ISETL-Harjoitus 12, 1999. Matriisit renkaasta ja renkaana

Tehtävä 1. Askartelua

ISETLissä ei ole valmiina kompleksilukujen, vektorien eikä matriisien laskutoimituksia, vaan ne on tarkoitettu itse muodostettaviksi. Selvitä mitä tehdään seuraavissa koodinpätkissä:
>       2*4 + 5*3; (2*4) + (5*3);
>       A := [2,5]; B := [4,3];       $ käytä ISOJA ja pieniä
>       A + B;                        $ kirjaimia harkiten!
>       A(1); A(2); B(1); B(2);
>       [A(1) + B(1), A(2) + B(2)];
>       Vs := |X,Y -> [X(1) + Y(1), X(2) + Y(2)]|;
>       Vs(A,B); A .Vs B; B .Vs A;
>       [5,-6] .Vs [-7,-2];           $ tulos:________________
Mitä tekee operaattori Vs
>       A; B; A * B;
>       A(1)*B(1) + A(2)*B(2);
>       Vk := |X,Y -> X(1)*Y(1) + X(2)*Y(2)|;
>       Vk(A,B); A .Vk B = B .Vk A; 
>       [4,6] .Vk [-5,2];             $ tulos:________________
Mitä tekee operaattori Vk
>       C := [[3,4],[2,5]]; D := [[2,4],[3,1]]; C; D;
>       C(1); C(2);
>       C(1)(1); C(1)(2); C(2)(1); C(2)(2);
>
>       Ms := func(X,Y);
>>      return
>>      [[X(1)(1) + Y(1)(1), X(1)(2) + Y(1)(2)],
>>       [X(2)(1) + Y(2)(1), X(2)(2) + Y(2)(2)]];
>>      end func;
>       C; D; C .Ms D; D .Ms C;       $ tulos:________________
Mitä tekee Ms
>   Mk := func(X,Y);
>>   return
>>   [[X(1)(1)*Y(1)(1) + X(1)(2)*Y(2)(1), 
>>     X(1)(1)*Y(1)(2) + X(1)(2)*Y(2)(2)],
>>    [X(2)(1)*Y(1)(1) + X(2)(2)*Y(2)(1), 
>>     X(2)(1)*Y(1)(2) + X(2)(2)*Y(2)(2)]];
>>   end func;
>  C; D; C .Mk D; D .Mk C;        $ tulos:________________
Mitä tekee Mk

Tehtävä 2. Tutkailua

Kopioi taas tiedostojen ryhma.ise ja joukot.ise uudet versiot WWW-sivulta

http://www.joensuu.fi/matemluonto/matematiikka/kurssit/algebra/Materiaalia/index.html

Lataa ne sitten ISETLW:n muistiin !include:lla.

>       A; B;
>       Vs6 := |X,Y -> [X(1) .s6 Y(1), X(2) .s6 Y(2)]|;
>       A .Vs6 B; B .Vs6 A;
Mitä tekee operaattori Vs6
>        2 .k6 4  .s6  5 .k6 3; >       (2 .k6 4) .s6 (5 .k6 3);
Mitä tästä opimme? 
>       Vk6 := |X,Y -> (X(1) .k6 Y(1)) .s6 (X(2) .k6 Y(2))|;
>       A; B; A .Vk6 B; B .Vk6 A;
Mitä tekee operaattori Vk6

Tehtävä 3. Matriisit renkaasta

ISETLissä matematiikan 2×2-matriisi
æ
ç
è
a
b
c
d
ö
÷
ø
voidaan esittää TUPLEna [[a,b],[c,d]], jonka molemmat alkiot ovat kaksialkioisia TUPLEja. Matriisin ensimmäistä riviä vastaa ensimmäinen TUPLE [a,b] ja toista riviä toinen TUPLE [c,d]. Kun on määritelty ISETLissä esimerkiksi
>   A := [[3,6], [7,5]];
niin A(1)(2) viittaa ensimmäisen rivin toiseen alkioon 6 ja A(2)(1) toisen TUPLEN ensimmäiseen alkioon 7.

Tarkastellaan nyt 2×2-matriiseja, joiden alkiot ovat jostakin renkaasta (R,+,·). Merkitään niiden joukkoa M(R) (ISETLissä MR).
Kuten aikaisemminkin, matriisien yhteenlaskussa matriisit lasketaan alkioittain yhteen, nyt siis renkaan R yhteenlaskulla:

æ
ç
è
a11
a12
a21
a22
ö
÷
ø
æ
ç
è
b11
b12
b21
b22
ö
÷
ø
: =  æ
ç
è
a11+b11
a12+b12
a21+b21
a22+b22
ö
÷
ø
.
Vastaavasti matriisien kertolasku · määritellään käyttäen renkaan R laskutoimituksia, ensimmäisen matriisin rivien ja toisen sarakkeiden pistetuloina:
æ
ç
è
a11
a12
a21
a22
ö
÷
ø
· æ
ç
è
b11
b12
b21
b22
ö
÷
ø
: =  æ
ç
è
a11· b11+a12· b21
a11· b12+a12· b22
a21· b11+a22· b21
a21· b12+a22· b22
ö
÷
ø
.
Renkaassahan voidaan muodostaa lineaarikombinaatioita a· b + c· d.

Tiedostosta ryhma.ise lienee latautunut ISETL-proseduuri matrengas, katso

>  !pp matrengas
Sille annetaan parametreina joukko (R) ja kaksi laskutoimitusta (''yhteenlasku'' ensin!), ja se tallettaa muuttujaan MR 2×2-matriisien joukon
M(R) : =  ì
í
î
æ
ç
è
a
b
c
d
ö
÷
ø
ê
ê
ê
a,b,c,d Î R ü
ý
þ
.
ISETL-funktio Ms suorittaa matriisien yhteenlaskun ja Mk kertolaskun.
Huomaa, että kertolaskut on ympäröitävä (tavallisilla) sulkeilla. Käyttäjän määrittelemistä operaatioista ei ISETL tiedä, kumpi laskutoimitus on voimakkaampi!
Suorita komennot (älä laita suuria joukkoja Zn, miksi?)
>  matrengas(Z2,s2,k2);
>  MR; 
>  [[0,0],[1,0]] .Ms [[1,1],[0,0]];
>  [[0,0],[1,0]] .Mk [[1,1],[0,0]];
>  neutraali(MR,Mk);
>  vaihdannainenko(MR,Mk);
>  onko_rengas(MR,Ms,Mk);
Vastaa seuraaviin edellistä matriisisysteemiä koskeviin kysymyksiin ja väitteisiin:

a) (MR,Ms,Mk) on rengas.
Tosi   Epätosi

b) Matriisikertolasku on vaihdannainen.
Tosi   Epätosi

c) Matriisikertolaskulla on neutraalialkio.
Tosi   Epätosi

d) Mikä on yhteenlaskun neutraalialkio? 


Tehtävä 4. Renkaiden nimeäminen

Tiedostoon ryhma.ise on lisätty myös seuraavat komennot:
ositteluko, onko_rengas, nimea_rengas
Komento nimea_rengas on analoginen tutun komennon nimea_ryhma-kanssa. Tutki tätäkin esimerkiksi komennoilla
>  !pp nimea_rengas
>  nimea_rengas(Z12, s12, k12);
>  R; nolla; yksi; vasta(8);
>
>  nimea_rengas(MR,Ms,Mk);
>  R; nolla; yksi;
>  vasta([[0,1],[1,1]]);

Tehtävä 5. Alirenkaista

a) Olkoon (R,+,·) rengas. Muistaen aliryhmän määritelmän, mikä voisi olla alirenkaan määritelmä?



b) Kirjoita ISETL-funktio onko_alirengas, joka tutkii, onko S renkaan R alirengas. Voit olettaa, että nimea_rengas on suoritettu, jolloin tarvitset funktion onko_alirengas syötteeksi vain joukon S. Funktio saa siis käyttää proseduurilla nimea_rengas luotuja ''globaaleja muuttujia'', kuten R, Rs, nolla jne.

Triviaali menetelmä, jossa tsekataan onko osajoukko rengas on hyvin työläs ja siis hidas. Mitä renkaan määritelmän ehtoja tämän funktion ei enää tarvitse uudelleen tutkia? 




c) Onko seuraava väite totta: Jos (A,+n) on ryhmän (Zn,+n) aliryhmä, niin kolmikko (A,+n,*n) on renkaan (Zn,+n,*n) alirengas. 
Todistus tai vastaesimerkki: 




d) Onko seuraava väite totta: Jos (B,*p) on ryhmän (Zp\{0},*p) aliryhmä, niin kolmikko (B,+p,*p) on renkaan (Zp,+p,*p) alirengas. 
Todistus tai vastaesimerkki: 



Tehtävä 6. Matriisirenkaan alirenkaista

Suorita komennot matrengas(Z3,s3,k3); nimea_rengas(MR,Ms,Mk);
Montako alkiota nyt on joukossa MR, eli mitä ISETL antaa komennolla #MR;

Mitkä seuraavista joukoista ovat matriisirenkaan M(Z3) alirenkaita?
a)       T1 : =  ì
í
î
æ
ç
è
a
a
0
ö
÷
ø
ê
ê
ê
a Î Z3 ü
ý
þ
 
       On     Ei
b)       T2 : =  ì
í
î
æ
ç
è
a
b
ö
÷
ø
ê
ê
ê
a,b Î Z3 ü
ý
þ
 
       On     Ei

c) T3 on niiden matriisien joukko, joille on olemassa käänteisalkio matriisikertolaskun Mk suhteen. On    Ei
Miksi? 



d) Keksi itse kaksi joukkoa T4 ja T5, jotka ovat matriisirenkaan M(Z3) ei-triviaaleja alirenkaita.



File translated from TEX by TTH, version 1.96.
On 26 Nov 1999, 15:00.