Mathematische Strukturen Lineare Algebra I Kapitel 1 19. April 2011 Logistik Dozent: Olga Holtz, MA 378, Sprechstunden Freitag 14-16 Webseite: www.math.tu-berlin.de/˜holtz Email: [email protected] Assistent: Sadegh Jokar, MA 373, Sprechstunden Donnerstag 12-14 Tutoren: Kolleck, Loewe, Neumerkel, Zieschang Anmeldung: über MOSES Fragen? Studentische Studienfachberatung, MA 847 Telefon: (030) 314-21097 Email: [email protected] Ankündigung: VL am Freitag 12-14 im EB 301 Klausur? Ja (Note) / Nein (keine Note) Der Kurs gilt mit 50% Punkten für Hausaufgaben als bestanden Gruppen. Eine Gruppe ist eine Menge G mit einer Operation“ oder Verknüpfung ” ∗, die jeweils zwei Elemente von G zu einem neuen Element von G verknüpft und für die die folgenden Regeln (Axiome) erfüllt sind. I Es gilt das Assoziativgesetz, d.h. (a ∗ b) ∗ c = a ∗ (b ∗ c) I für alle a, b, c ∈ G . Es gibt ein neutrales Element e ∈ G mit den folgenden Eigenschaften: a) e ∗ a = a für alle a ∈ G . b) für alle a ∈ G gibt es a0 ∈ G , so dass a0 ∗ a = e. I Das Element a0 heißt inverses Element von a. Eine Gruppe heißt kommutativ oder abelsch, falls außerdem das Kommutativgesetz gilt, d.h. a∗b =b∗a für alle a, b ∈ G . Was ist eigentlich ∗? Die Verknüpfung ∗ ist dabei z.B. die Addition +, dann nennen wir die Gruppe additiv oder die Multiplikation ·, dann nennen wir die Gruppe multiplikativ. Es kann aber auch eine andere Verknüpfung sein. Was ist eigentlich ∗? Die Verknüpfung ∗ ist dabei z.B. die Addition +, dann nennen wir die Gruppe additiv oder die Multiplikation ·, dann nennen wir die Gruppe multiplikativ. Es kann aber auch eine andere Verknüpfung sein. Beispiele: I Die ganzen Zahlen ZZ bilden eine additive kommutative Gruppe. Was ist eigentlich ∗? Die Verknüpfung ∗ ist dabei z.B. die Addition +, dann nennen wir die Gruppe additiv oder die Multiplikation ·, dann nennen wir die Gruppe multiplikativ. Es kann aber auch eine andere Verknüpfung sein. Beispiele: I I Die ganzen Zahlen ZZ bilden eine additive kommutative Gruppe. Die rationalen Zahlen Q bilden auch eine additive kommutative Gruppe. Was ist eigentlich ∗? Die Verknüpfung ∗ ist dabei z.B. die Addition +, dann nennen wir die Gruppe additiv oder die Multiplikation ·, dann nennen wir die Gruppe multiplikativ. Es kann aber auch eine andere Verknüpfung sein. Beispiele: I I I Die ganzen Zahlen ZZ bilden eine additive kommutative Gruppe. Die rationalen Zahlen Q bilden auch eine additive kommutative Gruppe. Aber Q \ {0} bildet auch eine multiplikative kommutative Gruppe. Fragen: I Bildet die Menge IN eine additive Gruppe? Was ist eigentlich ∗? Die Verknüpfung ∗ ist dabei z.B. die Addition +, dann nennen wir die Gruppe additiv oder die Multiplikation ·, dann nennen wir die Gruppe multiplikativ. Es kann aber auch eine andere Verknüpfung sein. Beispiele: I I I Die ganzen Zahlen ZZ bilden eine additive kommutative Gruppe. Die rationalen Zahlen Q bilden auch eine additive kommutative Gruppe. Aber Q \ {0} bildet auch eine multiplikative kommutative Gruppe. Fragen: I I Bildet die Menge IN eine additive Gruppe? Bildet die Menge IR+ = {x ∈ IR : x > 0} eine multiplikative Gruppe? Eindeutigkeit von Inversen / neutralem Element Theorem. Für jede Gruppe (G , ∗) gelten: (1) Zu jedem a ∈ G existiert genau ein inverses Element e a ∈ G . Für dieses gilt e a∗a = a∗e a = e. (2) G enthält genau ein neutrales Element e. Für dieses gilt e ∗ a = a ∗ e = a für alle a ∈ G . Eindeutigkeit von Inversen / neutralem Element Theorem. Für jede Gruppe (G , ∗) gelten: (1) Zu jedem a ∈ G existiert genau ein inverses Element e a ∈ G . Für dieses gilt e a∗a = a∗e a = e. (2) G enthält genau ein neutrales Element e. Für dieses gilt e ∗ a = a ∗ e = a für alle a ∈ G . Beweis. Sei e ∈ G ein neutrales Element und sei a ∈ G beliebig. Es gibt ein inverses Element a1 ∈ G , so dass a1 ∗ a = e. Sei a2 ∈ G ein inverses Element zu a1 , d.h. a2 ∗ a1 = e. Dann: Eindeutigkeit von Inversen / neutralem Element Theorem. Für jede Gruppe (G , ∗) gelten: (1) Zu jedem a ∈ G existiert genau ein inverses Element e a ∈ G . Für dieses gilt e a∗a = a∗e a = e. (2) G enthält genau ein neutrales Element e. Für dieses gilt e ∗ a = a ∗ e = a für alle a ∈ G . Beweis. Sei e ∈ G ein neutrales Element und sei a ∈ G beliebig. Es gibt ein inverses Element a1 ∈ G , so dass a1 ∗ a = e. Sei a2 ∈ G ein inverses Element zu a1 , d.h. a2 ∗ a1 = e. Dann: a ∗ a1 = e ∗ (a ∗ a1 ) = (a2 ∗ a1 ) ∗ (a ∗ a1 ) = a2 ∗ (a1 ∗ (a ∗ a1 )) = a2 ∗ ((a1 ∗ a) ∗ a1 ) = a2 ⊕ (e ∗ a1 ) = a2 ∗ a1 = e . Eindeutigkeit von Inversen / neutralem Element Theorem. Für jede Gruppe (G , ∗) gelten: (1) Zu jedem a ∈ G existiert genau ein inverses Element e a ∈ G . Für dieses gilt e a∗a = a∗e a = e. (2) G enthält genau ein neutrales Element e. Für dieses gilt e ∗ a = a ∗ e = a für alle a ∈ G . Beweis. Sei e ∈ G ein neutrales Element und sei a ∈ G beliebig. Es gibt ein inverses Element a1 ∈ G , so dass a1 ∗ a = e. Sei a2 ∈ G ein inverses Element zu a1 , d.h. a2 ∗ a1 = e. Dann: a ∗ a1 = e ∗ (a ∗ a1 ) = (a2 ∗ a1 ) ∗ (a ∗ a1 ) = a2 ∗ (a1 ∗ (a ∗ a1 )) = a2 ∗ ((a1 ∗ a) ∗ a1 ) = a2 ⊕ (e ∗ a1 ) = a2 ∗ a1 = e . Somit a ∗ e = a ∗ (a1 ∗ a) = (a ∗ a1 ) ∗ a = e ∗ a = a . Eindeutigkeit von Inversen / neutralem Element Theorem. Für jede Gruppe (G , ∗) gelten: (1) Zu jedem a ∈ G existiert genau ein inverses Element e a ∈ G . Für dieses gilt e a∗a = a∗e a = e. (2) G enthält genau ein neutrales Element e. Für dieses gilt e ∗ a = a ∗ e = a für alle a ∈ G . Beweis. Sei e ∈ G ein neutrales Element und sei a ∈ G beliebig. Es gibt ein inverses Element a1 ∈ G , so dass a1 ∗ a = e. Sei a2 ∈ G ein inverses Element zu a1 , d.h. a2 ∗ a1 = e. Dann: a ∗ a1 = e ∗ (a ∗ a1 ) = (a2 ∗ a1 ) ∗ (a ∗ a1 ) = a2 ∗ (a1 ∗ (a ∗ a1 )) = a2 ∗ ((a1 ∗ a) ∗ a1 ) = a2 ⊕ (e ∗ a1 ) = a2 ∗ a1 = e . Somit a ∗ e = a ∗ (a1 ∗ a) = (a ∗ a1 ) ∗ a = e ∗ a = a . Ist a3 ∈ G ein weiteres inverses Element zu a, so folgt a3 = a3 ∗ e = a3 ∗ (a ∗ a1 ) = (a3 ∗ a) ∗ a1 = e ∗ a1 = a1 , also ist das inverse Element zu a eindeutig. Eindeutigkeit von Inversen / neutralem Element Theorem. Für jede Gruppe (G , ∗) gelten: (1) Zu jedem a ∈ G existiert genau ein inverses Element e a ∈ G . Für dieses gilt e a∗a = a∗e a = e. (2) G enthält genau ein neutrales Element e. Für dieses gilt e ∗ a = a ∗ e = a für alle a ∈ G . Beweis. Sei e ∈ G ein neutrales Element und sei a ∈ G beliebig. Es gibt ein inverses Element a1 ∈ G , so dass a1 ∗ a = e. Sei a2 ∈ G ein inverses Element zu a1 , d.h. a2 ∗ a1 = e. Dann: a ∗ a1 = e ∗ (a ∗ a1 ) = (a2 ∗ a1 ) ∗ (a ∗ a1 ) = a2 ∗ (a1 ∗ (a ∗ a1 )) = a2 ∗ ((a1 ∗ a) ∗ a1 ) = a2 ⊕ (e ∗ a1 ) = a2 ∗ a1 = e . Somit a ∗ e = a ∗ (a1 ∗ a) = (a ∗ a1 ) ∗ a = e ∗ a = a . Ist a3 ∈ G ein weiteres inverses Element zu a, so folgt a3 = a3 ∗ e = a3 ∗ (a ∗ a1 ) = (a3 ∗ a) ∗ a1 = e ∗ a1 = a1 , also ist das inverse Element zu a eindeutig. Ist nun e e ∈ G ein weiteres neutrales Element, dann e e = e ∗e e = e (die erste Gleichung gilt, weil e ein neutrales Element ist; die zweite Gleichung gilt, weil a ∗ e e = a für alle a ∈ G gilt). Ringe. Ein kommutativer Ring mit Eins-Element (R, +, ·) ist eine Menge R mit zwei Operationen“ + ( Addition“) und · ( Multiplikation“), für die ” ” ” folgende Gesetze gelten: (Ass +) (Komm +) (Null) (Inv +) (Ass ·) (Komm ·) (Eins) (Distr) (a + b) + c = a + (b + c) für alle a, b, c ∈ R (Assoziativgesetz), a + b = b + a für alle a, b ∈ R (Kommutativgesetz), Es gibt ein e0 ∈ R mit e0 + a = a + e0 = a für alle a ∈ R (Existenz eines Null-Elements), für alle a ∈ R gibt es a0 ∈ R mit a + a0 = e0 (Existenz eines inversen Elements, wir schreiben −a anstatt a0 ), (a · b) · c = a · (b · c) für alle a, b, c ∈ R (Assoziativgesetz), a·b =b·a für alle a, b ∈ R (Kommutativgesetz), Es gibt ein e1 ∈ R mit e1 · a = a · e1 = a für alle a ∈ R (Existenz eines Eins-Elements), (a + b) · c = a · c + b · c für alle a, b, c ∈ R (Distributivgesetz). NB. Wir schreiben 0 für e0 und 1 für e1 . Beispiel: Die rationalen Zahlen bilden einen solchen kommutativen Ring mit Eins-Element. Dabei haben wir in Q aber noch etwas mehr, nämlich dass auch Inverse bezüglich der Multiplikation (außer für 0) existieren. Damit kommen wir zur dritten Struktur: NB. Wir schreiben 0 für e0 und 1 für e1 . Beispiel: Die rationalen Zahlen bilden einen solchen kommutativen Ring mit Eins-Element. Dabei haben wir in Q aber noch etwas mehr, nämlich dass auch Inverse bezüglich der Multiplikation (außer für 0) existieren. Damit kommen wir zur dritten Struktur: Körper. (i) Es sei R ein kommutativer Ring mit Eins-Element und r ∈ R. Dann heißt r invertierbar, falls es ein r̃ ∈ R mit r · r̃ = 1 gibt. Wir schreiben dann r −1 oder 1r für r̃ . (ii) Ein kommutativer Ring mit Eins-Element heißt Körper, wenn 0 6= 1 und zusätzlich das weitere Gesetz gilt: (Inv ·) Jedes Element r ∈ R mit r 6= 0 ist invertierbar. Der kleinste Körper F2 . F2 = ({0, 1}, +, ·), wobei + und · wie folgt definiert sind: + 0 1 0 0 1 1 1 0 · 0 1 0 0 0 1 0 1 Die Multiplikation ist die übliche. Die Addition geht modulo“ 2, das ” heißt, man nimmt die übliche Addition und verwendet immer den ganzzahligen Rest nach Division durch 2 als Ergebnis: 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 0 (6 : 2 = 3 Rest 0), 1 + 1 + 1 = 1 (3 : 2 = 1 Rest 1). Der kleinste Körper F2 . F2 = ({0, 1}, +, ·), wobei + und · wie folgt definiert sind: + 0 1 0 0 1 1 1 0 · 0 1 0 0 0 1 0 1 Die Multiplikation ist die übliche. Die Addition geht modulo“ 2, das ” heißt, man nimmt die übliche Addition und verwendet immer den ganzzahligen Rest nach Division durch 2 als Ergebnis: 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 0 (6 : 2 = 3 Rest 0), 1 + 1 + 1 = 1 (3 : 2 = 1 Rest 1). Frage 1. Warum ist das ein Körper? Der kleinste Körper F2 . F2 = ({0, 1}, +, ·), wobei + und · wie folgt definiert sind: + 0 1 0 0 1 1 1 0 · 0 1 0 0 0 1 0 1 Die Multiplikation ist die übliche. Die Addition geht modulo“ 2, das ” heißt, man nimmt die übliche Addition und verwendet immer den ganzzahligen Rest nach Division durch 2 als Ergebnis: 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 0 (6 : 2 = 3 Rest 0), 1 + 1 + 1 = 1 (3 : 2 = 1 Rest 1). Frage 1. Warum ist das ein Körper? Frage 2. Gibt es Körper mit weniger als 2 Elementen? Weitere Beispiele. Sei V v1 + v2 v1 · v2 √ = {v = a + 2 b | a, b ∈ Q}, √ √ = (a1 + 2 b1 )√+ (a2 + 2 b2 ) = (a1 + a2 ) + 2 (b1 + b2 ), √ √ = (a1 + √ 2 b1 ) · (a2 + √ 2 b2 ) = a1 a2 + 2 a1 b2 + √ 2 a2 b1 + 2b1 b2 = (a1 a2 + 2b1 b2 ) + 2 (a1 b2 + a2 b1 ). Ist {V , +, ·} ein Körper (oder nur ein Ring“)? ” Weitere Beispiele. Sei V v1 + v2 v1 · v2 √ = {v = a + 2 b | a, b ∈ Q}, √ √ = (a1 + 2 b1 )√+ (a2 + 2 b2 ) = (a1 + a2 ) + 2 (b1 + b2 ), √ √ = (a1 + √ 2 b1 ) · (a2 + √ 2 b2 ) = a1 a2 + 2 a1 b2 + √ 2 a2 b1 + 2b1 b2 = (a1 a2 + 2b1 b2 ) + 2 (a1 b2 + a2 b1 ). Ist {V , +, ·} ein Körper (oder nur ein Ring“)? ” √ √ 1 1 a − 2b a b √ = = 2 = 2 − 2 2 . 2 2 v a − 2b a − 2b a − 2b 2 a + 2b Weitere Beispiele. Sei V v1 + v2 v1 · v2 √ = {v = a + 2 b | a, b ∈ Q}, √ √ = (a1 + 2 b1 )√+ (a2 + 2 b2 ) = (a1 + a2 ) + 2 (b1 + b2 ), √ √ = (a1 + √ 2 b1 ) · (a2 + √ 2 b2 ) = a1 a2 + 2 a1 b2 + √ 2 a2 b1 + 2b1 b2 = (a1 a2 + 2b1 b2 ) + 2 (a1 b2 + a2 b1 ). Ist {V , +, ·} ein Körper (oder nur ein Ring“)? ” √ √ 1 1 a − 2b a b √ = = 2 = 2 − 2 2 . 2 2 v a − 2b a − 2b a − 2b 2 a + 2b √ Da 2 6∈ Q, ist a2 − 2b 2 6= 0 für alle v ∈ V , v 6= 0. Damit ist v1 ∈ V für alle v ∈ V , v 6= 0. Damit folgt, dass {V , +, ·} ein Körper ist! Komplexe Zahlen. Sei C = {z = a + ib | a, b ∈ IR}, wobei i = ist, mit den Operationen z1 + z2 z1 · z2 √ −1 die imaginäre Einheit = (a1 + ib1 ) + (a2 + ib2 ) = (a1 + a2 ) + i(b1 + b2 ), = (a1 + ib1 ) · (a2 + ib2 ) = (a1 a2 − b1 b2 ) + i(a1 b2 + b1 a2 ). Komplexe Zahlen. Sei C = {z = a + ib | a, b ∈ IR}, wobei i = ist, mit den Operationen z1 + z2 z1 · z2 √ −1 die imaginäre Einheit = (a1 + ib1 ) + (a2 + ib2 ) = (a1 + a2 ) + i(b1 + b2 ), = (a1 + ib1 ) · (a2 + ib2 ) = (a1 a2 − b1 b2 ) + i(a1 b2 + b1 a2 ). Für z = a + ib heißt a Realteil und b Imaginärteil von z. Null-Element Eins-Element imaginäre Einheit 0 = 0 + i0 1 = 1 + i0 i = 0 + i1 (0, 0) (1, 0) (0, 1) Die konjugiert komplexe Zahl zu z = a + ib ist die Zahl z̄ = a − ib. Die konjugiert komplexe Zahl zu z = a + ib ist die Zahl z̄ = a − ib. C ist ein Körper, denn das inverse Element zu z 6= 0 ist 1 1 a − ib z̄ a − ib a b = = = = 2 = 2 −i ∈ C, z a + ib (a + ib)(a − ib) zz̄ a + b2 a + b 2 a2 + b 2 da a2 + b 2 > 0 für (a, b) 6= (0, 0). Kartesisches Produkt Das kartesische Produkt (benannt nach René Descartes) von n Mengen M1 , . . . , Mn ist M1 × · · · × Mn := {(x1 , . . . , xn ) | xi ∈ Mi für i = 1, . . . , n}. Kartesisches Produkt Das kartesische Produkt (benannt nach René Descartes) von n Mengen M1 , . . . , Mn ist M1 × · · · × Mn := {(x1 , . . . , xn ) | xi ∈ Mi für i = 1, . . . , n}. Für das n-fache kartesische Produkt einer Menge M benutzen wir auch die Notation M n : M n := M × · · · × M = {(x1 , . . . , xn ) | xi ∈ M für i = 1, . . . , n}. | {z } n−mal Ein Element (x, y ) ∈ M × N bezeichnen wir auch als ein (geordnetes) Paar und ein Element (x1 , . . . , xn ) ∈ M1 × · · · × Mn wird oft (geordnetes) n-Tupel genannt. Relationen Sind M, N Mengen, dann heißt eine Menge R ⊆ M × N eine Relation zwischen M und N. Ist M = N, so nennen wir R eine Relation auf M. Für (x, y ) ∈ R schreiben wir auch x ∼R y oder x ∼ y , wenn klar ist um welche Relation es sich handelt. Relationen Sind M, N Mengen, dann heißt eine Menge R ⊆ M × N eine Relation zwischen M und N. Ist M = N, so nennen wir R eine Relation auf M. Für (x, y ) ∈ R schreiben wir auch x ∼R y oder x ∼ y , wenn klar ist um welche Relation es sich handelt. Ist (mindestens) eine der Mengen M und N leer, so ist jede Relation zwischen M und N ebenfalls die leere Menge. Relationen Sind M, N Mengen, dann heißt eine Menge R ⊆ M × N eine Relation zwischen M und N. Ist M = N, so nennen wir R eine Relation auf M. Für (x, y ) ∈ R schreiben wir auch x ∼R y oder x ∼ y , wenn klar ist um welche Relation es sich handelt. Ist (mindestens) eine der Mengen M und N leer, so ist jede Relation zwischen M und N ebenfalls die leere Menge. Beispiel. M = N und N = Q, dann ist R = {(x, y ) ∈ M × N | xy = 1} eine Relation zwischen M und N, die auch wie folgt angegeben werden kann: R = {(1, 1), (2, 1/2), (3, 1/3), . . . } = {(n, 1/n) | n ∈ IN}. Eigenschaften von Relationen. Sei M eine Menge. Eine Relation R auf M heißt (1) reflexiv, falls für alle x ∈ M gilt: x ∼ x, Eigenschaften von Relationen. Sei M eine Menge. Eine Relation R auf M heißt (1) reflexiv, falls für alle x ∈ M gilt: x ∼ x, (2) symmetrisch, falls für alle x, y ∈ M gilt: (x ∼ y ) ⇒ (y ∼ x), Eigenschaften von Relationen. Sei M eine Menge. Eine Relation R auf M heißt (1) reflexiv, falls für alle x ∈ M gilt: x ∼ x, (2) symmetrisch, falls für alle x, y ∈ M gilt: (x ∼ y ) ⇒ (y ∼ x), (3) transitiv, falls für alle x, y , z ∈ M gilt: (x ∼ y ∧ y ∼ z) ⇒ (x ∼ z). Eigenschaften von Relationen. Sei M eine Menge. Eine Relation R auf M heißt (1) reflexiv, falls für alle x ∈ M gilt: x ∼ x, (2) symmetrisch, falls für alle x, y ∈ M gilt: (x ∼ y ) ⇒ (y ∼ x), (3) transitiv, falls für alle x, y , z ∈ M gilt: (x ∼ y ∧ y ∼ z) ⇒ (x ∼ z). Falls R reflexiv, transitiv und symmetrisch ist, so nennen wir R eine Äquivalenzrelation auf M. Eigenschaften von Relationen. Sei M eine Menge. Eine Relation R auf M heißt (1) reflexiv, falls für alle x ∈ M gilt: x ∼ x, (2) symmetrisch, falls für alle x, y ∈ M gilt: (x ∼ y ) ⇒ (y ∼ x), (3) transitiv, falls für alle x, y , z ∈ M gilt: (x ∼ y ∧ y ∼ z) ⇒ (x ∼ z). Falls R reflexiv, transitiv und symmetrisch ist, so nennen wir R eine Äquivalenzrelation auf M. Wichtiges Beispiel. Sei n ∈ N gegeben, dann ist die Menge Rn := {(a, b) ∈ Z2 | a − b ist ohne Rest durch n teilbar} eine Äquivalenzrelation auf Z. Warum? Eigenschaften von Relationen. Sei M eine Menge. Eine Relation R auf M heißt (1) reflexiv, falls für alle x ∈ M gilt: x ∼ x, (2) symmetrisch, falls für alle x, y ∈ M gilt: (x ∼ y ) ⇒ (y ∼ x), (3) transitiv, falls für alle x, y , z ∈ M gilt: (x ∼ y ∧ y ∼ z) ⇒ (x ∼ z). Falls R reflexiv, transitiv und symmetrisch ist, so nennen wir R eine Äquivalenzrelation auf M. Wichtiges Beispiel. Sei n ∈ N gegeben, dann ist die Menge Rn := {(a, b) ∈ Z2 | a − b ist ohne Rest durch n teilbar} eine Äquivalenzrelation auf Z. Warum? Reflexivität: a − a = 0 ist ohne Rest durch n teilbar. Eigenschaften von Relationen. Sei M eine Menge. Eine Relation R auf M heißt (1) reflexiv, falls für alle x ∈ M gilt: x ∼ x, (2) symmetrisch, falls für alle x, y ∈ M gilt: (x ∼ y ) ⇒ (y ∼ x), (3) transitiv, falls für alle x, y , z ∈ M gilt: (x ∼ y ∧ y ∼ z) ⇒ (x ∼ z). Falls R reflexiv, transitiv und symmetrisch ist, so nennen wir R eine Äquivalenzrelation auf M. Wichtiges Beispiel. Sei n ∈ N gegeben, dann ist die Menge Rn := {(a, b) ∈ Z2 | a − b ist ohne Rest durch n teilbar} eine Äquivalenzrelation auf Z. Warum? Reflexivität: a − a = 0 ist ohne Rest durch n teilbar. Symmetrie: Falls a − b ohne Rest durch n teilbar ist, so gilt dies auch für b − a. Eigenschaften von Relationen. Sei M eine Menge. Eine Relation R auf M heißt (1) reflexiv, falls für alle x ∈ M gilt: x ∼ x, (2) symmetrisch, falls für alle x, y ∈ M gilt: (x ∼ y ) ⇒ (y ∼ x), (3) transitiv, falls für alle x, y , z ∈ M gilt: (x ∼ y ∧ y ∼ z) ⇒ (x ∼ z). Falls R reflexiv, transitiv und symmetrisch ist, so nennen wir R eine Äquivalenzrelation auf M. Wichtiges Beispiel. Sei n ∈ N gegeben, dann ist die Menge Rn := {(a, b) ∈ Z2 | a − b ist ohne Rest durch n teilbar} eine Äquivalenzrelation auf Z. Warum? Reflexivität: a − a = 0 ist ohne Rest durch n teilbar. Symmetrie: Falls a − b ohne Rest durch n teilbar ist, so gilt dies auch für b − a. Transitivität: Seien a − b und b − c ohne Rest durch n teilbar, dann gilt a − c = (a − b) + (b − c). Beide Summanden auf der rechten Seite sind ohne Rest durch n teilbar, daher gilt dies auch für a − c. Äquivalenzklassen Sei R eine Äquivalenzrelation auf der Menge M. Dann heißt für x ∈ M die Menge [x]R := {y ∈ M | (x, y ) ∈ R} = {y ∈ M | x ∼ y } die Äquivalenzklasse von x (bezüglich R). Äquivalenzklassen Sei R eine Äquivalenzrelation auf der Menge M. Dann heißt für x ∈ M die Menge [x]R := {y ∈ M | (x, y ) ∈ R} = {y ∈ M | x ∼ y } die Äquivalenzklasse von x (bezüglich R). Die Äquivalenzklasse [x]R eines Elements x ∈ M ist niemals die leere Menge, denn es gilt stets x ∼ x (Reflexivität) und somit x ∈ [x]R . Wenn klar ist, um welche Äquivalenzrelation R es sich handelt, schreiben wir oft lediglich [x] anstatt [x]R . Äquivalenzklassen Sei R eine Äquivalenzrelation auf der Menge M. Dann heißt für x ∈ M die Menge [x]R := {y ∈ M | (x, y ) ∈ R} = {y ∈ M | x ∼ y } die Äquivalenzklasse von x (bezüglich R). Die Äquivalenzklasse [x]R eines Elements x ∈ M ist niemals die leere Menge, denn es gilt stets x ∼ x (Reflexivität) und somit x ∈ [x]R . Wenn klar ist, um welche Äquivalenzrelation R es sich handelt, schreiben wir oft lediglich [x] anstatt [x]R . Theorem. Sei R eine Äquivalenzrelation auf der Menge M und seien x, y ∈ M. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent: (1) [x] = [y ]. (2) [x] ∩ [y ] 6= ∅. (3) x ∼ y . Theorem. Sei R eine Äquivalenzrelation auf der Menge M und seien x, y ∈ M. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent: (1) [x] = [y ]. (2) [x] ∩ [y ] 6= ∅. (3) x ∼ y . Beweis. (1) ⇒ (2) : Wegen x ∼ x ist x ∈ [x]. Aus [x] = [y ] folgt dann x ∈ [y ] und somit x ∈ [x] ∩ [y ]. Theorem. Sei R eine Äquivalenzrelation auf der Menge M und seien x, y ∈ M. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent: (1) [x] = [y ]. (2) [x] ∩ [y ] 6= ∅. (3) x ∼ y . Beweis. (1) ⇒ (2) : Wegen x ∼ x ist x ∈ [x]. Aus [x] = [y ] folgt dann x ∈ [y ] und somit x ∈ [x] ∩ [y ]. (2) ⇒ (3) : Wegen [x] ∩ [y ] 6= ∅, gibt es ein z ∈ [x] ∩ [y ]. Für dieses gilt x ∼ z und y ∼ z, also x ∼ z und z ∼ y (Symmetrie) und somit x ∼ y (Transitivität). Theorem. Sei R eine Äquivalenzrelation auf der Menge M und seien x, y ∈ M. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent: (1) [x] = [y ]. (2) [x] ∩ [y ] 6= ∅. (3) x ∼ y . Beweis. (1) ⇒ (2) : Wegen x ∼ x ist x ∈ [x]. Aus [x] = [y ] folgt dann x ∈ [y ] und somit x ∈ [x] ∩ [y ]. (2) ⇒ (3) : Wegen [x] ∩ [y ] 6= ∅, gibt es ein z ∈ [x] ∩ [y ]. Für dieses gilt x ∼ z und y ∼ z, also x ∼ z und z ∼ y (Symmetrie) und somit x ∼ y (Transitivität). (3) ⇒ (1) : Sei x ∼ y und sei z ∈ [x], d.h. x ∼ z. Aus x ∼ y folgt nun mit Hilfe der Transitivität und Symmetrie, dass y ∼ z, also z ∈ [y ]. Das heißt, es gilt [x] ⊆ [y ]. Genauso zeigt man [y ] ⊆ [x], so dass [x] = [y ] folgt. Zurück zu unserem Beispiel. Fakt. Sei n ∈ N gegeben, dann ist die Menge Rn := {(a, b) ∈ Z2 | a − b ist ohne Rest durch n teilbar} eine Äquivalenzrelation auf Z. Zurück zu unserem Beispiel. Fakt. Sei n ∈ N gegeben, dann ist die Menge Rn := {(a, b) ∈ Z2 | a − b ist ohne Rest durch n teilbar} eine Äquivalenzrelation auf Z. Für a ∈ Z heißt die Äquivalenzklasse [a] bzgl. der Relation Rn die Restklasse von a modulo n. Zurück zu unserem Beispiel. Fakt. Sei n ∈ N gegeben, dann ist die Menge Rn := {(a, b) ∈ Z2 | a − b ist ohne Rest durch n teilbar} eine Äquivalenzrelation auf Z. Für a ∈ Z heißt die Äquivalenzklasse [a] bzgl. der Relation Rn die Restklasse von a modulo n. Wie man leicht sieht ist [a] = a + nZ := {a + nz | z ∈ Z}. Die Äquivalenzrelation Rn liefert uns eine Zerlegung der Menge Z in n disjunkte Teilmengen. Zurück zu unserem Beispiel. Fakt. Sei n ∈ N gegeben, dann ist die Menge Rn := {(a, b) ∈ Z2 | a − b ist ohne Rest durch n teilbar} eine Äquivalenzrelation auf Z. Für a ∈ Z heißt die Äquivalenzklasse [a] bzgl. der Relation Rn die Restklasse von a modulo n. Wie man leicht sieht ist [a] = a + nZ := {a + nz | z ∈ Z}. Die Äquivalenzrelation Rn liefert uns eine Zerlegung der Menge Z in n disjunkte Teilmengen. Insbesondere gilt [0] ∪ [1] ∪ · · · ∪ [n − 1] = n−1 [ [a] = Z. a=0 Die Menge aller Restklassen modulo n bezeichnet man häufig mit Z/nZ, also Z/nZ := {[0], [1], . . . , [n − 1]}. Diese Menge spielt im mathematischen Teilgebiet der Zahlentheorie eine wichtige Rolle.