Lineare Algebra und Geometrie

Das Buch führt in die lineare und multilineare Algebra sowie Geometrie ein: Gruppen, Körper, Vektorräume und lineare Abbildungen, affine und euklidische Räume, Matrizen und Determinanten, lineare Gleichungssysteme, Normalformen von quadratischen Matrizen und Formen, Tensorprodukt, äußere Algebra, Vektorprodukt. Dabei wird das Wechselspiel zwischen Algebra und Geometrie herausgestellt und bei Beweisen benutzt. Der Standardstoff wird ergänzt durch: numerische Behandlung linearer Gleichungssysteme; Lineare Optimierung und Simplexverfahren; Hinweise auf die Programmierung von Aufgaben der lineare Algebra: Einführung in die Gruppentheorie, speziell die Klassifikation der endlich erzeugten abelschen Gruppen; Projektive Geometrie; die klassichen Geometrien; sphärische Trigonometrie und Navigation; eine Einführung in die Grundlagen der Geometrie. Das Buch eignet sich für Studenten der Mathematik, Informatik und Physik, sowie zum Eigenstudium. Die Zusätze sollen die Kenntnisse der Geometrie erweitern und einen Blick in die Fragestellungen der Numerik geben. Deshalb ist es besonders für Lehramtskandidate, aber auch für Mathematiklehrer geeignet.

1 Einführende Betrachtungen.- 1.1 Koordinaten.- 1.2 Vektoren.- 1.3 Abbildungen der Ebene.- 2 Vorbereitungen.- 2.1 Mengen.- 2.2 Vollständige Induktion und Widerspruchsbeweis und einige Anwendungen.- 2.3 Über transfinite Induktion und das Zornsche Lemma.- 3 Gruppen und Körper.- 3.1 Verknüpfungen: Definitionen und Beispiele.- 3.2 Gruppen.- 3.3 Körper und Ringe. Operationen.- 4 Vektorräume und affine Räume.- 4.1 Definition, Beispiele und einfache Eigenschaften.- 4.2 Unterraum, Summe und Faktorraum.- 4.3 Lineare Abhängigkeit, Basis und Dimension.- 4.4 Lineare Abbildungen, I.- 4.5 Lineare Abbildungen, II.- 4.6 Der duale Raum.- 4.7 Affine Räume.- 5 Matrizen, Determinanten, lineare Gleichungssysteme.- 5.1 Lineare Gleichungssysteme, I.- 5.2 Determinanten.- 5.3 Erneut Matrizen.- 5.4 Lineare Gleichungssysteme, II.- 5.5 Numerische Lösung linearer Gleichungssysteme.- 5.6 Fehleranalyse.- 6 Euklidische und unitäre Vektorräume und Räume.- 6.1 Skalarprodukt und Orthogonalität.- 6.2 Orthogonale und unitäre Abbildungen.- 6.3 Normalform orthogonaler und unitärer Abbildungen.- 6.4 Euklidische Räume.- 6.5 Affine Abbildungen und Bewegungen.- 6.6 Banachräume und Banachalgebren.- 6.7 Gewöhnliche Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten.- 7 Polynome und Matrizen.- 7.1 Polynome.- 7.2 Eigenwerte, -vektoren und charakteristisches Polynom einer Matrix.- 7.3 Diagonalisierbare Matrizen.- 7.4 Allgemeine Normalformen.- 8 Lineare Optimierung.- 8.1 Beispiele und Problemstellung.- 8.2 Konvexe Mengen und Funktionen.- 8.3 Lineare Optimierung. Das Simplexverfahren.- 8.4 Dualitätstheorie.- 9 Multilineare Algebra.- 9.1 Tensorprodukt.- 9.2 Die Grassmannalgebra.- 9.3 Vektorprodukt, Spatprodukt und Volumen.- 10 Einführung in die Gruppentheorie.- 10.1 Normalteiler, Faktorgruppenund Homomorphismen.- 10.2 Abelsche Gruppen.- 10.3 Fortführung der Gruppentheorie.- 10.4 Die Sylow-Sätze.- 11 Affine Geometrie.- 11.1 Hyperflächen 2. Ordnung.- 11.2 Keplersche Gesetze und Kegelschnitte.- 11.3 Ellipsen.- 11.4 Hyperbeln.- 11.5 Parabeln.- 12 Projektive Geometrie.- 12.1 Die projektive Ebene.- 12.2 Der projektive Raum.- 12.3 Dualität in projektiven Räumen.- 12.4 Der affine Raum als Teilraum des projektiven Raumes.- 12.5 Das Doppelverhältnis.- 12.6 Quadratische Formen und Kegelschnitte.- 12.7 Kegelschnitte und Polaritäten in der projektiven Ebene.- 13 Geometrien.- 13.1 Erlanger Programm.- 13.2 Gebrochen-lineare Transformationen.- 13.3 Das Poincarésche Modell der nicht-euklidischen Ebene.- 13.4 Sphärische Trigonometrie und Navigation.- 13.5 Über die elliptische Ebene.- 13.6 Projektive Maßbestimmungen.- 14 Über Grundlagen der Geometrie.- 14.1 Axiome der euklidischen Ebene.- 14.2 Begründung der analytischen Geometrie.- 14.3 Herleitung der benutzten Sätze aus den Axiomen.- 14.4 Über den Satz des Pythagoras und ähnliche Dreiecke.- 15 Umsetzung der Algorithmen in ein einfaches Algebrasystem.- Literatur.- Symbole.