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Aufgabe:

Wie kann ich eine lineare Abbildung mit einem gegebenem Kern und Bild dieser bestimmen?


Problem/Ansatz:

Bestimmen Sie eine lineare Abbildung $$T: \mathbb{R}^3 \rightarrow \mathbb{R}^2$$ mit
$$ \text { Kern } T=\left\{\left(\begin{array}{l} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{array}\right): x_1-x_2=0\right\} \text { und Bild } T=\left\{\left(\begin{array}{l} x_1 \\ x_2 \end{array}\right) \in \mathbb{R}^2: x_1=0\right\} . $$

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Hallo

offensichtlich  liegt (0,0,1) im Kern ebenso wie (1,1,0)

(dagegen liegt  etwa (1,0,0) nicht im Kern, hat also ein Bild) damit hast du eine Basis der Kerns, während (0,1) eine Basis de Bildes ist,

Damit solltest du es schaffen .

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Aloha :)

Wegen \((x_1-x_2=0)\) bzw. \((x_1=x_2)\) lauten alle Vektoren des Kerns:$$\vec x=\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\x_3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}x_1\\x_1\\x_3\end{pmatrix}=x_1\red{\begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix}}+x_3\red{\begin{pmatrix}0\\0\\1\end{pmatrix}}$$Die roten Vektoren bilden eine Basis des Kerns.

Wegen \((x_1=0)\) lauten alle Bilder der Abbildung:$$\vec x=\binom{x_1}{x_2}=\binom{0}{x_2}=x_2\green{\binom{0}{1}}$$Der grüne Vektor ist eine Basis des Bildes.

Die beiden roten Kern-Basisvektoren werden auf den Nullvektor abgebildet. Ein Vektor, der nicht zum Kern gehört, wie etwa \((1;0;0)^T\), wird auf ein Vielfaches des grünen Basisvektors abgebildet. Das Bedeutet für die gesuchte Abbildungsmatrix \(A\):$$A\begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix}=\binom{0}{0}\quad;\quad A\begin{pmatrix}0\\0\\1\end{pmatrix}=\pink{\binom{0}{0}}\quad;\quad A\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}=c\cdot\binom{0}{1}=\pink{\binom{0}{c}}\;;\;c\ne0$$

Wegen der Linearität der Abbildung können wir daraus folgern:$$A\begin{pmatrix}0\\1\\0\end{pmatrix}=A\left(\begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix}-\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}\right)=A\begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix}-A\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}=\binom{0}{0}-\binom{0}{c}=\pink{\binom{0}{-c}}$$

Die pinken Vektoren sind die Bilder der kanonischen Basisvektoren. Sie als Spaltenvektoren bilden die gesuchte Abbildungsmatrix:$$A=\begin{pmatrix}0 & 0 & 0\\c & -c & 0\end{pmatrix}\quad;\quad c\ne0$$

Bis auf eine Konstante \(c\ne0\) ist die Abbildung eindeutig bestimmt. Du sollst nur eine lineare Abbildung mit dem angegebenen Kern und Bild bestimmern, daher wähle einfach \((c=1)\).

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