i[
=
∑ k = 0. ∀k∈1..n : 0 =
k
x
,
0
=
k
n
i
i
i
x
x ,
1
∑
= α
=
∑
=
n
i
k
i
i
x
x
1
,
α
=
∑
=
n
i
k
i
i
x
x
1
,
α
=
αk
k
k x
x ,
. Ale
k
k x
x ,
≠
WDNĺHαk = 0.
Dôsledok 2.4.1.2.
.DĺGiRUWRQRUPiOQDV~VWDYDMHOLQHiUQHQH]iYLVOi
Dôkaz.
Zrejmé.
Veta 2.4.1.4 (Gramm-Schmidtov ortogonaliza
ţQęSURFHV
Nech V je Euklidovský priestor a x1..xn je lineárne nezávislá sústava vektorov V. Potom existuje
ortonormálna sústava sústava y1..yn
WDNiĺH∀i∈1..n : [x1..xi] = [y1..yi].
Dôkaz.
Indukciou na n.
1° n = 1, x1≠0, y1 = x1.||x1||-1.
2° x1..xn+1, y1..yn, ∀i∈1..n : [x1..xi] = [y1..yi]. xn+1 = u + v, kde u∈[y1..yn], v∉[y1..yn] ⇒ u⊥v. u∈[y1..yn] ⇒
∃α1..αn : u =
α
lml
l
n
[
=
∑ o
$NSRORĺtPHαi = 〈xn+1, yi〉, potom ∀i∈1..n : 〈v, yi〉 = 〈xn+1 -
α
p2p
p
q
[
=
∑ r
, yi〉 = 〈xn+1, yi〉 -
〈xn+1 -, yi〉 = 〈xn+1, yi〉 - 〈xn+1, yi〉 = 0 a pre yn+1 = v.||v||-1 platí [x1..xn+1] = [y1..yn+1].
Dôsledok 2.4.1.3.
9NDĺGRPNRQHţQRUR]PHUQRPHXNOLGRYVNRPSULHVWRUHH[LVWXMHRUWRQRUPiOQDEi]D
Ondrej Vršanský
- 13 -
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.4.1.5.
Nech V je euklidovský priestor, x1..xn jeho ortonormálna báza a x =
α
sms
s
t
[
=
∑ u
,y =
β
vwv
v
x
[
=
∑ y
∈V. Potom
〈x,y〉 =
α β
z{z
z
|
=
∑ }
.
Dôkaz.
〈x, y〉 = 〈
α
~m~
~
[
=
∑
,
β
w
[
=
∑
〉 =
α β
[ \
= =
∑
=
α β
{
=
∑
.
Veta 2.4.1.6.
Ka
ĺGpGYDHXNOLGRYVNpSULHVWRU\URYQDNHMGLPHQ]LHV~L]RPRUIQp
Dôkaz.
Nech V a V´ sú euklidovské priestory dimenzie n, x1..xn je ortonormálna báza vo V a y1..yn ortonormálna
báza vo V´
3RG D]iNODGQHMYHW\ROLQHiUQ\FK]REUD]HQLDFKYHWDH[LVWXMHjediné lineárne zobrazenie f
WDNpĺH∀i∈1..n : f(xi) = yi. Pritom ∀x =
α
m
[
=
∑
,y =
β
w
[
=
∑
∈V : 〈f(x), f(y)〉 =
∑
∑
=
=
n
i
i
i
n
i
i
i
x
f
x
f
1
1
)
(
,)
(
β
α
=
α
β
w
w
\
\
=
=
∑
∑
=
α β
{
=
∑
SRG DYHW\ 〈x, y〉.
2.4.2. Ortogonálne matice.
Definícia.
Zobrazenie f : V
→V´ je ortogonálne, ak ∀x,y∈V : 〈x, y〉 = 〈f(x), f(y)〉.
Veta 2.4.2.1.
.DĺGpRUWRJRQiOQH]REUD]HQLHMHLQMHNWtYQH
Dôkaz.
〈x, y〉 = 〈f(x), f(y)〉 ⇒ f(x) = 0 ⇔ x = 0 ⇒ Ker(f) = {0}.
Veta 2.4.2.2.
Ak f je ortogonáln
HWDNNDĺG~RUWRQRUPiOQXV~VWDYX]REUD]tQDRUWRQRUPiOQX
Dôkaz.
Zrejmé z definície.
Definícia.
Štvorcová matica A sa nazýva ortogonálna
DN MHM ULDGN\ VW SFH WYRULD RUWRJRQiOQX
sústavu v Rn. Matica A⊥ transponovaná k A
Y]QLNQH]iPHQRXULDGN\]VW SFHa naopak).
Veta 2.4.2.3.
A⊥ je transponovaná k A
SUiYHYWHG\NH A×A⊥ = In.
Dôkaz.
Ak ri
R]QDţtPHr-ty riadok A, tak (A×A⊥)(i,j) = 〈ri, rj〉 =
← ≠
← =
L M
L M .
Veta 2.4.2.4.
2U W R J R Q i O Q H P D W L F H V W X S D n tvoria spolu s operáciou násobenia matíc grupu.
Dôkaz.
(A
×B)×(A×B)⊥ = A×B×B⊥×A⊥ = In.
Definícia.
*U X S X R U W R J R Q i O Q \ F K P D W t F V W X S
D n nazývame ortogonálna grupa V W X S D n a
zapisujeme On.
2.4.3. Unitárne priestory.
2]QDţHQLH
Nech x
∈C, x= a + bi ýt V O R a - bi E X G H P H ] D S L V R Y D
[ .
Materiál na štátnicu
Algebra
- 14 -
Definícia.
Nech V je vektorový priestor na C.
6NDOiUQ\V~ţLQ vo V M H N D ĺ G p ] R E U D ] H Q L H ϕ : V×V→C
W D N p ĺ H
• ∀x,x´,y∈V ∀α,β∈C : ϕ(αx + βx´, y) = α.ϕ(x, y) + β.ϕ(x´, y)
• ∀x,y∈V : ϕ(x, y) =
ϕ
\ [
• ∀x∈V : ϕ(x, x) ≥ 0 (ϕ(x, x) = 0 ⇔ x = 0).
Veta 2.4.3.
6FKZDUW]RYDQHURYQRV
Ak V je unitárny priestor, tak
∀x,y∈V : |〈x, y〉| ≤ ||x||.||y||.
Dôkaz.
∀x,y∈V : 〈x, y〉 = |〈x, y〉|(cos ϕ + i.sin ϕ). nech t∈R a x´= t.x + (cos ϕ + i.sin ϕ).y.
0
≤ 〈x´, x´〉 = 〈t.x + (cos ϕ + i.sin ϕ).y, t.x + (cos ϕ + i.sin ϕ).y〉 = 〈tx, tx〉 + 〈tx, (cos ϕ + i.sin ϕ).y 〉 + 〈(cos
ϕ + i.sin ϕ).y, tx〉 + 〈(cos ϕ + i.sin ϕ).y, (cos ϕ + i.sin ϕ).y〉 = t2||x||2 + t(cos ϕ - i.sin ϕ)〈x, y〉 + t(cos ϕ + i.sin
ϕ)〈x, y〉 + (cos ϕ - i.sin ϕ)(cos ϕ + i.sin ϕ)||y||2 = t2||x||2 + t(cos ϕ - i.sin ϕ)|〈x, y〉|(cos ϕ + i.sin ϕ) + t(cos ϕ + i.sin
ϕ)|〈x, y〉|(cos ϕ - i.sin ϕ) + (cos ϕ - i.sin ϕ)(cos ϕ + i.sin ϕ)||y||2 = t2||x||2 + 2t|〈x, y〉| + ||x||2. 0 ≥ D = 4t2|〈x, y〉|2 -
4t2||x||.||y||
⇒ |〈x, y〉| ≤ ||x||.||y||.
Lema 2.4.2.1.
Nech V je unitárny priestor. Potom
• ∀x∈V : ||x|| ≥ 0 (||x|| = 0 ⇔ x = 0)
• ∀x∈V ∀α∈R : ||α.x|| = |α|.||x||
• ∀x,y∈V : ||x + y|| ≤ ||x|| + ||y||.
Dôkaz.
• =U H M P p ] G H I L Q t F L H V N D O i U Q H K R V ~ ţ L Q X
• =U H M P p ] G H I L Q t F L H V N D O i U Q H K R V ~ ţ L Q X
• ||x + y||2 = 〈x+y, x+y〉 = ||x||2 + 〈x, y〉 + 〈y, x〉 + ||y||2 = (
Uţ(x) - U H i O Q D ţ D V x) = ||x||2 + 2.Uţ(〈x, y〉) + ||y||2 ≤
||x||2 + 2
〈x, y〉 + ||y||2 = (||x|| + ||y||)2.
Veta 2.4.3.2.
Nech V je unitárny priestor a x1..xn je lineárne nezávislá sústava vektorov V. Potom existuje ortonormálna
sústava sústava y1..yn W D N i ĺ H ∀i∈1..n : [x1..xi] = [y1..yi].
Dôkaz.
Dôkaz rovnaký ako pre euklidovské priestory (veta 2.4.1.4).
Dôsledok 2.4.3.1.
9 N D ĺ G R P N R Q H ţ Q R U R ] P H U Q R P X Q L W i U Q R P S U L H V W R U H V existuje ortonormálna báza.
Dôkaz.
Zrejmé.
Veta 2.4.3.3.
Nech V je unitárny priestor, x1..xn jeho ortonormálna báza a x =
α
m
[
=
∑
,y =
β
w
ˇ
[
=
∑ ˘
∈V. Potom 〈x, y〉
=
α β
ŁWŁ
Ł
¤
=
∑ Ą
.
Dôkaz.
〈x, y〉 = 〈
α
¦m¦
¦
§
[
=
∑ ¨
,
β
©w©
©
Ş
[
=
∑ «
〉 =
α β
¬®Ż¬°
¬
±
[ \
˛= =
∑ łł
=
α β
´I´
´
µ
=
∑ ¶
.
Veta 2.4.3.4.
Nech V je unitárny alebo euklidovský prietor a x1..xn jeho ortonormálna báza. Potom
• ∀x =
α
·m·
·
¸
[
=
∑ ą
∈V ∀i∈1..n : αi = 〈x, xi〉
• ∀x,y∈V : ||x+y||2 + ||x-y||2 = 2(||x||2 + ||y||2)
•
[
ş
ş
»
=
∑ Ľ =
[
˝
˝
ľ
=
∑ ż .
Ondrej Vršanský
- 15 -
Dôkaz.
• 〈x, xi〉 = 〈
α
Ŕ2Ŕ
Ŕ
Á
[
=
∑ Â
, xi〉 =
α
Ă2ĂÄ
Ă
Ĺ
[ [
=
∑ Ć
=
α
ÇČÇÉ
Ç
Ę
[ [
=
∑ Ë
=
αi.
• ||x+y||2 + ||x-y||2 = 〈x+y, x+y〉 + 〈x-y, x-y〉 = 〈x, x〉 + 〈x, y〉 + 〈y, x〉 〈y, y〉 + 〈x, x〉 - 〈x, y〉 - 〈y, x〉 + 〈y, y〉 =
2(
〈x, x〉 + 〈y, y〉) = 2(||x||2 + ||y||2).
•
2
1
∑
=
n
i
i
x
=
∑
∑
=
=
n
k
k
n
i
i
x
x
1
1
,
=
∑ ∑
=
=
n
i
n
k
k
i x
x
1
1
,
=
∑
=
n
k
k
k x
x
1
,
=
∑
=
n
k
k
x
1
.
Veta 2.4.3.5.
Nech V je unitárny alebo euklidovský priestor, x1..xn ortogonálna sústava vektorov z V a x∈V. Ak ∀i∈1..n
:
αi = 〈x, xi〉, potom
•
α
Ě
Ě
Í
Î
Ď
=
∑
≤ ||x||2
(
%HVVHORYDQHURYQRV )
• Ak x1..xn je báza vo V, tak
α
Ě
Ě
Í
Î
Ď
=
∑
= ||x||2
(
3DUVHYDORYDURYQRV ).
Dôkaz.
Doplníme x1..xn na bázu x1..xm
3RG DYHW\__x||2 =
α
Ě
Ě
Đ
Î
Ď
=
∑
≥
α
Ń
Ń
Ň
Ó
Ô
=
∑
.
2.5. Grupy.
2.5.1. Pologrupy.
Lema 2.5.1.1.
Nech G je grupa a nech ax = ay (xa = ya). Potom x = y.
Dôkaz.
ax = ay
⇒ a-1ax = a-1ay ⇒ x = y.
Definícia.
Usporiadanú dvojicu (G,
•) nazývame pologrupa, ak G
MH QHSUi]GQD PQRĺLQD D • je
binárna asociatívna operácia na G.
Lema 2.5.1.2.
Nech (G,
•)
MHSRORJUXSDVYODVWQRV DPL
1.
∃e∈G ∀x∈G : e•x = x
2.
∀x∈G ∃y∈G : y•x = e. Potom G je grupa.
Dôkaz.
Nech y
•x = e a z•y = e. Potom x•y = e•x•y = () = z•y•x•y =z•(y•x)•y = z•e•y = z•y = e a x•e = x•y•x =
e
•x = x.
Lema 2.5.1.3.
Pologrupa (G,
•
MHJUXSDSUiYHYWHG\NH ∀a,b∈G ∃x,y∈G : x•a = b ∧ a•y = b.
Dôkaz.
Dopredná implikácia je triviálna. Obrátene nech
∀a,b∈G ∃x,y∈G : x•a = b ∧ a•y = b
2]QDţPHeNRUH
rovnice x
•a = a. Potom ∀b∈G : e•b = e•(a•y) = (e•a)•y = a•y = b ⇒ e
MH DYiMednotka GDSUHWRSRG DOHP\
2.5.1.2 je G grupa.
Veta 2.5.1.1.
$NYNRQHţQHMSRORJUXSHG platia pravidlá o krátení, tak G je grupa.
Dôkaz.
3RORĺPH∀a∈G : ϕa : G→GWDNpĺH∀a∈G : ϕa(x) = a•x a ψa : G→GWDNpĺH∀x∈G : ψa(x) = x•a. Obe
tieto zobrazenia sú injektívne (
ϕa(x) = ϕa(y) ⇒ a•x = a•y ⇒ x = y a rovnako ψa(x) = ψa(y) ⇒ x•a = y•a ⇒ x =
y
DNH ĺHGMHNRQHţQiV~MDVXUMHNWtYQHDWHGDELMHNWtYQH$OHSRWRP∀a,b∈G ∃x,y∈G : ϕa(x) = a•x = b ∧
ψa(y) = y•a = b
DWHGDSRG DOHP\MHG grupa.
Materiál na štátnicu
Algebra
- 16 -
2.5.2. Izomorfizmus na grupách.
Veta 2.5.2.1.
Nech A
MHPQRĺLQD3RWRPXVSRULDGDQiGYRMLFDP(A), ° ) je grupa.
Dôkaz.
Triviálne.
Definícia.
(
P(A), ° ) je
SHUPXWDţQi JUXSD na A (alebo grupa permutácií). Pre A = {1..n} ju
nazývame symetrická grupa rádu n
DR]QDţXMHPe Sn.
Definícia.
Nech (G,
∗) a (H, •) sú grupy. Bijekciu f : G→H s predpisom ∀x,y∈G : f(x∗y) =
f(x)
•f(y) nazývame izomorfizmus
9WDNRPSUtSDGHKRYRUtPHĺHA a B sú izomorfné.
Veta 2.5.2.2.
Nech f : A
→B je bijekcia. Potom (P(A), ° ) a (P(B), ° ) sú izomorfné.
Dôkaz.
Nech
ϕ,ψ∈P(A
3RORĺPHΦ : P(A)→ P(BWDNpĺHΦ(ϕ) = f°ϕ°f-1. Potom f(ϕ°ψ) = f°ϕ°ψ°f-1 = f°ϕ°f-1°
f°
ψ°f-1 = (f°ϕ°f-1)° (f°ψ°f-1) = Φ(ϕ)°Φ(ψ) a Φ je izomorfizmus.
Veta 2.5.2.3.
Nech f : (G,
∗)→(H, •) je izomorfizmus. Potom aj f-1 je izomorfizmus.
Dôkaz.
∀u,v∈H : f-1(u•v) = f-1((f°f-1)(u)• (f°f-1)(v)) = f-1(f(f-1(u))•f(f-1(v))) = f-1(f( f-1(u) ∗ f-1(v) )) = f-1(u) ∗ f-1(v).
2.5.3. Podgrupy.
Definícia.
Nech (G,
∗) a (H, •
V~ JUXS\ +RYRUtPH ĺH H je podgrupa G a píšeme H⊆G, ak H je
SRGPQRĺLQDG a ∀x,y∈H : x∗y = x•y.
Veta 2.5.3.1.
1HSUi]GQDSRGPQRĺLQDH grupy (G, •MHMHMSRGJUXSDSUiYHYWHG\NH
• e∈H
• ∀x∈H : x-1∈H
• ∀x,y∈H : x•y∈H.
Dôkaz.
Dopredná implikácia je triviálna. Obrátene nech platia uvedené podmienky. Potom (H,
•
VS D
podmienky grupy a
NH ĺHH⊆G, H je podgrupa G.
Veta 2.5.3.2.
1HSUi]GQDSRGPQRĺLQDH grupy (G, •MHMHMSRGJUXSDSUiYHYWHG\NH ∀x,y∈H : x•y-1∈H.
Dôkaz.
Dopredná implikácia je triviálna. Obrátene nech
∀x,y∈H : x•y-1∈H. Potom ∀x∈H : x•x-1= e∈H
=iURYH
∀x∈H : e•x-1 = x-1∈H,
WDNĺHHMHSRG DYHW\SRGJUXSDG.
Veta 2.5.3.3.
Nech {Hi}i∈1..n je systém podgrúp G. Potom aj
+
Ő
Ő
Ö
=
×
,
je podgrupa G.
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.5.3.4.
Nech M
MHQHSUi]GQDSRGPQRĺLQDJUXS\G. Potom existuje jediná jej podgrupa [M] takáĺH
1.
[M]
⊇M
2.
∀H<G : H⊇M ⇒ H⊇[M].
Ondrej Vršanský
- 17 -
Dôkaz.
Nech {Hi}i∈1..n je systém podgrúp G
WDNęFKĺH∀i∈1..n : Hi⊇M. Potom aj [M] =
+
Ő
Ő
Ö
=
×
,
je podgrupa G a
[M]
⊇
03ULWRP]YODVWQRVWLY\SOęYDĺHNDĺGpGYHWDNpWRSRGJUXS\V~]KRGQpWDNĺH>M] je jediná.
Definícia.
[M] nazývame minimálna podgrupa G, obsahujúca M.
Veta 2.5.3.5.
[M] =
{ }
{
}
[ [
L
Q [ 0 H
Ř ŮŘ
Ú
Ú
Ű
ÜŢÝ
∀ ∈
∈ ∧ ∈ −
.
Dôkaz.
M
∉∅ ⇒ ∃x∈M ⇒ x•x-1=e∈[M]
=iURYH ∀x= [ [
ß ŕß á
âäă
, y=
\ \
ĺ ćĺ6ç
čęé
∈M : x•y =
[ [ \ \
ë ěëîí ďí
đ
ń
ň
ň
ó
ó
∈[M] a x-1 =
[
[
ô őô ö
÷ř− −
∈[M]
W D N ĺH>M] je podgrupa G=iURYH >M] ⊇ minimálnej podgrupy G, obashujúcej MD N H ĺHD M
RE UiW HQH N D ĺGp x =
{ }
[ [
L
Q [ 0 H
ů úů
ű
ű
ü
ýäţ
∀ ∈
∈ ∧ ∈ −
∈ do minimálnej podgrupy, [M] je minimálna
podgrupa.
Definícia.
Nech (G,
•) je grupa, a∈G. n-tou mocninou a rozumieme an =
( )
D
D Q
D Q
H Q
D
Q
˙
˙
−
− −
• ← >
← =
← =
← <
∈G.
Lema 2.5.3.1.
Nech (G,
•) je pologrupa, a, b1..bn∈G
S ULţRP ∀i∈1..n : a•bi = bi•a. Potom a•(b1•..•bn) = (b1•..•bn)•a.
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.5.3.6.
Nech a,b
∈G. Potom ∀m,n∈Z :
1.
am
•an = am+n
2.
(am)n = am.n
3.
a
•b = b•a ⇒ (a•b)n = an•bn.
Dôkaz.
1.
Indukciou na n. am
•a1 = am+1 z definície. am•an+1 = am•an•a = am+n•a = am+n+1
2.
Indukciou na n. (am)1 = am. (am)n+1 = (am)n
•am = am.n•am = am.(n+1).
3.
Indukciou na n. (a
•b)1 = a•b = a1•b1. (a•b)n+1 = (a•b)n•a•b = an•bn•a•b = an+1•bn+1.
(Dôkaz bol vykonaný pre n > 1; pre záporné n je dôkaz symetrický).
2.5.4. Cyklické grupy.
Definícia.
Grupa G sa nazýva cyklická, ak
∃a∈G : G = [a]. Prvok a nazývame generátor grupy G.
Ak
∀m,n∈N : am≠an, tak G
MHQHN RQHţQiLQD N ∃n∈N : an = a) je G cyklická grupa rádu n.
Veta 2.5.4.1.
.D ĺGiS RGJ UX S D F \ N OLF N HMJ UX S \ MHF \ N OLF N i
Dôkaz.
Nech H je netriviálna podgrupa G = [a] a nech p
= min{n∈N; an∈H}
-H]UHMP p ĺH[ap]⊆H. Ale ∀s∈N
∃q,r∈N : as = (ap)q•ar = ap.q+r, kde r≤p. Ale as∈H ⇒ ar∈H (lebo apq∈H) ⇒ r≥p ∨ r = 0 ⇒ r = 0 ⇒ as∈[ap] ⇒
[ap]
⊇H ⇒ H = [ap] ⇒ H je cyklická.
Veta 2.5.4.2.
.D ĺGp GYHF \ N OLF N p J UX S \ URYQD N p K RUiGX V~ L]RP RUIQp
Dôkaz.
Nech [a] a [b]
V~URYQDNpKRUiGX3RWRPK DGDQęPL]RPRUIL]PRPMH]REUazenie an→bn.
Materiál na štátnicu
Algebra
- 18 -
2.5.5. Homomorfizmy grúp.
Definícia.
Nech (G,
∗) a (H, •) sú grupy. Zobrazenie f : G→H nazývame izomorfizmus, ak ∀x,y∈G
: f(x
∗y) = f(x)•f(y).
Veta 2.5.5.1.
Nech f : (G,
•)→(H, ∗) a g : (H, ∗)→(K, ⊕) sú homomorfizmy. Potom aj g°f je homomorfizmus.
Dôkaz.
∀x,y∈G : g°f(x+y) = g(f(x+y)) = g(f(x) ∗ f(y)) = g(f(x))⊕g(f(y)) = g°f(x) ⊕ g°f(y).
Veta 2.5.5.2.
Nech f : (G,
•)→(H, ∗) je homomorfizmus. Potom
1.
Ak eG je jednotka v G a eH v H, tak f(eG) = eH
2.
∀x∈G : f(x-1) = (f(x))-1
3.
∀x∈G ∀n∈Z : f(xn) = (f(x))n.
Dôkaz.
1.
eH ∗ f(eG) = f(eG) = f(eG•eG) = f(eG) ∗ f(eG) ⇒ f(eG) = eH.
2.
∀x∈G : eH = f(eG) = f(x•x-1) = f(x) ∗ f(x-1) ⇒ f(x-1) = (f(x))-1.
3.
∀x∈G ∀n∈N : f(x1) = f(x)1 a f(xn+1) = f(xn•x) = f(xn) ∗ f(x) = f(x)n ∗ f(x) = f(x)n+1. Ak n < 0, f(xn) = f((x-
1)-n) = f(x-1)-n = (f(x)-1)-n = (f(x))n.
Veta 2.5.5.3.
Nech f : (G,
•)→(H, ∗) je homomorfizmus. Potom Ker(f)⊆G a Im(f)⊆H.
Dôkaz.
Ker(f
MHQHS Ui]GQHOHE RS RG D YHW \ RGVHN eG∈Ker(f =iURYH ∀x,y∈Ker(f) : f(x•y) = f(x) ∗ f(y)
= eH ∗ eH = eH
D S RG D YHW \ RGVHN f(x-1) = f(x)-1 = eH-1 = eHţLĺHKer(f) je podgrupa G. podobne je
neprázdne aj Im(f) (z rovnakého dôvodu ako Ker(f)),
∀x,y∈Im(f) ∃u,v∈G : f(u) = x a f(v) = y. Potom x∗y-1 =
f(u)
∗f(v)-1 = f(u)∗f(v-1) = f(u•v-1)∈Im(f
ţLĺHIm(f) je podgrupa H.
Veta 2.5.5.4.
Nech f : [a]
→(G, •) je surjektívny homomorfizmus. Potom G je cyklická grupa.
Dôkaz.
f je surjektívne
⇒ ∀x∈G ∃ n∈N : f(an) = x ⇒ f(a)n = x ⇒ G = [f(a)].
Veta 2.5.5.5.
Nech f : (G,
•)→(H, ∗) je homomorfizmus. Potom f
MHLQMHN F LD VX UMHN F LD S UiYHYW HG\ N H Ker(f) = {e}
(Im(f) = H).
Dôkaz.
Dopredné implikácie sú triviálne. Obrátene nech Ker(f) = {e}. Potom
∀x,y∈G : f(x) = f(y) ⇒ eH = f(x) ∗
f(y)-1
= f(x) ∗ f(y-1) = f(x•y-1) ⇒ x•y-1 = eG ⇒ x = y. Obrátená implikácia pre Im(f) je triviálna.
3HUPXWDţQpJUXS\
Definícia.
Nech (G,
•) je grupa. ∀a∈G nazývame zobrazenie fa : G→G, kde ∀x∈G : fa(x) = a•x
(x
•a
D Yá (pravá) translácia a.
Lema 2.5.6.1.
Nech (G,
•) je grupa. Potom ∀a∈G
MH D YiLS UD YiW UD QVOiF LD a bijektívna.
Dôkaz.
'{N D ]Y\ N RQiP HS UH D Y~ W UD QVOiF LX '{N D ]S UHS UD Y~ W UD QVOiF LX MHV\ P HW ULF N Ś ∀x,y∈G : fa(x) = fa(y) ⇔
a
•x = a•y ⇔ x = y ⇒ fa je injekcia
=iURYH ∀x∈G : fa(a-1•x) = a•a-1•x = x ⇒ fa je surjekcia ⇒ fa je bijekcia.
Dôsledok 2.5.6.1.
Nech (G,
•) je grupa a fa
MH D Yi S UD Yi W UD QVOiF LD S UYN X a∈G. Potom fa∈P(G).
Ondrej Vršanský
- 19 -
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva priamo z lemy 2.5.6.1 a definície
P(G).
Veta 2.5.6.1 (Cayley).
.X N D ĺGHMJ UX S H G, • H[LVW X MHL]RP RUIQiS RGJ UX S D S HUP X W D ţQHMJ UX S \ P(G).
Dôkaz.
6W D ţt X N i]D ĺHS UHH = {fa; a∈G, faMH D Yi S UD Yi W UD QVOiF LD a} je (H, °) podgrupa G. Ale ∀a,b,x∈G :
fa°fb(x) = fa(fb(x)) = fa(b•x) = a•b•x = fa•b(x
W D N ĺHW YUGHQLH platí.
Definícia.
Permutácia
ϕ∈Sn sa nazýva cyklus, ak ∃i1<..<im∈1..n ∀k∈1..m : ϕ(ik) = ik+1 ∧ ϕ(im) =
i1
ýt VORm nazývame G ĺND cyklu ϕ&\ N OX VG ĺN \ VD QD ]Ś YD transpozícia.
Definícia.
ýt VORr = min{n∈N; ϕn = id} sa nazýva rád cyklu ϕ.
Veta 2.5.6.2.
R
iGN D ĺGp K RF \ N OX MHURYQŚ MHK RG ĺN H
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.5.6.3.
Nech
ϕ,ψ∈Sn sú disjunktné. Potom ϕ°ψ = ψ°ϕ.
Dôkaz.
Triviálne.
Dôsledok 2.5.6.2.
Ak
ϕ,ψ∈Sn sú disjunktné, tak ∀n∈N : (ϕ°ψ)n = ϕn ° ψn.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.
Veta 2.5.6.4.
.D ĺGi S HUP X W iF LD ϕ≠id VD Gi D ĺ QD S RUD GLH ]iW YRULHN MHGLQŚ P VS {VRE RP ]D S t VD Y W YD UH V~ ţLQX
GLVMX QN W QŚ F K F \ N ORYG ĺN \ D VS R
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.5.6.5.
.D ĺGiϕ∈SnVD GiQD S t VD D N RV~ ţLQW UD QVS R]t F Lt
Dôkaz.
3 RG D YHW \ VD N D ĺGiϕ≠idGiQDStVD DNRV~ţLQGLVMXQNWQęFKF\NORY=iURYH F\NOXVi1, .. , in),
kde n
! VD GiUR]ORĺL QD W UD QVS R]t F LH i1, i2)° .. °(in-1, in). id vyjadrím ako (i1, i2)°(i1, i2).
Veta 2.5.6.6.
Všetky vyjadrenia
ϕ
D N RV~ ţLQW UD QVS R]t F Lt P D M~ URYQD N ~ S D ritu.
Dôkaz.
Triviálne.
Definícia.
ϕ∈Sn je párna
D N MH Y\ MD GULW H Qi D N R V~ ţLQ S iUQHK R S RţW X W UD QVS R]t F Lt ϕ je nepárna,
ak nie je párna.
Dôsledok 2.5.6.3.
1.
6~ ţLQGYRF K S HUP X W t F Lt URYQD N HMS D ULW \ MHS iUQ\
2.
Inverzná permutácia k párnej (nepárnej) je párna (napárna).
3.
Párne permutácie tvoria spolu s operáciou skladania zobrazení podgrupu Sn.
Dôkaz.
1.
Vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.
2.
Vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.
Materiál na štátnicu
Algebra
- 20 -
3.
Vyplýva z 1. a 2.
Definícia.
Grupu párnych permutácií z Sn nazývame alternujúca podgrupa Sn.
2.5.7. Rozklady na grupách.
Definícia.
Systém {Ai}i∈1..n
S RGP Rĺt QA je rozklad A, ak ∀i≠j∈1..n : Ai∩Aj=∅.
Definícia.
Nech (H,
∗) je podgrupa (G, ∗). ∀g∈G
GHILQX MHP H P QRĺLQX Hg = {g∗h; h∈H) a Hg =
{h
∗g; h∈H}
D OHMR]QD ţP HG|H = {Hg; g∈G} a G|H = {Hg; g∈G}.
Veta 2.5.7.1.
Nech (H,
∗) je podgrupa (G, ∗). Potom G|H a G|H sú rozklady grupy G.
Dôkaz.
7YUGHQLHGRN iĺHP HS UHG|H. Dôkaz pre G|H je symetrický. Nech ∃g,g´∈G : Hg∩Hg´≠∅. Potom ∃x∈G :
x
∈Hg ∧ x∈Hg´ ⇒ ∃h,h´∈H : x = g∗h = g´∗h´ ⇒ g = g´∗h´∗h∈Hg´ ∧ g´ = g∗h∗h´∈Hg ⇒ Hg = Hg´.
Veta 2.5.7.2.
Nech (H,
∗) je podgrupa (G, ∗). Potom ∀g∈G : Hg = H.
Dôkaz.
f : H
→Hg s predpisom f(x) = g∗x je zjavne bijekcia.
Veta 2.5.7.3 (Lagrange).
Nech (H,
∗) rádu p
MHS RGJ UX S D N RQHţQHM G, ∗) rádu n. Potom nMHGHOLW H Qp p.
Dôkaz.
3 RG D YHW \ ∀ g∈G : Hg = H ⇒ |Hg| = |H| = p$ N H ĺHG|H je rozklad GVN RQHţQŚ P S RţW RP
komponentov (lebo g
MHN RQHţQi _ G| = nMHGHOLW H Qp _ H| = p.
Dôsledok 2.5.7.1.
Nech G
MHN RQHţQiJ UX S D UiGX n. Potom ∀g∈G : rád g delí n.
Dôkaz.
Rád g je rádom [g]
W D N ĺHW YUGHQLHY\ S OŚ YD S ULD P R]/D J UD QJ HRYHMYHW \
Dôsledok 2.5.7.2.
.D ĺGiJ UX S D S UYRţt VHOQp K RUiGX MHF \ N OLF N i
Dôkaz.
Nech G je rádu n a n
MHS UYRţt VOR3 RW RP ∀g∈G : g≠e ⇒ [g] je rádu n, lebo nQHP iLQŚ F K GHOLW H RY
2.5.8. Invariantné podgrupy.
Definícia.
Podgrupa H grupy G sa nazýva invariantná alebo normálna, ak
∀g∈G : Hg = Hg.
Zapisujeme H
<G.
Lema 2.5.8.1.
Podgrupa H grupy G
MHLQYD ULD QW QiS UiYHYW HG\ N H ∀g∈G : Hgg´ = {g∗h∗g-1; h∈H} ≈ H.
Dôkaz.
H
<G ⇒ ∀g∈G : Hg = Hg ⇒ ∀g∈G ∃h∈Hg ∃h´∈Hg : h∗g = g∗h´ ⇒ g = h∗g∗h
D N H ĺHS RG D YHW \
2.5.7.2 Hg = Hg = H, Hgg´ = {g∗h∗g-1; h∈H} = H. Obrátene ∀g∈G ∀v∈Hg ∃h∈H : x∗h = x∗h∗x-1∗x = (h∗x-1∗x =
h´)
= h´∗x∈Hg ⇒ Hg⊆Hg
2 S D ţQiLQN O~ ]LD S RGRE QH
Dôsledok 2.5.8.1.
Podgrupa H grupy G
MHLQYD ULD QW QiS UiYHYW HG\ N H ∀g∈G : ∀h∈H : g∗h∗g-1 ∈ H.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.
Ondrej Vršanský
- 21 -
Veta 2.5.8.2.
Ak f : G
→H je homomorfizmus, tak Ker(f)<G.
Dôkaz.
∀g∈G, x∈Ker(f) : f(g∗x∗g-1) = f(g) ∗ f(x) ∗ f(g-1) = f(g) ∗ f(g-1) = f(g∗g-1) = f(e) = e ⇒ g
∗x∗g-1∈Ker(f).
Definícia.
Nech G
MHJ UX S D 0 QRĺLQX Z(G)={g∈G; ∀x∈G : x∗g = g∗x} nazývame centrum grupy G.
Veta 2.5.8.3.
&HQW UX P N D ĺGHMJ UX S \ MHMHMLQYD ULD QW QRX S RGJ UX S RX
Dôkaz.
∀g∈G, x∈Z(G) ∀h∈G : g∗x∗g-1∗h = x∗g∗g-1∗h = x∗e∗h = x∗h = h∗x = h∗x∗g∗g-1 = h∗g∗x∗g-1 ⇒ Z(G)<G.
Definícia.
Nech G
MH J UX S D 0 QRĺLQX K(G) = {g∗h∗g-1∗h-1; g,h∈G} nazývame komutant grupy G.
Prvok g
∗h∗g-1∗h-1
R]QD ţX MHP H[g, h].
Veta 2.5.8.4.
.RP X W D QW N D ĺGHMJ UX S \ MHMHMLQYD ULD QW QiS RGJ UX S D
Dôkaz.
∀g∈G, k=a∗b∗a-1∗b-1∈K(G) : g∗k∗g-1 = g∗a∗b∗a-1∗b-1∗g-1 = g∗a∗g-1∗g∗b∗g-1∗g∗ a-1∗g-1∗g∗b-1∗g-1 =
[g
∗a∗g-1, g∗b∗g-1]∈K(G).
Definícia.
Nech G je grupa. Homomorfizmus f : G
→G nazývame automorfizmus
0 QRĺLQX
všetkých automorfizmov na G
R]QD ţt P HA(G).
Veta 2.5.8.5.
Nech G je grupa. Potom (A(G), °) je grupa.
Dôkaz.
id je jednotka v A(G),
∀f∈A(G) : f-1∈A(G
OHE R N D ĺGŚ automorfizmus je bijekcia, a ∀f,g∈A(G) :
f°g
∈A(G), lebo automorfizmus je aj homomorfizmus.
Definícia.
Nech G je grupa. Grupa (A(G), °) sa nazýva alternujúca grupa na G.
Veta 2.5.8.6.
Nech G je grupa. Potom
∀g∈G je zobrazenie ϕg : G→G s predpisom ϕg(x) = g∗x∗g-1 automorfizmus.
Dôkaz.
Triviálne.
Definícia.
Nech G je grupa. Potom
∀g∈G automorfizmus ϕg : G→G s predpisom ϕg(x) = g∗x∗g-1
nazývame vnútorný
D X W RP RUIL]P X V X UţHQŚ S UYN RP g 0 QRĺLQX YQ~ W RUQŚ F K D X W RP RUIL]P RY
X UţHQŚ F K S UYN D P LGR]QD ţX MHP HI(G).
Veta 2.5.8.7.
Nech G je grupa. Potom (I(G), °) je grupa.
Dôkaz.
ϕg°ϕh(x) = ϕg(ϕh(x)) = ϕg(h∗x∗h-1) = g∗h∗x∗h-1∗g-1 = ϕg°h(x
2 VW D W Qp YOD VW QRVW L]D UX ţX Me veta 2.5.8.5.
Veta 2.5.8.8.
Nech G je grupa. Potom I(G)
<A(G).
Dôkaz.
∀f∈A(G) ∀ϕg∈I(G) ∀x∈G : ϕf(g)(x) = f(g) ∗ x ∗ f(g)-1 = f(g) ∗ f( f -1(x) ) ∗ f(g)-1 = f(g ∗ f-1(x) ∗ g-1) = f(
ϕg(f-1(x))) = f °ϕg°f-1(x)∈I(G).
Materiál na štátnicu
Algebra
- 22 -
2.5.9. Faktorové grupy.
Veta 2.5.9.1.
Nech (H,
•)<(G, •). Potom existuje jediná binárna operácia ∗
W D N iĺH G|H, ∗) je grupa a zobrazenie f :
G
→G|H s predpisom f(g) = Hg homomorfizmus.
Dôkaz.
Definujme operáciu
∗ predpisom Hg∗Hh = Hg•h. Táto operácia je korektná iba ak je nezávislá od výberu
reprezentantov tried Hg a Hh. nech teda Hg = Hg´ a Hh = Hh´. Potom ale Hg•h = Hg´•h´
ţLĺH QH]iYLVORV MH
]D UX ţHQi$ VRF LD W t YQRV ∗W LHĺOHE R∀x,y,z∈G : (Hx ∗ Hy) ∗ Hz = Hx•y ∗ Hz = H(x•y)•z = Hx•(y•z) = Hx ∗ Hy•z = Hx ∗
(Hy ∗ Hz). Inverzný prvok je zrejmý a takisto f je homomorfizmus, lebo ∀g,h∈G : f(x•y) = Hx•y = Hx ∗ Hy = f(x)
∗ f(y).
Definícia.
Nech H
<G, ∗
WDNi ELQiUQD RSHUiFLD ĺH G|H, ∗) je grupa a zobrazenie f : G→G|H s
predpisom f(g) = Hg homomorfizmus. Potom (G|H, ∗) je faktorová grupa G
S RG D H.
Veta 2.5.9.2.
Nech f : G
→H je surjektívny homomorfizmus. Potom Ker(f)<G a G|Ker(f) ≈ H.
Dôkaz.
Homomorfizmus f vyplýva priamo z vety 2.5.8.2. Definujme g : G|Ker(f)→H predpisom ∀x∈G : g(Ker(f)x)
= f(x). ∀x,y∈G : Ker(f)x = Ker(f)y ⇒ x•y-1∈ Ker(f) ⇒ f(x•y) = eH ⇒ f(x) = f(y) ⇒ g je injektívne lineárne
zobrazenie. Naviac g
MH K RP RP RUIL]P X V S UHW RĺH f MH K RP RP RUIL]P X V $ N H ĺH f je surjekcia, g je
izomorfizmus.
Dôkaz.
Dôsledok 2.5.9.1.
Nech G je grupa. Potom G|Z(G) ≈ I(G).
Dôkaz.
Nedokazujeme.
2.6. Determinanty.
2.6.1. Determinant matice.
Definícia.
Nech A je štvorcová matic
D VW X S D nýt VOR _ A| =
(
)
VJQ
τ
τ
τ
D
=
∈
∏
∑
, kde sgn
τ = 1, ak τ
je párna a -1, ak
τ je nepárna, nazývame determinant matice A.
2.6.2. Vlastnosti determinantov.
Veta 2.6.2.1.
Nech A
MHăW YRUF RYiP D W LF D VW X S D n. Potom |A| = |A⊥|.
Dôkaz.
|A⊥|
=
(
)
VJQ
τ
τ
τ
D
⊥
=
∈
∏
∑
=
(
)
VJQ
τ
τ
τ
D
!
=
∈
∏
∑
"
=
(
)
VJQ
#$%
τ
τ
τ
D
&&
&
'
()
=
∈
∏
∑
*
, lebo inverzná permutácia má
rovnakú paritu.
Veta 2.6.2.2.
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Nech c∈F a nech A´ vznikne z A vynásobením niektorého riadku c.
Potom |A´|
= c.|A| .
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.6.2.3.
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn a nech A´ vznikne z A výmenou dvoch riadkov. Potom |A´| = -|A|.
Ondrej Vršanský
- 23 -
Dôkaz.
9ęPHQRXGYRFKULDGNRYSRUXătPHSDULWXNDĺGHMSHUPXWiFLH
Dôsledok 2.6.2.1.
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Ak A má dva rovnaké riadky, tak |A| = 0.
Dôkaz.
Zrejmé z predchádzajúceho tvrdenia.
Definícia.
$NYRY]RUFLSUHYęSRţHWGHWHUPLQDQWXY\EHULHPSUHG]iWYRUNXai,j]RYăHWNęFKţOHQRY
YNWRUęFKVDQDFKiG]DSRWRPţtVORY]iWYRUNHQD]ęYDPHalgebraický doplnok k ai,j.
Lema 2.6.2.1(Laplace).
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Potom ∀i∈1..n : |A| =
D $
+-,.+-,
,/ 010
=
∑
2
.
Dôkaz.
Triviálne.
Lema 2.6.2.2.
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Potom ∀i,k∈1..n :
∑
=
n
j
j
k
j
i A
a
1
,
,
= 0.
Dôkaz.
Pre* i
≠k
D $
3547684
49 :;:
=
∑
<
= 0, lebo do i-teho riadku sme dali k-
W\ţLPY]QLNOLGYDURYQDNpULDGN\
2]QDţHQLH
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn, nech i,j∈1..n. Determinant matice, ktorá v znikne
z A odobratím i-teho riadku a j-
WHKRVW SFDR]QDţtPHMi,j.
Lema 2.6.2.3.
Nech A je štvor
FRYiPDWLFDVWXS Dn, nech i,j∈1..n. Potom Ai,j = (-1)i+jMi,j.
Dôkaz.
Zrejme A1,1 = M1,1 = (-1)2M1,1. Ale ai,j presunieme i-1+j-
YęPHQDPLULDGNRYDVW SFRYQDSR]tFLXD
NH ĺHNDĺGiVWęFKWRRSHUiFLtREUDFLD]QDPLHQNRGHWHUPLQDQWXD-1)i-1+j-1 = (-1)i+j, platí Ai,j = (-1)i+jMi,j.
Veta 2.6.2.5.
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Nech c∈F a nech A´ vznikne z ASULSRţtWDQtPc-násobku nejakého
riadku A k inému riadku A. Potom |A´|
= |A|.
Dôkaz.
Nech A
Y]QLNQH SULSRţtWDQtP c-násobku i-teho riadku ku k-temu. Potom |A´| =
∑
=
′
′
n
j
j
k
j
k A
a
1
,
,
=
∑
=
n
j
j
k
j
k A
a
1
,
,
+
∑
=
n
j
j
i
j
k A
a
c
1
,
,
.
=
∑
=
n
j
j
k
j
k A
a
1
,
,
+
∑
=
n
j
j
i
j
k A
a
c
1
,
,
.
=
∑
=
n
j
j
k
j
k A
a
1
,
,
+ c.0
=
∑
=
n
j
j
k
j
k A
a
1
,
,
= |A|.
Definícia.
Nech A
MH ăWYRUFRYi PDWLFD VWXS D n. Maticu Aa =
$
$
$
$
=
=
==
>?>
>
>
@
@
@
@
/
0 2
0
/
Y NWRUHM VW SFRFK V~
algebraické doplnky riadkov matice A, nazývame matica adjungovaná k A.
Veta 2.6.2.6
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn a Aa je jej adjungovaná matica. Potom A×Aa =
$
$
$
.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva priamo z Laplaceovej vety (veta 2.6.2.4) a jej dôkazu.
Materiál na štátnicu
Algebra
- 24 -
Dôsledok 2.6.2.2.
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Ak |A|≠0, tak A je regulárna a A-1= Aa×|A|-1.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.
2.6.3. Matice elementárnych úprav.
Oz
QDţHQLH
Nech c
∈F. Maticu , ktorá vznikne z jednotkovej vynásobením i-teho riadku c
R]QDţtP
Ei(c). Maticu , ktorá vznikne z jednotkovej výmeno i-teho a j-
WHKR ULDGNX R]QDţtP Ei,j.
0DWLFX NWRUi Y]QLNQH ] MHGQRWNRYHM SULSRţtWDQtP c-násobku i-teho riadku k j-temu,
R]QDţtPEi,j(c).
Lema 2.6.3.1.
|Ei(c)| = c, |Ei,j| = -1 a |Ei,j(c)| = 1.
Dôkaz.
9ăHWN\WULWYUGHQLHY\SOęYDM~]GHILQtFLHGHWHUPLQDQWXDPRĺQRVLLFK DKNRRYHUL
Veta 2.6.3.1.
Determinant regulárnej matice je nenulový.
Dôkaz.
Ak A je regulárna,
WDNSRG DYHW\MXPRĺQRY\MDGUL YSRGREHV~ţLQXHOHPHQWiUQ\FKPDWtF DKNR
VDPRĺQRSUHVYHGţL ĺHGHWHUPLQDQWV~ţLQXHOHPHQWiUQ\FKPDWtFMHURYQęV~ţLQXLFKGHWHUPLQDQWRYDNH ĺH
determinanty elementárnych matíc sú nenulové, je nenulový aj |A|.
Veta 2.6.3.2.
Nech A a B
V~ăWYRUFRYpPDWLFHVWXS Dn. Potom |A×B| = |A|.|B| .
Dôkaz.
Ak A aj B
V~UHJXOiUQHWDNSRG DYHW\LFKPRĺQRY\MDGUL YSRGREHV~ţLQXHOHPHQWiUQ\FKPDWtF
'HWHUPLQDQWV~ţLQXWęFKWRSRVWXSQRVWtMHSRG DYHW\URYQęV~ţLQXGHWHUPLQDQWRYWęFKWRSRVWXSQRVWt
ţLĺH_A×B| = |A|.|B_$NDVSR MHGQD]PDWtFA, B nie je regulárna, tak |A×B| = |A| = 0.
Veta 2.6.3.3.
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Nech c∈F a nech A´ vznikne z A vynásobením niektorého riadku c.
Potom |A´|
= |Ei(c)×A| = |Ei(c)|.|A| = c.|A| .
Dôkaz.
3RG DYHW\_A´| = c.|A_3RVOHGQiURYQRV SODWtSRG DOHP\3URVWUHGQiURYQRV Y\SOęYD]
vety 2.6.3.2.
Dôsledok 2.6.3.1.
Ei(c) je elementárna matica, reprezentujúca vynásobenie i-teho riadku matice skalárom c.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva z prvej rovnosti predchádzajúcej vety.
Veta 2.6.3.4.
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn a nech A´ vznikne z A výmenou i-teho riadku za j-ty. Potom |A´| =
|Ei,j×A| = |Ei,j|.|A| = -|A|.
Dôkaz.
3RG DYHW\_A´| = -|A_3RVOHGQiURYQRV SODWtSRG DOHP\ 3URVWUHGQiURYQRV Y\SOęYD]
vety 2.6.3.2.
Dôsledok 2.6.3.2.
Ei,j je elementárna matica, reprezentujúca výmenu riadkov i a j.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva z prvej rovnosti predchádzajúcej vety.
Ondrej Vršanský
- 25 -
Veta 2.6.3.5.
Nech A
MHăWYRUFRYiPDWLFDVWXS Dn. Nech c∈F a nech A´ vznikne z ASULSRţtWDQtPc-násobku i-teho
riadku k j-temu. Potom |A´| = |Ei,j(c)×A| = |Ei,j(c)|.|A| = |A|.
Dôkaz.
3RG DYHW\_A´| = |A_3RVOHGQiURYQRV SODWtSRG DOHP\3URVWUHGQiURYQRV Y\SOęYD]
vety 2.6.3.2.
Dôsledok 2.6.3.3.
Ei,j
MHHOHPHQWiUQDPDWLFDUHSUH]HQWXM~FDSULSRţtWDQLHc-násobku i-teho riadku k j-temu.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva z prvej rovnosti predchádzajúcej vety.
2.6.4. Grupa regulárnych matíc.
Veta 2.6.4.1.
Zobrazenie Det :
Rn→R s predpisom Det(A) = |A| je homomorfizmus.
Dôkaz.
Det(A
×B) = |A×B| =
SRG DYHW\= |A|.|B| = Det(A).Det(B).
Dôsledok 2.6.4.1.
Rn|Ker(Det) ≈ R.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva z vety 2.5.9.2.
2.6.5. Cramerovo pravidlo.
Veta 2.6.5.1 (Cramerovo pravidlo).
Nech A je regulárna matica, adjungovaná k sústave S
=
D [
D [
E
D [
D [
E
ABA
A
A8ACA
A
D?DED
D
D
DFD
G
G
G
G
/
0
2
0
0
/
=
=
. Potom S
PiMHGLQęNRUH
(y1, .. , yn), kde ∀i∈1..n : yi = |Di|.|A|-1
SULţRPDi vznikne z A nahradením i-WHKRVW SFDSUDYRXVWUDQRXV~VWDY\
Dôkaz.
∀i∈1..n
:
D '
$
H-IJI
IK L
=
∑
M
=
D
E $
$
NPO
QQO
QR
OR S
S
=
=
∑
∑
T
T
=
U
U
$
D
E $
VPW
XYXW
XZ
WZ [
[
=
=
∑
∑
=
\
\
$
E D $
]_^5`7]`
]a
`a
bcb
=
=
∑
∑
=
d
d
$
E D $
egfPheh
hi
ei
jcj
=
=
∑
∑
=
k
k
$
E
D $
l
m5n7ln
no
lo
pcp
=
=
∑
∑
=
q
$
E $
r
rs
=
∑
= bi.
2.7. Okruhy.
2.7.1. Základné vlastnosti.
Veta 2.7.1.1.
Nech (A,
⊕, ⊗) je okruh. Potom
• ∀x∈A : x⊗0 = 0⊗x = 0
• ∀x,y∈A : x⊗(-y) = (-x)⊗y = -(x⊗y).
Dôkaz.
• ∀x∈A : x⊗0 = x⊗(0⊕0) = x⊗0 ⊕ x⊗0 ⇒ 0 = x⊗0. 0⊕x podobne.
• ∀x,y∈A : 0 = x⊗0 = x⊗(y-y) = x⊗y ⊕ x⊗(-y) ⇒ x⊗(-y) = -(x⊗y). (-x)⊗y podobne.
Veta 2.7.1.2.
Nech (A,
⊕, ⊗) je okruh a a1..an, a∈A. Potom a⊗(a1⊕ .. ⊕an) = a⊗a1 ⊕ .. ⊕ a⊗an.
Dôkaz.
Triviálne.
Materiál na štátnicu
Algebra
- 26 -
2]QDţHQLH
Nech (A,
⊕, ⊗) je okruh, a∈A a n∈N. Výraz
D
D
t⊕ ⊕
EXGHPH]DSLVRYD VNUiWHQHn.a.
Veta 2.7.1.3.
Nech (A,
⊕, ⊗) je okruh, x,y∈A a n∈N. Potom x⊗(n.y) = n.(x⊗y).
Dôkaz.
Tvrdenie je priamym dôsledkom vety 2.7.1.2.
2.7.2. Obory integrity.
Definícia.
Nech (A,
⊕, ⊗) je okruh. Prvok a∈A
QD]ęYDPH DYęS UDYęGHOLWH QXO\, ak ∃b∈A : b≠0
∧ a⊗b = 0 (b⊗a = 0). Ak a≠0, a je netriviálny
GHOLWH QXO\
Poznámka.
2ERULQWHJULW\MHRNUXKVDVSR GYRPDSUYNami, neobsahujúci netriviálne delitele nuly.
Veta 2.7.2.1.
Nech (A,
⊕, ⊗) je obor integrity. Potom v A platia obmedzené pravidlá o krátení (∀a,x,y∈A : a⊗x = a⊗y
⇒ x = y a x⊗a = y⊗a ⇒ x = y).
Dôkaz.
∀a,x,y∈A : a⊗x = a⊗y ⇒ a⊗x ⊕ -(a⊗y) = 0 ⇒ a⊗x ⊕ a⊗(-y) = 0 ⇒ a⊗(x ⊕ (-y)) = 0 ⇒ x ⊕ (-y) = 0 ⇒
x
= y. Obrátené pravidlo podobne.
Veta 2.7.2.2.
Nech (A,
⊕, ⊗
MHRNUXKVDVSR GYRPDSUYNDPLYNWRURPSODWLDREPHG]HQpSUDYLGOiRNUiWHQt3RWRPA
je obor integrity.
Dôkaz.
∀x,y∈A : x⊗y = 0 ⇒ x⊗y = x⊗0 ⇒ y = 0.
Veta 2.7.2.3.
.DĺGpWHOHVRMHRERULQWHJULW\
Dôkaz.
∀x,y∈A ∃x´∈A : x⊗y = 0 ⇒ x´⊗x⊗y = x´⊗0 ⇒ y = 0.
2.7.3. Podokruhy.
Definícia.
Okruh (B,
⊕, ⊗) je podokruh okruhu (A, +, ∗), ak (B, ⊕) je podgrupa (A, +) a ∀x,y∈B :
x
⊗y = x∗y.
Veta 2.7.3.1.
Okruh (B,
⊕, ⊗) je podokruh okruhu (A, +, ∗
SUiYHYWHG\NH ∀x,y∈B : x⊕(-y)∈B ∧ x⊗y∈B.
Dôkaz.
Obdobne ako pre podgrupy.
Veta 2.7.3.2.
Nech {Bi}i∈1..n je systém podokruhov A. Potom aj
%
u
u
v
=
w
,
je podokruh A.
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.7.3.3.
Nech A je okruh a M
⊆A. Potom existuje jediný podokruh [[M]] okruhu A
WDNęĺHM⊆[[M]] a ∀B⊆A : B
je podokruh A
⇒ B⊆[[M]].
Dôkaz.
[[M]] je prienik všetkých podokruhov A, obsahujúcich M. Z vlastnosti
∀B⊆A : B je podokruh A ⇒
B
⊆[[M]]
Y\SOęYDĺH[[M]] je jediný.
Ondrej Vršanský
- 27 -
Definícia.
Nech A je okruh a M
⊆A. Okruh [[M]]
NWRUpKR H[LVWHQFLX ]DEH]SHţXMH YHWD
nazývame podokruh generovaný
PQRĺLQRXM. Prvky M sú generátory okruhu [[M]].
Veta 2.7.3.4.
Nech A je okruh a nech M
⊆A obsahuje jednotku. Ak ∃a∈A ∀x∈A : a⊗x = x⊗a, tak okruh [[M∪{a}]],
NWRUpKR H[LVWHQFLX ]DEH]SHţXMH YHWD PiWYDU {x0⊗a0⊕ .. ⊕xn⊗an; ∀i∈1..n: xi∈A} D R]QDţXjeme ho
M[a].
Dôkaz.
M[a]
⊇M, lebo ∀x∈M : x = x⊗a0 = x⊗e. ∀x=x0⊗a0⊕ .. ⊕xn⊗an, y= y0⊗a0⊕ .. ⊕yn⊗an ∈M[a] : (x - y) =
(x0 - yn)⊗a0⊕ .. ⊕(xn - yn) ⊗ an∈M[a].
3RGREQHPRĺQRRGYRGL ĺHx⊗y)∈M[a], WDNĺHM[a] je podokruh A. A
napokon aj M[a]
⊆[[M]], lebo minimálny podokruh musí všetky prvky tvaru prvkov z M[a]
REVDKRYD
Definícia.
Nech A je okruh a nech M
⊆A. Okruh M[a]
NWRUpKRH[LVWHQFLX]DEH]SHţXMHYHWD
nazývame okruh polynómov v premennej a pod M.
2.7.4. Homomorfizmy a ideály okruhov.
Definícia.
Nech (A,
⊕, ⊗) je okruh. Zobrazenie f : A→A nazveme homomorfizmus okruhov
NUiWHQHKRPRPRUIL]PXVDNMHKRPRPRUIL]PRPY]K DGRPQDREHRSHUiFLH⊕ a ⊗.
Veta 2.7.4.1.
Nech A,B a C sú okruhy a zobrazenia f : A
→B a g : B→C homomorfizmy. Potom aj g°f : A→C je
homomorfizmus.
Dôkaz.
7YUGHQLHY\SOęYDSULDPR]YHW\R]ORĺHQRPKRPRPRUIL]PHJU~S
Definícia.
Nech (A,
⊕, ⊗) je okruh. ∅≠I⊆A je ideál, ak
1.
∀x,y∈I : (x - y)∈I
2.
∀x∈I ∀r∈A : x⊗r∈I ∧ r⊗x∈I.
Veta 2.7.4.2.
Nech A a B sú okruhy a zobrazenie f : A
→B homomorfizmus. Potom Ker(f) je ideál A.
Dôkaz.
∀x,y∈Ker(f) : f(x - y) = f(x) - f(y) = 0 + 0 = 0∈Ker(f
=iURYH ∀r∈A : f(x⊗r) = f(x)∗f(r) = 0∗f(r) = 0.
Obdobne f(r
⊗x).
Veta 2.7.4.3.
Nech A´ je podokruh A a B´ podokruh B. Ak f : A
→B je homomorfizmus, tak f(A´) = {f(x)∈B; x∈A´} je
podokruh B a f-1(B´)
= {x∈A; f(x)∈B´} je podokruh A.
Dôkaz.
∀f(x),f(y)∈f(A´) : f(x) ∗ f(y) = f(x⊗y)∈f(A´), lebo A´ je okruh. Podobne ∀x,y∈f-1(B´) : f(x⊗y) = f(x) ∗
f(y)
∈B´, lebo B´ je okruh.
Veta 2.7.4.4.
Nech A,B sú okruhy a I je ideál B. Ak f : A
→B je homomorfizmus, tak f-1(I) = {x∈A; f(x)∈I} je ideál A.
Dôkaz.
3RG DYHW\MHf-1(I) podokruh A. Navyše ∀x∈f-1(I) ∀r∈A : f(r⊗x) = f(r) ∗ f(x)∈I, lebo I je ideál.
Veta 2.7.4.5.
Nech {Ii}i∈1..n je systém ideálov A. Potom aj
,
x
x
y
=
z
,
je ideál A.
Dôkaz.
Triviálne.
Materiál na štátnicu
Algebra
- 28 -
Veta 2.7.4.6.
Nech A je okruh a I
⊆A. Potom existuje jediný ideál (I) okruhu A
WDNęĺHI⊆(I) a ∀J⊆A : J je ideál A ⇒
J
⊆(I).
Dôkaz.
Obdobne ako pre okruhy.
Definícia.
Nech A je okruh a I
⊆A. Okruh (I)
NWRUpKR H[LVWHQFLX ]DEH]SHţXMH YHWD
nazývame ideál generovaný
PQRĺLQRXI. Prvky I sú generátory okruhu (I).
Veta 2.7.4.7.
Nech A je komutatívny okruh, a
∈A. Potom (a) = {r⊗a ⊕ n.a; r∈A, n∈Z}. Ak 1∈A, tak (a) ={r⊗a; r∈A}.
Dôkaz.
∀x=p⊗a ⊕ m.a, y=r⊗a ⊕ n.a ∈(a) : x-y = (p-r)⊗a ⊕ (m-n).a a ∀s∈A : r⊗x = r⊗( p⊗a ⊕ m.a) = (p⊗s)⊗a
⊕ (n.s).a ∈(a), tak
ĺHa) je ideál A. Navyše a∈(aDNDĺGęLGHiOA, obsahujúci aPXVtREVDKRYD YăHWN\SUYN\A
tvaru prvkov (a
WDNĺHa) je minimálny.
2.7.5. Faktorové okruhy.
Veta 2.7.5.1.
Nech I je ideál A. Potom existujú jediné operácie
⊕, ⊗
WDNpĺHA|I, ⊕, ⊗) je okruh a zobrazenie f : A→A|I
s predpisom f(a)
= a+I komutatívny homomorfizmus.
Dôkaz.
Definujme operáciu
⊕ predpisom ∀x,y∈A : (x+I)⊕(y+I) = (x⊕y)+I a operáciu ⊗ predpisom ∀x,y∈A :
(x+I)
⊗(y+I) = (x⊗y)+I (kde +, ∗ sú operácie okruhu A). (A, +) je komutatívna grupa, I je jej invariantná
podgrupa a teda aj (A|I, ⊕) je komutatívna grupa a f homomorfizmus. Navyše ∀x,y,z∈A : (x+I)⊗((y+I)⊗(z+I)) =
(x+I)
⊗(y⊗z+I) = (x⊗y⊗z+I) = (x⊗y+I)⊗ (z+I) = ((x+I)⊗(y+I))⊗(z+I) a (x+I)⊗((y+I)⊕(z+I)) =
(x+I)
⊗((y⊕z)+I) = (x⊗(y⊕z)+I) = ((x⊗y)⊕(x⊗z)+I) = ((x⊗y)+I) ⊕ ((x⊗z)+I
WDNĺHA|I, ⊕, ⊗) je okruh.
Veta 2.7.5.2.
nech f : A
→B je surjektívny homomorfizmus. Potom existuje jediný izomorfizmus g : A|Ker(f)→B
WDNęĺHf
= g°p, kde p
MHSURMHNFLD]DUXţHQiYHWRX
Dôkaz.
Dôkaz podobný ako pre vetu 2.5.9.2.
2.8. Polia.
2.8.1. Podpole.
Veta 2.8.1.1.
Nech F je pole. Potom
∅≠F´⊆F je podpole F
SUiYHYWHG\NH
1.
1
∈F´
2.
∀x,y∈F´: (x-y)∈F´
3.
∀x,y∈F´: x∗y-1∈F´.
Dôkaz.
'RSUHGQi LPSOLNiFLD MH WULYLiOQD = YODVWQRVWL Y\SOęYD ĺH F´, +) je podgrupa (F, +). Podobne z
YODVWQRVWtDY\SOęYDĺHF´, ∗) je pologrupa. Spolu teda (F´, +, ∗MHRNUXKD]YODVWQRVWLY\SOęYDĺHMH
to aj pole.
Definícia.
Ideál I okruhu A sa nazýva maximálny, ak I
⊂A a ∀ideál J : J⊃I ⇒ J=A.
Veta 2.8.1.2.
Nech A je komutatívny okruh s jednotkou, I je ideál A. Potom A|I
MHSROHSUiYHYWHG\NH I je maximálny.
Ondrej Vršanský
- 29 -
Dôkaz.
Nech A|I
MHSROH3RWRPPiDVSR SUYN\I je nula v A|I a 1+I jednotka. 1 = 1 - 0 ∉I ⇒ I≠A. Nech teraz
∃ideál J⊃I, J≠A. Potom ∃x∈J : x∉I
3RORĺPHK = {i + r.x; i∈I, r∈A} DKNRPRĺQRRGYRGL ĺHK je ideál v A.
$OHNDĺGęSUYRNWDYUXSUYNRYKPXVtE\ YPLQLPiOQRPLGHiOLJHQHURYDQRPI∪{x}WDNĺHK = (I∪{x}) a
J
⊇K. Ale 1 = 1 + 0. x ∈K
WDNĺHK = A a teda aj J = AţR]QDPHQiĺHI bol maximálny.
Obrátene nech I je maximálny. Potom A|I
PiDVSR SUYN\∀x∉I : (I∪{x}) = A ⇒ 1∈(I∪{x}.H ĺH
VPHXNi]DOLĺHI∪{x}) = {i + r.x; i∈I, r∈A}, ∃i∈I ∃r∈A : 1 = i + r. x. Potom ale trieda 1+I = (i + r. x)+I = (i+I)
+ (r. x)+I
= (∀i∈I : (i+I) = I) = (r+I) ∗ (x+I) ⇒ ∗ má inv
HU]QęSUYRN2VWDWQpYODVWQRVWLSR DV~]DUXţHQp]R
]DGDQLDţLĺHA|I je pole.
2.8.2. Podielové pole.
Veta 2.8.2.1.
Nech A je komutatívny obor integrity. Potom existuje pole Q(A) a injektívny homomorfizmus j : A
→Q(A)
WDNĺH
1.
∀x∈Q(A) ∃a,b∈A : b≠0 ∧ x = j(a) ∗ j(b)-1
2.
∀injektívny homomorfizmus f : A→F, kde F je pole, existuje jediný homomorfizmus g : Q(A)→F tak,
ĺHf = g°j.
Dôkaz.
3RORĺPHB = A×A*, kde A* = A -{0}. Na B definujme reláciu ∼ predpisom (a, b) ∼ (c, d) ⇔ a∗d = b∗c,
kde
∗ je násobenie v okruhu A. ∼ je zjavne symetrická a reflexívna. Navyše (a, b) ∼ (c, d) ∧ (c, d) ∼ (x, y) ⇔
a
∗d = b∗c ∧ c∗y = d∗x ⇔ a∗d∗y = b∗c∗y ∧ b∗c∗y = b∗d∗x ⇔ a∗d∗y = b∗d∗x ⇔ a∗y = b∗x ⇔ (a, b) ∼ (x, y),
WDNĺH∼ je aj tranzitívna a teda je to relácia ekvivalencie. Definujme Q(A) = B|∼. Triedu ekvivalencie, do ktorej
patrí (a, b
R]QDţtP D
E
DOHM GHILQXMPH RSHUiFLH ⊕ a ⊗ predpismi D
E
⊕ F
G
= D G E F
E G
∗ + ∗
∗
a D
E
⊗ F
G
= D F
E G
∗
∗
.
8NiĺHPHĺHQ(A), ⊕, ⊗) je pole.
I.
1H]iYLVORV R]QDţHQLDWULHGHNYLYDOHQFLHRGYęEHUXUHSUH]HQWDQWRY D
E
∼ ′
′
D
E
a F
G
∼ ′
′
F
G
⇔ a∗b´ = a´∗b ∧
c
∗d´ = c´∗d ⇔ a∗b´∗d∗d´ = a´∗b∗d∗d´ ∧ c∗d´∗b∗b´ = c´∗d∗b∗b´ ⇔ a∗b´∗d∗d´ + c∗d´∗b∗b´ =
a´
∗b∗d∗d´ + c´∗d∗b∗b´ ⇔ a∗d∗b´∗d´ + b∗c∗b´∗d´ = a´∗d´∗b∗d + b´∗c´∗b∗d ⇔ (a∗d + b∗c)∗b´∗d´ =
(a´
∗d´ + b´∗c´)∗b∗d ⇔ D G E F
E G
∗ + ∗
∗
= ′∗ ′ + ′∗ ′
′∗ ′
D G E F
E G
⇔ D
E
⊕ F
G
= ′
′
D
E
⊕ ′
′
F
G
. Podobne D
E
∼ ′
′
D
E
a F
G
∼ ′
′
F
G
⇔
a
∗b´ = a´∗b ∧ c∗d´ = c´∗d ⇔ a∗b´∗c∗d´ = a´∗b∗c´∗d ⇔ a∗c∗b´∗d´ = a´∗c´∗b∗d ⇔ D F
E G
∗
∗
= ′∗ ′
′∗ ′
D F
E G
⇔
D
E
⊗ F
G
= ′
′
D
E
⊗ ′
′
F
G
.
II.
.RPXWDWtYQRV ⊕. D
E
⊕ F
G
= D G E F
E G
∗ + ∗
∗
= F E G D
G E
∗ + ∗
∗
= F
G
⊕ D
E
.
III.
Neutrálny prvok
⊕ (nula). Nulou v Q(A) je trieda
[
, x
≠0. D
E
⊕
[
= ∗ + ∗
∗
E [ D
[ E
= D
E
.
IV.
Inverzný prvok
⊕
3RORĺPH −
D
E
= − D
E
. Potom D
E
⊕ − D
E
= D E E D
E E
∗ − ∗
∗
=
E E
∗
.
V.
.RPXWDWtYQRV ⊗. D
E
⊗ F
G
= D F
E G
∗
∗
= F D
G E
∗
∗
= F
G
⊗ D
E
.
VI.
Neutrálny prvok
⊗ (jednotka). Jednotkou v Q(A) je trieda [
[
, x
≠0. D
E
⊗ [
[
= D [
E [
∗
∗
= D
E
.
VII.
Inverzný prvok
⊗
3RORĺPH D
E
−
{
= E
D
. Potom D
E
⊗ D
E
−
|
= D
E
⊗ E
D
= D E
E D
∗
∗
= (a∗b = x) = [
[
.
Materiál na štátnicu
Algebra
- 30 -
VIII.
'LVWULEXWtYQRV ⊗Y]K DGRPQD⊕.
[
\
⊗ D
E
F
G
+
= [
\
⊗ D G E F
E G
∗ + ∗
∗
=
(
)
[ D G E F
[ E G
∗ ∗ + ∗
∗ ∗
=
[ D G [ E F
[ E G
∗ ∗ + ∗ ∗
∗ ∗
= [ D G
[ E G
∗ ∗
∗ ∗
⊕ [ E F
[ E G
∗ ∗
∗ ∗
= D
E
⊕ F
G
.
Tým sme doká
]DOLĺHQ(AMHSROH7HUD]]YR PHSHYQp ≠x∈A a definujme j : A→Q(A) predpisom j(a)
= D [
[
∗
. j(a+b)
=
D E [
[
+ ∗ = D [ E [
[
∗ + ∗ = D [
[
∗ ⊕ E [
[
∗ = j(a)⊕j(b) a rovnako j(a∗b) =
D E [
[
∗ ∗ = D [ E [
[ [
∗ ∗ ∗
∗
= D [
[
∗
⊗ E [
[
∗ = j(a)⊗j(bWDNĺHj je homomorfizmus. Navyše j(a)=j(b) ⇒ D [
[
∗ = E [
[
∗ ⇒
a
∗x∗x = b∗x∗x ⇒ a = b
WDNĺHj je injekcia.
Majme teraz pole F a injektívny homomorfizmus f : A
→F. Pre f definujme zobrazenie g : Q(A)→F
predpisom g D
E
= f(a).f(b)-1, kde . je násobenie v poli F. D
E
∼ ′
′
D
E
⇒ a∗b´ = a´∗b ⇒ f(a∗b´) = f(a´∗b) ⇒ f(a).f(b´)
= f(a´).f(b) ⇒ f(a). f(b) -1 = f(a´). f(b´)-1 ⇒ g D
E
= g ′
′
D
E
WDNĺH g je nezávislé od výberu reprezentantov.
Navyše g D
E
F
G
⊕
= g D G E F
E G
∗ + ∗
∗
= f(a∗d + b∗c).f(b∗d)-1 = f(a∗d).f(b∗d)-1 + (b∗c).f(b∗d)-1 = f(a).f(d).f(b)-1.
f(d)-1 + f(b).f(c).f(b)-1.f(d)-1
= f(a).f(b)-1 + f(c).f(d)-1 = g D
E
+ g F
G
a g D
E
F
G
⊗
= g D F
E G
∗
∗
= f(a∗c).f(b∗d)-1 =
f(a).f(c).f(b)-1.f(d)-1
= f(a).f(b)-1.f(c).f(d)-1 = g D
E
. g F
G
WDNĺH
g je homomorfizmus. Pritom g°j(a)
= g(j(a)) =
g D [
[
∗
= f(a∗x).f(x)-1 = f(a).f(x).f(x)-1 = f(a
WDNĺHg°j = f.
-HGQR]QDţQRV g. Nech g1°j = f ∧ g2°j = f. Potom g1 D [
[
∗
= f(a) ∧ g2 D [
[
∗
= f(a) ⇒ g1 D [
[
∗
=
g2 D [
[
∗
a teda g1 = g2.
Veta 2.8.2.2.
Nech A1, A2 sú izomorfné komutatívne obory integrity. Potom aj Q(A1) a Q(A2) sú izomorfné.
Dôkaz.
Majme izomorfizmus f : A1→A2 a injektívne homomorfizmy j1 : A1→Q(A1) a j1 : A2→Q(A2
3RWRPSRG D
vety 2.8.1.1 existuje jediný homomorfizmus g1 : Q(A1)→ Q(A2
WDNęĺHg1°j1 = j2°f, ktorý je navyše injektívny,
lebo aj j1, j2 aj f sú injektívne. Podobne existuje a je injektívny aj homomorfizmus g2°j2 : Q(A2)→ Q(A1) = j1°f-1.
Potom ale g1°g2 aj g2°g1 sú bijektívne automorfi
]P\]ţRKRY\SOęYDĺHQ(A1) a Q(A2) sú izomorfné.
2.9. Okruhy polynómov.
2.9.1. Konštrukcia polynómov.
Definícia.
Nech A
⊂B, x∈B
0QRĺLQX A[x] = {
D [
} }
}~
=
∑
;
∀i∈0..n : ai∈A} nazývame okruh
polynómov v premennej x s koeficientami v A.
Definícia.
Nech A
⊂B, x∈B
$NNDĺGę SRO\QyP Y x s koeficientami va A MH QXORYę OHQ YWHG\NH
všetky jeho koeficienty sú nulové, tak x nazývame transcendentný prvok nad A. Inak je x
algebraický.
Ondrej Vršanský
- 31 -
Veta 2.9.1.1 (Dosadzovacie pravidlo).
Nech A
⊂B a A´⊂B´ sú okruhy a nech x∈B je transcendentný nad A. Ak ∀a∈A : ax = xa a ∃y∈B´ ∀v∈B´:
by
= yb
SRWRPNXNDĺGpPXKRPRPRUIL]PXf : A→A´ existuje jediný homomorfizmus ϕ : A[x]→BWDNęĺH
∀a∈A : ϕ(a) = f(a) a ϕ(x) = y.
Dôkaz.
A[x]
= {
D [
=
∑
;
∀i∈0..n : ai∈A}. Definujme ϕ predpisom
(
)
ϕ
D [
=
∑
=
( )
I D \
=
∑
DKNR
PRĺQRQDKOLDGQX ĺHϕMHSUiYHK DGDQęKRPRPRUIL]PXV
Definícia.
Polynóm
D [
=
∑
je
LQYHUWRYDWH Qę, ak ∃a : aa0 = a0a = 1.
2]QDţHQLH
6WXSH SRO\QyPXfR]QDţtPH∆f.
Veta 2.9.1.2 (O delení so zvyškom).
Nech A je komutatívny okruh s jednotkou, x je transcendentný nad A a nech f(x)
=
D [
=
∑
a g(x)
=
E [
=
∑
∈A[x]
SULţRP g MH LQYHUWRYDWH Qę 3RWRP H[LVWXMH MHGLQi XVSRULDGDQi GYRMLFD SRO\QyPRY q(x),
r(x)
∈A[x]
WDNiĺHf(x) = g(x)q(x) + r(x), kde 0 ≤ n < m (∆r(x) = n a ∆g(x) = m).
Dôkaz.
Ak m > n, tak f
= 0.g + f. Nech teraz n≥m
3RORĺPHf1(x) = f(x) - D
E
[
− .g(x
-H]UHMPpĺHf1(x) je
PHQăLHKR VWXS D QHĺ f(x D SUHWR SRG D LQGXNţQpKR SUHSRNODGX ∃q´,r´ : f1 = q´.g + r´. Ale potom f(x) =
′
+
−
T [ D
E
[
g(x) + r(x), kde r(x)
= r´(x
]Y\ăQpţOHQ\]f1(xMHGQR]QDţQRV MH]MDYQiOHERDNf(x) =
q(x).g(x) + r(x)
= q´(x).g(x) + r´(x), tak r(x) - r´(x) =
(
)
T [ T [
− ′
.g(x
$OH DYiVWUDQDMHVWXS DPHQăLHKRDNR
m
DSUDYiVWXS DDVSR mWDNĺHREHV~QXORYpDWHGD q(x) = q´(x) a r(x) = r´(x).
Definícia.
+RYRUtPH ĺH SRO\QyP f delí polynóm g a zapisujeme f/g, ak existuje polynóm h taký,
ĺHg = f.h .
Lema 2.9.1.1.
Nech f/g a g/h. Potom f/h.
Dôkaz.
Triviálne.
Lema 2.9.1.2.
Nech f/g a f/h. Potom f/(g+h).
Dôkaz.
Triviálne.
Definícia.
+RYRUtPHĺHSRO\QyPh je QDMYlţătVSRORţQęGHOLWH polynómov f a g a zapisujeme h =
(f,g), ak h/f, h/g a ∀h´: h´/f ∧ h´/g ⇒ h/h´. Ak f/g a g/f
KRYRUtPHĺHf a g sú asociované.
Lema 2.9.1.3.
Nech f
= q.g+r. Potom (f,g) (g,r).
Dôkaz.
Nech h/f
∧ h/g. Potom ale h/r, lebo r = f - q.g. Obrátene nech k/g ∧ k/r. Potom k/f, lebo f = q.g+r
7DNĺH
NDĺGęVSRORţQęGHOLWH f a gMHDMVSRORţQęPGHOLWH om g a rDQDRSDN]ţRKRY\SOęYDGRND]RYDQpWYUGHQLH
Veta 2.9.1.3 (Euklidov algoritmus).
Ak F[x] je pole, tak
∀f,g∈F[x] ∃(f,g).
Materiál na štátnicu
Algebra
- 32 -
Dôkaz.
Tvrdenie induktívne vyplýva z lemy 2.9.1.3.
Veta 2.9.1.4.
Ak F[x]
MHSROHWDNNDĺGęLGHiOF[x] je hlavný.
Dôkaz.
Nech I je ideál v F[x]. Prípady I
= {0} = (0) a I = F[x] = (1) sú triviálne. Preto nech {0}⊂I⊂F[x]
3RORĺPH
∆ = min{∆f(x); f(x)∈I}. Nech f∈I
MHVWXS D∆-H]MDYQpĺHI ⊇ (f(x)). Obrátene nech I∋k(x) = q(x).g(x) + r(x).
Ale
∆r
QHP{ĺHE\ QHQXORYiDPHQăLDDNR∆fWDNĺHr(x) = 0 a k(x) = q(x).g(x) ∈ (f(x)).
2.9.2. Okruhy hlavných ideálov.
Definícia.
.RPXWDWtYQ\ RERULQWHJULW\ YNWRURP MHNDĺGę LGHiO KODYQęQD]ęYDPH okruh hlavných
ideálov
DR]QDţXMHPHVNUDWNRXOHI.
Veta 2.9.2.1.
Nech A je OHI a I0 ⊆ .. ⊆ In ⊆ .
MHSRVWXSQRV LGHiORYA. Potom ∃n∈N ∀m>n : Im = In.
Dôkaz.
6WD ţ tX N i] D ĺHJ =
,
∈
8 je ideál v A. Ale ∀a,b∈J ∃n,m∈N : a∈In ∧ b∈Im. BUNV nech n ≥ m. Potom
a,b
∈In ⇒ a-b∈In ⇒ a-b∈J. Podobne ∀r∈A ∀a∈J ∃n∈N : a∈In ⇒ ar∈In ⇒ ar∈J
WDNĺHJ je ideál v A ⇒ ∃n∈N
: In = J a ∀m≥n : Im⊇In ⇒ Im = J.
Definícia.
Nech A je okruh, a,b
∈A
+RYRUtPHĺHa delí b v A a zapisujeme a/b, ak ∃c∈A : b = c.a.
Lema 2.9.2.1.
Nech A je OHI, a,b,c
∈A. Potom a/b ∧ b/c ⇒ a/c.
Dôkaz.
Triviálne.
Lema 2.9.2.2.
Nech A je OHI, a,b,c
∈A. Potom a/b ∧ a/c ⇒ a/bc.
Dôkaz.
b
= d1a ∧ c = d2a ⇒ bc = d1ad2a = (d1d2a)a.
Definícia.
Nech A je OHI, a,b
∈A. Ak a/b a b/a
KRYRUtPHĺHa a b sú asociované a píšeme a∼b.
Lema 2.9.2.3.
Nech A je OHI, a,b
≠0∈A, a∼b
3RWRPH[LVWXMHGHOLWH MHGQRWN\c WDNęĺHb = ca.
Dôkaz.
a
= d1b = d1d2a ⇒ d1d2 = 1 ⇒ d1 aj d2 sú delitele jednotky.
Definícia.
Nech A je OHI, a
∈A. Ak a
MH GHOLWH Qę LED GHOLWH PL MHGQRWN\ D SUYNDPL V QtP
DVRFLRYDQęPLWDNKRYRUtPHĺHa je ireducibilný.
Veta 2.9.2.2.
Nech A je OHI, a,b
∈A. Potom ∃(a,b).
Dôkaz.
3RORĺPHI = {pa + qb; p,q∈A}. I je zjavne ideál v ADNH ĺHA je OHI, ∃c∈A : I = (a). Ale potom ∃p,q∈A
: c
= pa + qb a teda c = (a,b).
Lema 2.9.2.4.
Nech A je OHI, a,b,c
∈A. Ak (a,b) = 1 a a/bc, tak a/c.
Dôkaz.
Triviálne.
Ondrej Vršanský
- 33 -
Dôsledok 2.9.2.1.
Nech A je OHI, a,b,c
∈A. Ak a je ireducibilný a a/bc, tak a/b ∨ a/c.
Dôkaz.
Triviálne.
9HWD5R]NODGQDSUYRţtVOD
Nech A je OHI a 0
≠a∈A
QLH MH GHOLWH MHGQRWN\ 3RWRP a PRĺQR Dĺ QD SRUDGLH ţOHQRY MHGQR]QDţQH
Y\MDGUL DNRV~ţLQLUHGXFLELOQęFK p1..pn∈A.
Dôkaz.
Triviálnou štrukturálnou indukciou dostaneme rozklad a
QDLUHGXFLELOQpSUYN\-HGQR]QDţQRV UR]NODGX
vyplýva z dôsledku 2.9.2.1.
Dôsledok 2.9.2.2.
Nech A je OHI a 0
≠a∈A
QLH MH GHOLWH MHGQRWN\ 3RWRP a PRĺQR MHGQR]QDţQH Y\MDGUL DNR
{
}
∏
∈
∈
ný
ireducibil
je
;q
A
q
p
p
p
α
, kde
αp≥0.
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.9.2.4.
Nech A je OHI, a
=
S
α
∈
∏ ,b = S
β
∈
∏ ∈A. Potom (a,b) = c =
{
}
S
B
ˇ
˘8٤1Ą
α β
∈
∏
.
Dôkaz.
c
MH]MDYQHVSRORţQęGHOLWH a a b. Navyše ak d =
S
¦
§¨
γ
∈
∏ MHVSRORţQęGHOLWH a a b, tak ∀p∈A ireducibilné
platí
γp ≥ min{αp, βp}
WDNĺGc/d.
Definícia.
Nech A je OHI, a,b
∈A
ýtVOR[a,b] nazývame QDMPHQătPVSRORţQęPQiVRENRP a a b, ak
a/[a,b], b/[a,b] a
∀c∈A : a/c, b/c ⇒ [a,b]/c.
Veta 2.9.2.5.
Nech A je OHI, a
=
S
©
Ş«
α
∈
∏ ,b = S ©
Ş«
β
∈
∏ ∈A. Potom [a,b] = c =
{
}
S
¬¬
®Ż
°8± ˛1ł
α β
∈
∏
.
Dôkaz.
c
MH ]MDYQH VSRORţQę QiVRERN a a b. Navyše ak d =
S
´
µ¶
γ
∈
∏ MH VSRORţQę QiVRERN a a b, tak ∀p∈A
ireducibilné platí
γp ≤ max{αp, βp}
WDNĺGd/c.
2.9.3. Korene polynómov.
Definícia.
Nech F je pole, x je transcendentný nad F a f(x)
=
D [
· ·
·¸
=
∑
ą
∈F[x]. Polynóm Df(x) = f´(x)
=
N D [
ş ş
ş» ×
−
=
∑
Ľ
˝
nazývame derivácia polynómu f(x).
Veta 2.9.3.1.
Nech F je pole, x je transcendentný nad F a f(x), g(x)
∈F[x]. Potom (f(x) + g(x))´= f´(x) + g´(x).
Dôkaz.
Nech f(x)
=
D [
ľ ľ
ľż
=
∑
Ŕ
a g(x)
=
E [
ľ ľ
ľż
=
∑
Ŕ
. (f+g)(x)
=
D E [
Á Á Á
ÁÂ
+
=
∑
Ă
, (f+g)´(x)
=
N D E [
Ä Ä Ä
ÄĹ × +
−
=
∑
Ć
Ç
=
N D [
N E [
Č Č
Č Č
ČÉ ×
+ ×
−
−
=
∑
Ę
Ę
Ë
=
N D [
Ě Ě
ĚÍ ×
−
=
∑
Î
Ď
+
N E [
Đ Đ
ĐŃ ×
−
=
∑
Ň
Ó
= f´(x) + g´(x).
Veta 2.9.3.2.
Nech F je pole, x je transcendentný nad F a f(x), g(x)
∈F[x]. Potom fg´(x)= f´(x) g(x) + f(x)g´(x).
Materiál na štátnicu
Algebra
- 34 -
Dôkaz.
Nech f(x)
=
∑
=
n
i
i
i x
a
0
a g(x)
=
∑
=
n
j
j
j x
b
0
. Potom fg(x)
=
∑ ∑
=
=
+
n
i
n
j
j
i
j
i
x
b
a
0
0
a fg´(x)
=
∑ ∑
=
=
−
+
+
n
i
n
j
j
i
j
i
x
b
a
j
i
0
0
1
)
(
=
(
)
∑
∑
∑
=
=
−
=
−
+
n
i
n
j
j
j
i
i
n
j
j
j
i
i
x
b
x
a
x
b
x
a
i
0
0
1
0
1
.
=
(
)
∑
∑
=
=
−
n
i
n
j
j
j
i
i
x
b
x
a
i
0
0
1
.
+
(
)
∑
∑
=
=
−
n
i
n
j
j
j
i
i
x
b
x
a
0
0
1
=
∑
∑
=
=
−
n
j
j
j
n
i
i
i
x
b
x
a
i
0
0
1.
.
+
∑
∑
=
−
=
n
j
j
j
n
i
i
i
x
b
x
a
0
1
0
.
= f´(x).g(x) + f(x).g´(x).
Definícia.
Nech F je pole, F´ je nadpole F, x
∈F´ je transcendentný nad F a f(x)∈F[x]
S UL ţ R P
∆f≥
+R Y R Ut PH ĺ H c∈F´ je NRUH polynómu f(x), ak (x-c)/f(x) v F[x].
Veta 2.9.3.3.
Nech F je pole, F´ je nadpole F, x
∈F´ je transcendentný nad F a f(x)∈F[x]
S UL ţ R P ∆f≥1. c∈F´ M H N R UH
f(x
S Ui Y H Y W H G \ N H f(c) = 0.
Dôkaz.
f(x)
= (x-c)q(x) + r(x). Ak c
M H N R UH f(x), tak r(x) = 0 a f(c) = (c-c)q(c) = 0. Obrátene tak isto.
Veta 2.9.3.4.
Ak f(x)
∈C[x] je ireducibilný, tak ∆f ≤ 1.
Dôkaz.
V C[x]
Pi N D ĺ G Ś S R O \Q yP V W XS D n práve n N R UH R Y
Lema 2.9.3.1.
f(x)
∈R[x]
Pi S i UQ \ S R ţ H W L PD JL Q i UQ \FK N R UH R Y
Dôkaz.
Nech a + bi
= c∈C
M H N R UH f(x). Potom f(c) = 0. Ale R(a +bi)k = R(a -bi)k (z binomickej vety) a I(a +bi)k
= -I(a -bi)k
W D N ĺ H D M f(F ) = 0 a f(x) = (x-c)(x- F )q(x).
Veta 2.9.3.5.
Ak f(x)
∈R[x] je ireducibilný, tak ∆f ≤ 2.
Dôkaz.
Ak f(x
Pi UH i O Q \ N R UH c, tak f(x) = (x-c)q(x $N Q L H S R W R P Pi D V S R G Y D L PD JL Q i UQ H N R UH Q H c a F a
f(x)
= (x-c)(x-
F )q(x) = ((x-a)2 + b2)q(x).
Veta 2.9.3.6.
Nech f(x)
∈F[x]
M H V W XS D D O H E R 3R W R P f(x M H L UH G XFL E L O Q Ś S Ui Y H Y W H G \ N H Q H Pi UH i O Q \ N R UH
Dôkaz.
Dopredná implikácia je triviálna. Obrátene nech f(x
Q H Pi UH i O Q \ N R UH 3R W R P Pi D V S R G Y D L PD JL Q i UQ H
N R UH Q H 1D Y \ăH D N E \ E R O V W XS D PXV H O E \ S R G D O H P\ E \ M H KR W UH W t N R PS O H [Q Ś N R UH UH i O Q \ ţ R M H
V S R U W D N ĺ H f M H V W XS D G Y D D M H W Y R UH Q Ś S Ui Y H V ~ţ L Q R P M H KR G Y R FK L PD JL Q i UQ \FK N R UH R Y ţ L ĺ H M H L UH G XFL E L O Q Ś
Definícia.
+R Y R Ut PH ĺ H c je viacnásobný (k-Q i V R E Q Ś N R UH f(x), ak (x-c)k/f(x) v F[x].
Definícia.
Pole F sa nazýva úplné (uzavreté), ak
∀f(x)∈F[x] : ∆f(x) ≥ 1 ⇒ f(x) má v F[x]
N R UH
Veta 2.9.3.7.
Nech F´ je úplné nadpole F. Polynóm f(x)
∈F[x] má v F
D V S R G Y R M Q i V R E Q Ś N R UH S Ui Y H Y W H G \ N H
∆(f(x), Df(x)) ≥ 1.
Dôkaz.
Nech f(x) má v F´ dvojnásobný k
R UH c. Potom f(x) = (x-c)2g(x). Df(x) = (x-c)2Dg(x) + 2(x-c)g(x) ⇒ (x-c)/
(f(x), Df(x)) ⇒ ∆(f(x), Df(x)) ≥ 1. Obrátene nech ∆(f(x), Df(x)) ≥ 1. Potom ∃d(x
V W XS D D V S R N W R UŚ G H O t (f(x),
Df(x)
)
.H ĺ H F´je úplné, d(x Pi N R UH c. Aj (x-c)/ (f(x), Df(x)). Nech f(x) = (x-c)f1(x 3R G D Y H W \ Df(x)
= f1(x) + (x-c)Df1(x) ⇒ (x-c)/f1(x). Nech f1(x) = (x-c)f2(x). Potom ale f(x) = (x-c)2f2(x) a teda f(x) má v F´
G Y R M Q i V R E Q Ś N R UH
Ondrej Vršanský
- 35 -
2.9.4. Algebraické rozšírenia polí.
Definícia.
Nadpole F
S R D F nazývame rozšírenie S R D F 5R ] ăt UH Q L H S R D F je algebraické, ak
všetky jeho prvky sú algebraické nad F.
Veta 2.9.4.1.
Nech F je pole, x je transcendentný nad F a f(x)
∈F[x] je ireducibilný. Potom existuje nadpole F´
S R D F,
v ktorom má f(x
N R UH
Dôkaz.
3R O R ĺ PH I = (f(x)). ∀g(x)∈F[x]-(f(x)) : (f(x), g(x)) = 1 ⇒ ∃u(x), v(x)∈F[x] : u(x).f(x) + v(x).g(x) = 1. Ale
u(x).f(x) aj v(x).g(x)
∈ I
W D N ĺ H ∈I ⇒ I je maximálny ⇒ F´ = F[x]|I je pole. Definujme ϕ : F→F´ predpisom
∀a∈F : ϕ(a) = a + I
D KN R PR ĺ Q R Q D KO L D G Q X ĺ H ϕ M H L Q M H N W t Y Q \ KR PR PR UIL ] PXV W D N ĺ H F je podpole F´ (F je
izomorfné s
ϕ(F) = {a+ I; a∈F} a ϕ(F) je podpole F´). Navyše f(x + I) =
(
)(
)
∑
=
+
+
n
k
k
k
I
x
I
a
0
=
(
)
(
)
∑
=
+
+
n
k
k
k
I
x
I
a
0
=
(
)
∑
=
+
n
k
k
k
I
x
a
0
=
(
) I
x
a
n
k
k
k
+
∑
=0
= f(x) + I = I (lebo f(x)∈I) =
W D N ĺ H x + I M H N R UH f v
F´.
Definícia.
.R Q H ţ Q R UR ] PH UQ Ś Y H N W R UR Y Ś S UL H V W R U Q D G S R R P F nazývame NRQHţQp UR]ătUHQLH S R D
F. Jeho dimenziu nazývame
VWXSH UR]ătUHQLD D R ] Q D ţ XM H PH [F´:F].
Veta 2.9.4.2.
.D ĺ G p N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H S R D F je aj jeho algebraickým rozšírením.
Dôkaz.
Nech F´
M H N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H F, [F´:F] = k a c∈F´. Vektory 1, c, .. , ck V ~ O L Q H i UQ H ] i Y L V O p W D N ĺ H
∃α0..αk∈F :
∑
=
n
k
k
k c
1α
= 0. Ale potom polynóm f, definovaný predpisom f(x) =
∑
=
n
k
k
k c
1α
má v F´
N R UH
2.9.
.RQHţQpSROLD
Definícia.
Charakteristika
S R D F M H ţ t V O R char(F) = min{k∈N; k.1 = 0}.
Veta 2.9.5.1.
Nech F
M H N R Q H ţ Q p S R O H FKD UD N W H UL V W L N \ p. Potom ∃n∈N : |F| = pn.
Dôkaz.
0Q R ĺ L Q D ^ek}k=0..p-1 je podpole F izomorfné so Zp. F M H W H G D N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H Zp. Nech [F : Zp] = n a
nech
α1..αn je báza v F. Potom ale zobrazenie f : F→ Zpn, definované predpisom ∀x∈F : x =
∑
=
n
k
k
k c
1α
⇒ f(x) =
(
α1, .. , αn) je bijekcia a |F| = |Zp|n = pn.
Veta 2.9.5.2.
Ak (F,
⊕, ⊗
M H N R Q H ţ Q p S R O H W D N F*, ⊗) je cyklická grupa.
Dôkaz.
3R G D Y H W \ PR KXW Q R V N D ĺ G H M S R G JUXS \ F* G H O t M H M PR KXW Q R V W D N ĺ H Ui G N D ĺ G pKR S UY N X F* (rovný
rádu podgrupy F* generovanej jej prvkom) delí q –
.D ĺ G Ś S UY R N F* M H W H G D N R UH R P UR Y Q L FH xq-1 = 1. Ak sa
Q i P S R G D Ut Q i M V S UY R N c, ktorého rád je práve q – 1, budú mocniny c JH Q H UR Y D FH O ~ F* a F* bude cyklická.
Napíšme q –
D N R V ~ţ L Q S UY R ţ t V H O q – 1 =
∏
=
r
k
e
k
k
p
1
.H ĺ H ∀k∈1..r :
1
−
q
p ke
k
, všetky korene rovnice
k
e
k
p
x
= 1
D M N R UH PL UR Y Q L FH xq-1 = 1 a patria do F =i UR Y H Y ăD N ((xq - 1), (xq - 1)´) = 1 (lebo (xq - 1)´ = q.xq-1 – 1 = -1),
W D N ĺ H Y ăH W N \ N R UH Q H S R O \Q yPX xq-1 = 1 (a teda aj k
e
k
p
x
= 1) je rôznych. Spomedzi nich práve
1
−
k
e
k
p
M H N R UH R P
rovnice
1
−
k
e
k
p
x
=
D W H G D H [L V W XM H N R UH ck rovnice k
e
k
p
x
=
N W R UŚ Q L H M H N R UH R P UR Y Q L FH
1
−
k
e
k
p
x
=
D KN R PR ĺ Q R
Q D KO L D G Q X ĺ H V ~ţ L Q c =
∏
=
r
k
k
c
1
M H K D G D Q Ś P S UY N R P Ui G X q – 1.
Veta 2.9.5.3.
.D ĺ G p G Y H N R Q H ţ Q p S R O L D V UR Y Q D N Ś P S R ţ W R P S UY N R Y V ~ L ] R PR UIQ p
Materiál na štátnicu
Algebra
- 36 -
Dôkaz.
Nech |F|
= q = pn. Nenulové prvky F tvoria multiplikatívnu grupu F* rádu q – 1. V dôkaze vety 2.9.5.2
V PH V L XN i ] D O L ĺ H N D ĺ G Ś S UY R N F* M H N R UH R P UR Y Q L FH xq-1 = D W H G D N D ĺ G Ś S UY R N a1 .. aq S R D F (teda aj nula)
M H N R UH R P UR Y Q L FH xq – x = = W R KR Y \S O Ś Y D ĺ H S R O \Q yP x – a1)..(x – aq M H G H O L W H R P S R O \Q yPX xq – x, lebo
∀(x – ai) sú ireducibilné a delia xq – x
$O H R E D W L H W R S R O \Q yP\ V ~ Q R UPR Y D Q p V W XS D q a teda xq – x =
(
)
∏
=
−
q
k
k
a
x
1
.D ĺ G p L Q p S R O H PR KXW Q R V W L q W L H ĺ Y \KR Y XM H W H M W R UR Y Q R V W L D W H G D M H L ] R PR UIQ p ] F.
Veta 2.9.5.4.
Nech F´
M H N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H F a F´´N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H F´. Potom F´´M H N R Q H ţ Q p UR ] ăt UH Q L H F a [F´´ :
F]
= [F´ : F][F´´ : F´].
Dôkaz.
Konštrukciou bázy F´´ nad F pomocou báz F´´ nad F´ a F´ nad F
Y \M G H S UH V Q H W R ţ R S R W UH E XM H PH
Veta 2.9.5.5 (Nedelbrunn).
.D ĺ G p N R Q H ţ Q p W H O H V R M H S R O H
Dôkaz.
Nedokazujeme.
2.10. Bilineárne a kvadratické formy.
2.10.1. Bilineárne formy.
Definícia.
Nech U,V,W
V ~ N R Q H ţ Q R UR ] PH UQ p Y H N W R UR Y p S UL H V W R U\ Q D G S R R P F. Zobrazenie f :
U×V
→W nazývame bilineárnym, ak
1.
∀x1..xn∈U ∀y∈V ∀α1..αn∈F :
(
)y
x
f
n
k
k
k
,
1
∑
= α
=
(
)
∑
=
n
k
k
k
y
x
f
1
,
α
2.
∀x∈U ∀y1..yn ∈V ∀α1..αn∈F :
(
)
∑
=
n
k
k
k y
x
f
1
,
α
=
(
)
∑
=
n
k
k
k y
x
f
1
,
α
.
Ak W
= F
KR Y R Ut PH ĺ H f je bilineárna forma.
Definícia.
Nech U a V
V ~ N R Q H ţ Q R UR ] PH UQ p Y H N W R UR Y p S UL H V W R U\ Q D G S R R P F a nech f je bilineárna
forma U×V
→F. Nech α1..αn∈F je báza v U a β1..βm∈F báza vo V. Maticu An×m, definovanú
predpisom A(i,j)
= f(αi,βj), nazývame matica bilineárnej formy
Y ] K D G R P Q D G Y R M L FX E i ]
α1..αn a β1..βm.
2.10.2. Charakteristické vektory a hodnoty matíc (bi)lineárnych zobrazení.
Definícia.
Nech V,W
V ~ N R Q H ţ Q R UR ] PH UQ p Y H N W R UR Y p S UL H V W R U\ Q D G S R R P F a f : V→W je lineárne
] R E UD ] H Q L H ý t V O R c∈F nazývame charakteristickou (vlastnou) hodnotou zobrazenia f, ak
∃α≠0∈F : f(α) = c.α. Vektor α nazývame charakteristický (vlastný) vektor zobrazenia f.
Veta 2.10.2.1.
Nech V,W
V ~ N R Q H ţ Q R UR ] PH UQ p Y H N W R UR Y p S UL H V W R U\ Q D G S R R P F a f : V→W je lineárne zobrazenie.
0Q R ĺ L Q D Y O astných vektorov zobrazenia f, prislúchajúcich jeho charakteristickej hodnote c, je podpriestor V.
Dôkaz.
Nech M
M H PQ R ĺ L Q D Y O D V W Q Ś FK Y H N W R UR Y f, prislúchajúcich jeho charakteristickej hodnote c. ∀x,y∈M
∀α,β∈F : f(αx + βy) = αf(x) + βf(y) = αcx + βcy = c(αx + βy)∈M.
Definícia.
Nech A
M H ăW Y R UFR Y i PD W L FD Q D G S R R P F. c∈F je charakteristický prvok matice A, ak
∃x1..xn∈F : (A – cIn)
n
x
x
0
1
= 0.
Ondrej Vršanský
- 37 -
Lema 2.10.2.1.
Nech A
M H ăW Y R UFR Y i PD W L FD Q D G S R R P F. c∈F je charakteristický prvok matice A, ak
−
−
−
−
c
a
c
a
c
a
a
c
a
n
n
n
k
k
n
,
1
,
,
,
1
1
,
1
/
0
0
/
= 0.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva priamo z definície charakteristického prvku matice.
Dôsledok 2.10.2.1.
Štvorcová matica rádu n má najviac n charakteristických prvkov.
Dôkaz.
&KD UD N W H UL V W L FN Ś FK S UY N R Y Q H P{ĺ H E \ Y L D F Q H ĺ KR G Q R V PD W L FH
2
3RGREQRV PDWtF
Definícia.
+R Y R Ut PH ĺ H ăW Y R UFR Y p PD W L FH A,B rádu n sú podobné, ak existuje regulárna štvorcová
matica P rádu n
W D N i ĺ H B = P×A×P-1.
Veta 2.10.3.1.
Nech A,B sú regulárne štvorcové matice rádu n. Nech X
M H PQ R ĺ L Q D Y O D V W Q Ś FK KR G Q {W Patice A a Y
PQ R ĺ L Q D Y O D V W Q Ś FK KR G Q {W PD W L FH B. Ak A a B sú podobné, potom X = Y.
Dôkaz.
Nech c je vlastná hodnota matice A. Potom |A – cIn| = 0. Nech B je podobná s A. Potom ∃P
UH JXO i UQ D ĺ H
B
= P×A×P-1. Ale |B – cIn| = |P×A×P-1 – cIn| = |P×A×P-1 – cP×In×P-1| = (operácia násobenia matíc konštantou je
komutatívna)
= |P×A×P-1 –P×cIn×P-1| = |P×(A – cIn)×P-1| = (A aj P sú regulárne) = |P||A – cIn||P-1| = 0, lebo |A –
cIn| =
W D N ĺ H c M H Y O D V W Q p ţ t V O R B.
2.10.4. Kvadratické formy.
Definícia.
Nech V je vektorový
S UL H V W R U Q D G S R R P F +R Y R Ut PH ĺ H ] R E UD ] H Q L H f : V→F je
kvadratická forma, ak existuje bilineárna forma g : V×V
→F
W D N i ĺ H ∀x∈V : f(x) = g(x,x). Ak
∀x,y∈V : g(x,y) = g(y,x
KR Y R Ut PH ĺ H E L O L Q H i UQ D IR UPD g je symetrická.
Veta 2.10.4.1.
Nech F je pole, char(F)
≠2, V je vektorový priestor nad F a f je kvadratická forma na V. Potom na V
existuje jediná symetrická bilineárna forma g
W D N i ĺ H ∀x∈V : f(x) = g(x,x).
Dôkaz.
Nech h je bilineárna forma, ktorej existencia vyplýva definície kvadratickej formy. Definujme g
predpisom g(x,y)
= ˝(h(x,y) + h(y,x)). Zrejme g(x,y) = g(y,x
D N H ĺ H g(x,x) = h(x,x) = f(x), g M H K D G D Q i
bilineárna forma. Navyše g(x,y)
= ˝(g(x+y, x+y) – g(x,x) – g(y,y)) = ˝(f(x+y) – f(x) – f(y
ţ t P M H XUţ H Q i
M H G Q R ] Q D ţ Q R V g.
Definícia.
Nech V je vektorový priestor dimenzie n
Q D G S R R P F. Nech g je kvadratická forma na
V, definovaná bilineárnou formou f a nech
α1..αn je báza vo V. Maticu An×n, definovanú
predpisom A(i,j)
= f(αi,αj), nazývame matica kvadratickej formy g
Y ] K D G R P Q D E i ] X α1..αn.
A je symetrická, ak je f symetrická.
2.10.5. Kongruencia matíc.
Definícia.
Štvorcové matice A,B rádu n sú kongruentné, ak
∃ regulárna štvorcová matica P rádu n
W D N i ĺ H B = P×A×PT. Kongruenciu matíc A a B R ] Q D ţ XM H PH A≅B.
Materiál na štátnicu
Algebra
- 38 -
Veta 2.10.5.1.
Štvorcové matice A,B rádu n
V ~ N R Q JUXH Q W Q p S Ui Y H Y W H G \ N H V ~ PD W L FD PL W H M L V W H M E L O L Q H i UQ H M IR UP\
Y ] K D G R P Q D U{] Q H E i ] \
Dôkaz.
P reprezentuje maticu prechodu medzi bázami.
Veta 2.10.5.2.
Nech A,B sú štvorcové matice rádu n. Ak A je symetrická a A
≅B, tak aj B je symetrická.
Dôkaz.
Zrejmé.
Veta 2.10.5.3.
Relácia kongruencie je reláciou ekvivalencie.
Dôkaz.
Triviálne.
Veta 2.10.5.4.
.D ĺ G i V \PH W UL FN i PD W L FD M H N R Q JUXH Q W Q i V PD W L FR X W Y D UX
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
/
0
0
2
/
k
d
d
, kde
∀i∈1..k : di≠0.
Dôkaz.
.H ĺ H Q D PD W L FL PXV t PH Y \N R Q i Y D S D UD O H O Q H UR Y Q D N p UL D G N R Y p D M V W S FR Y p R S H Ui FL H Q H P{ĺ H PH
G R V L D KQ X Q D G L D JR Q i O H Y ĺ G \ M H G Q R W N X
Dôsledok 2.10.5.1.
1.
3UH N D ĺ G ~ E L O L Q H i UQ X IR UPX f existuje báza, pri ktorej má f(x,y) tvar
∑
=
k
i
i
i
i
y
x
d
1
.
2.
3UH N D ĺ G ~ N Y D G UD W L FN ~ IR UPX g existuje báza, pri ktorej má g(x) tvar
∑
=
k
i
i i
x
d
1
2 .
Dôkaz.
Tvrdenia vyplývajú priamo z predchádzajúcej vety.
2.10.6. Reálne kvadratické formy.
Veta 2.10.6.1 (Sylvester).
Nech f je reálne kvadratická forma nad Rn a nech x
= x1..xn∈Rn. Potom existuje báza, pri ktorej má f(x)
tvar
∑
= ±
m
k
k
x
1
, kde m
≤ n.
Dôkaz.
3R G D Y H W \ M H N D ĺ G i N Y D G UD W L FN i IR UPD N R Q JUXH Q W Q i V PD W L FR X W Y D UX
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
/
0
0
2
/
k
d
d
. Pre
reálne di
D Y \ăH H [L V W XM H R G PR FQ L Q D W D N ĺ H S R Y \G H O H Q t N D ĺ G pKR UL D G N X D V W S FD R G PR FQ L Q R X ] _di| dostávame na
diagonále
±1.
Definícia.
Nech f je reálne kvadratická forma nad Rn, nech x
= x1..xn∈Rn a nech A je matica f
Y ] K D G R P Q D E i ] X N W R UH M H [L V W H Q FL X ] D UXţ XM H Y H W D $N A Pi N D ĺ G Ś Q H Q XO R Y Ś UL D G R N
V W S H F Q D G S UH G N D ĺ G Ś P Q XO R Y Ś P D N D ĺ G Ś UL D G R N V W S H F V Y H G ~FL P S UY N R P Q D G S UH G
N D ĺ G Ś P UL D G N R P V W S FR P V Y H G ~FL P S UY N R P – KR Y R Ut PH ĺ H A je v kanonickom tvare.
Ondrej Vršanský
- 39 -
9HWD6\OYHVWURY]iNRQ]RWUYDţQRVWL
Nech f je reálne kvadratická forma nad Rn, nech x
= x1..xn∈Rn a nech A je matica f
Y ] K D G R P Q D E i ] X
N W R UH M H [L V W H Q FL X ] D UXţ XM H Y H W D .6.1. Nech A je v kanonickom tvare s r nenulovými riadkami, z ktorých má k
vedúci prvok 1. Potom k a r
V ~ M H G Q R ] Q D ţ Q H XUţ H Q p IR UPR X f (a teda nezávislé od bázy).
Dôkaz.
3R ţ H W Q H Q XO R Y Ś FK UL D G N R Y M H M H G Q R ] Q D ţ Q H XUţ H Q Ś KR G Q R V R X N Y D G UD W L FN H M IR UP\ Q H FK W H UD ] existujú dve
matice A a B formy f
R E H Y N D Q R Q L FN R P W Y D UH S UL ţ R P A má k riadkov s vedúcim prvkom 1 a B l a k < l.
8Y D ĺ XM PH G Y H PQ R ĺ L Q \ Y H N W R UR Y S1 nech sú vektory s nulovými súradnicami k+1..n a S2 vektory s nulovými
súradnicami 1..l. S1 aj S2 sú podpriestory Rn
D N H ĺ H k < l, dim(S1) + dim(S2) > n ⇒ S1∩S2≠∅. Tento prienik sú
práve vektory s nenulovými súradnicami k..l
$O H S R G D PD W L FH A je hodnota kvadratickej formy v týchto
Y H N W R UR FK N O D G Q i D S R G D B ] i S R UQ i ţ R M H V S R U
Definícia.
Nech f je reálne kvadratická forma nad Rn a nech A je jej matica v kanonickom tvare.
+R Y R Ut PH ĺ H A je kladne(záporne) (semi)definitná D N V ~ Q D M H M G L D JR Q i O H L E D S UY N \ Y lţ ăL H
PH Q ăL H Y lţ ăL H UR Y Q p PH Q ăL H UR Y Q p Q XO H
Veta 2.10.6.3.
Nech V je euklidovský priestor dimenzie n a f je kvadratická forma na V. Potom na V existuje
R UW R Q R UPi O Q D E i ] D W D N i ĺ H ∀x = x1..xn∈V : f(x) =
∑
=
n
k
k k
x
d
1
2 , kde dk
V ~ Y O D V W Q p ţ t V O D IR UP\ f.
Dôkaz.
Nech
α1..αn je ortonormálna báza vo V a A je symetrická matica formy f
Y ] K D G R P Q D E i ] X α1..αn. Z vety
Y \S O Ś Y D ĺ H H [L V W XM H R UW R JR Q i O Q D PD W L FD P W D N i ĺ H P×A×PT M H G L D JR Q i O Q D $O H N H ĺ H P je ortogonálna,
tak P
×A×PT = P×A×P-1 a ak maticu P chápeme ako maticu prechodu od α1..αn k nejakej báze β1..βn, tak aj
β1..βn je ortonormálna. Na diagonále matice P×A×P-1
V ~ S Ui Y H Y O D V W Q p ţ t V O D IR UP\ f.
Dôsledok 2.10.6.1.
Všetky charakteristické vektory reálnej symetrickej matice sú reálne.
Dôkaz.
Tvrdenie vyplýva priamo z predchádzajúcej vety.
Automaticky vygenerovaný textový náhľad. Pre plné formátovanie si stiahnite súbor.
nechodím na prednášky