5)a)
Um zu zeigen, dass ⟨.,.⟩ ein Skalarprodukt ist, müssen wir die drei Eigenschaften von Skalarprodukten überprüfen:

  1. Linearität im zweiten Argument
    Seien f,g,h∈L2[−1,1], α,β∈R beliebig:
⟨f,αg+βh⟩=∫−11f(t)(αg+βh)(t)dt=∫−11f(t)(αg(t)+βh(t))dt=α∫−11f(t)g(t)dt+β∫−11f(t)h(t)dt=α⟨f,g⟩+β⟨f,h⟩✓
  1. Symmetrie
    Seien f,g∈L2[−1,1] beliebig:
⟨f,g⟩=∫−11f(t)g(t)dt=∫−11g(t)f(t)dt=⟨g,f⟩✓
  1. Positive Definitheit
    Sei f∈L2[−1,1] beliebig:
⟨f,f⟩=∫−11f(t)2dt≥0

Da f(t)2≥0 für alle t∈[−1,1] ist das Integral und damit das Skalarprodukt immer nicht-negativ. Ausserdem gilt ⟨f,f⟩=0 genau dann, wenn f(t)=0 überall auf [−1,1], also f=0 in L2[−1,1]. ✓

5)b)
Zu zeigen: für beliebige f≠l in fk∈L2[−1,1] gilt ⟨fk,fl⟩=0 und die Vektoren sind normiert sind, also ⟨fk,fk⟩=1


Orthogonalität

Gegeben sind die Funktionen fk(t)=sin⁡(πkt). Seien k,l∈N, sodass k≠l.

⟨fk,fl⟩=∫−11sin⁡(πkt)sin⁡(πlt)dt(def⟨.,.⟩)=∫−1112(cos⁡(π(k−l)t)−cos⁡(π(k+l)t))dt(Hinweis)=12(∫−11cos⁡(π(k−l)t)dt−∫−11cos⁡(π(k−l)t)dt)(Linearität ∫)

Da cos (integriert sin) eine periodische Funktion ist (cos⁡(−x)=cos⁡(x)), und die Intervallgrenzen symmetrisch sind, sind die Integrale =0

=12(0−0)=0

Daher sind die Vektoren orthogonal bezüglich dem Skalarprodukt.

Normierung

⟨fk,fk⟩=∫−11sin2⁡(πkt)dt=∫−111−cos⁡(2πkt)2dt(trigonometrische Identität)=12(∫−111dt−∫−11cos⁡(2πkt)dt)(Linearität∫)=12([t]t=−11−0)=12(2)=1
6)a)

false

Damit die binomische Formel gilt, müssen A,B kommutativ sein. Dies ist aber nicht der Fall, da

AB=[15−31]BA=[4∗∗∗]
6)b)
6)b)

true

Av=0 für v≠0 bedeutet, dass zumindest eine Spalte von A nicht linear unabhängig ist. Daher hat A nicht vollen Rang, und Ax=b ist nicht für beliebige b lösbar.

6)c)

true

Die Determinante ist das Produkt von allen Eigenwerten. Da die Eigenwerte λ1,…,λn≠0, ist auch ihr Produkt und damit die Determinante ≠0.

6)e)

true

Additivität

F=ddx(x2(f+g)(x))=ddx(x2(f(x)+g(x)))=ddx(x2f(x))+ddx(x2g(x))=F(f)+F(g)✓

Homogenität

F(αf)=ddx(x2(αf)(x))=ddx(x2αf(x))=αddx(x2f(x))=αF(f)✓

=> Beide Eigenschaften von linearen Abbildungen sind erfüllt

6)f)
6)f)

false

A⊤A=[3002], die Eigenwerte sind λ1=3,λ2=2; die Singulärwerte sind σ1=3,σ2=2. S müsste also folgendermassen aussehen:
S=[300200]