Przekształcenia liniowe

Przekształcenia liniowe

Mirosław Sobolewski

Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW

4. wykład z algebry liniowej Warszawa, pa´zdziernik 2010

Definicja

Niech V , W b ˛ed ˛a przestrzeniami liniowymi. Powiemy, ˙ze funkcja f : V → W jestprzekształceniem liniowymje´sli spełnione s ˛a warunki:

(i) f (v + u) = f (v ) + f (u) dla v , u ∈ V , (ii) f (αv ) = αf (v ) dla α ∈ R oraz v ∈ V .

Przykłady Przekształcenie f : R³→ R²opisane wzorem f ((x₁,x₂,x₃)) = (2x₁− 3x3,x₁+x₂+x₃)jest liniowe,ogólnie: Twierdzenie

Ka˙zde przekształcenie liniowe Rⁿ → R^m ma posta´c

f ((x₁, . . . ,x_n)) = (a₁₁x₁+ · · · +a_1nx_n, . . . ,a_m1x₁+ · · · +a_mnx_n)dla pewnych a_ij ∈ R, gdzie 1 ≤ i ≤ m, 1 ≤ j ≤ n.

(Dowód)

2. φ : F (R, R) → R zdefiniowane przez φ(f ) = f (1) jest liniowe, 3. φ : D(R) → F(R, R) , gdzie D(R) oznacza funkcje ró˙zniczkowalne, zdefiniowane φ(f ) = f⁰ jest liniowe.

Definicja

Niech V , W b ˛ed ˛a przestrzeniami liniowymi. Powiemy, ˙ze funkcja f : V → W jestprzekształceniem liniowymje´sli spełnione s ˛a warunki:

(i) f (v + u) = f (v ) + f (u) dla v , u ∈ V , (ii) f (αv ) = αf (v ) dla α ∈ R oraz v ∈ V .

Przykłady Przekształcenie f : R³→ R²opisane wzorem f ((x₁,x₂,x₃)) = (2x₁− 3x3,x₁+x₂+x₃)jest liniowe,

ogólnie: Twierdzenie

Ka˙zde przekształcenie liniowe Rⁿ → R^m ma posta´c

f ((x₁, . . . ,x_n)) = (a₁₁x₁+ · · · +a_1nx_n, . . . ,a_m1x₁+ · · · +a_mnx_n)dla pewnych a_ij ∈ R, gdzie 1 ≤ i ≤ m, 1 ≤ j ≤ n.

(Dowód)

2. φ : F (R, R) → R zdefiniowane przez φ(f ) = f (1) jest liniowe, 3. φ : D(R) → F(R, R) , gdzie D(R) oznacza funkcje ró˙zniczkowalne, zdefiniowane φ(f ) = f⁰ jest liniowe.

Definicja

Niech V , W b ˛ed ˛a przestrzeniami liniowymi. Powiemy, ˙ze funkcja f : V → W jestprzekształceniem liniowymje´sli spełnione s ˛a warunki:

(i) f (v + u) = f (v ) + f (u) dla v , u ∈ V , (ii) f (αv ) = αf (v ) dla α ∈ R oraz v ∈ V .

Przykłady Przekształcenie f : R³→ R²opisane wzorem f ((x₁,x₂,x₃)) = (2x₁− 3x3,x₁+x₂+x₃)jest liniowe,ogólnie:

Twierdzenie

Ka˙zde przekształcenie liniowe Rⁿ→ R^m ma posta´c

f ((x₁, . . . ,x_n)) = (a₁₁x₁+ · · · +a_1nx_n, . . . ,a_m1x₁+ · · · +a_mnx_n)dla pewnych a_ij ∈ R, gdzie 1 ≤ i ≤ m, 1 ≤ j ≤ n.

(Dowód)

2. φ : F (R, R) → R zdefiniowane przez φ(f ) = f (1) jest liniowe, 3. φ : D(R) → F(R, R) , gdzie D(R) oznacza funkcje ró˙zniczkowalne, zdefiniowane φ(f ) = f⁰ jest liniowe.

Definicja

Niech V , W b ˛ed ˛a przestrzeniami liniowymi. Powiemy, ˙ze funkcja f : V → W jestprzekształceniem liniowymje´sli spełnione s ˛a warunki:

(i) f (v + u) = f (v ) + f (u) dla v , u ∈ V , (ii) f (αv ) = αf (v ) dla α ∈ R oraz v ∈ V .

Przykłady Przekształcenie f : R³→ R²opisane wzorem f ((x₁,x₂,x₃)) = (2x₁− 3x3,x₁+x₂+x₃)jest liniowe,ogólnie:

Twierdzenie

Ka˙zde przekształcenie liniowe Rⁿ→ R^m ma posta´c

f ((x₁, . . . ,x_n)) = (a₁₁x₁+ · · · +a_1nx_n, . . . ,a_m1x₁+ · · · +a_mnx_n)dla pewnych a_ij ∈ R, gdzie 1 ≤ i ≤ m, 1 ≤ j ≤ n.

(Dowód)

2. φ : F (R, R) → R zdefiniowane przez φ(f ) = f (1) jest liniowe,

3. φ : D(R) → F(R, R) , gdzie D(R) oznacza funkcje ró˙zniczkowalne, zdefiniowane φ(f ) = f⁰ jest liniowe.

Definicja

Niech V , W b ˛ed ˛a przestrzeniami liniowymi. Powiemy, ˙ze funkcja f : V → W jestprzekształceniem liniowymje´sli spełnione s ˛a warunki:

(i) f (v + u) = f (v ) + f (u) dla v , u ∈ V , (ii) f (αv ) = αf (v ) dla α ∈ R oraz v ∈ V .

Przykłady Przekształcenie f : R³→ R²opisane wzorem f ((x₁,x₂,x₃)) = (2x₁− 3x3,x₁+x₂+x₃)jest liniowe,ogólnie:

Twierdzenie

Ka˙zde przekształcenie liniowe Rⁿ→ R^m ma posta´c

f ((x₁, . . . ,x_n)) = (a₁₁x₁+ · · · +a_1nx_n, . . . ,a_m1x₁+ · · · +a_mnx_n)dla pewnych a_ij ∈ R, gdzie 1 ≤ i ≤ m, 1 ≤ j ≤ n.

(Dowód)

2. φ : F (R, R) → R zdefiniowane przez φ(f ) = f (1) jest liniowe, 3. φ : D(R) → F(R, R) , gdzie D(R) oznacza funkcje ró˙zniczkowalne, zdefiniowane φ(f ) = f⁰ jest liniowe.

Własno ´sci przekształce ´ n liniowych

Niech f : V → W b ˛edzie przekształceniem liniowym. Wówczas:

1. f (0) = 0

2. Je´sli układ v₁, . . . ,v_k jest liniowo zale˙zny w V to układ

f (v₁), . . . ,f (v_k)jest liniowo zale˙zny w W ( układ liniowo niezale˙znynie musi przechodzi´c na układ liniowo niezale˙zny.)

3. Zbiór f (V ) = {f (v ) : v ∈ V } ⊂ W jest podprzestrzeni ˛a W (zwan ˛a obrazemf ), oraz je´sli układ v₁, . . . ,v_k rozpina V to układ

f (v₁), . . . ,f (v_k)rozpina f (V ).

4. Przekształcenie f jest ró˙znowarto´sciowe tylko wtedy, kiedy {v ∈ V : f (v ) = 0} = {0}

5.Je´sli f jestró˙znowarto ´sciowe i układ v₁, . . . ,v_k jest liniowo niezale˙zny to równie˙z układ f (v₁), . . . ,f (v_k)jest liniowo niezale˙zny.

Własno ´sci przekształce ´ n liniowych

Niech f : V → W b ˛edzie przekształceniem liniowym. Wówczas:

1. f (0) = 0

2. Je´sli układ v₁, . . . ,v_k jest liniowo zale˙zny w V to układ

f (v₁), . . . ,f (v_k)jest liniowo zale˙zny w W ( układ liniowo niezale˙znynie musi przechodzi´c na układ liniowo niezale˙zny.)

3. Zbiór f (V ) = {f (v ) : v ∈ V } ⊂ W jest podprzestrzeni ˛a W (zwan ˛a obrazemf ), oraz je´sli układ v₁, . . . ,v_k rozpina V to układ

f (v₁), . . . ,f (v_k)rozpina f (V ).

4. Przekształcenie f jest ró˙znowarto´sciowe tylko wtedy, kiedy {v ∈ V : f (v ) = 0} = {0}

5.Je´sli f jestró˙znowarto ´sciowe i układ v₁, . . . ,v_k jest liniowo niezale˙zny to równie˙z układ f (v₁), . . . ,f (v_k)jest liniowo niezale˙zny.

Własno ´sci przekształce ´ n liniowych

Niech f : V → W b ˛edzie przekształceniem liniowym. Wówczas:

1. f (0) = 0

2. Je´sli układ v₁, . . . ,v_k jest liniowo zale˙zny w V to układ

f (v₁), . . . ,f (v_k)jest liniowo zale˙zny w W ( układ liniowo niezale˙znynie musi przechodzi´c na układ liniowo niezale˙zny.)

3. Zbiór f (V ) = {f (v ) : v ∈ V } ⊂ W jest podprzestrzeni ˛a W (zwan ˛a obrazemf ), oraz je´sli układ v₁, . . . ,v_k rozpina V to układ

f (v₁), . . . ,f (v_k)rozpina f (V ).

4. Przekształcenie f jest ró˙znowarto´sciowe tylko wtedy, kiedy {v ∈ V : f (v ) = 0} = {0}

5.Je´sli f jestró˙znowarto ´sciowe i układ v₁, . . . ,v_k jest liniowo niezale˙zny to równie˙z układ f (v₁), . . . ,f (v_k)jest liniowo niezale˙zny.

Własno ´sci przekształce ´ n liniowych

Niech f : V → W b ˛edzie przekształceniem liniowym. Wówczas:

1. f (0) = 0

2. Je´sli układ v₁, . . . ,v_k jest liniowo zale˙zny w V to układ

f (v₁), . . . ,f (v_k)jest liniowo zale˙zny w W ( układ liniowo niezale˙znynie musi przechodzi´c na układ liniowo niezale˙zny.)

3. Zbiór f (V ) = {f (v ) : v ∈ V } ⊂ W jest podprzestrzeni ˛a W (zwan ˛a obrazemf ), oraz je´sli układ v₁, . . . ,v_k rozpina V to układ

f (v₁), . . . ,f (v_k)rozpina f (V ).

4. Przekształcenie f jest ró˙znowarto´sciowe tylko wtedy, kiedy {v ∈ V : f (v ) = 0} = {0}

5.Je´sli f jestró˙znowarto ´sciowe i układ v₁, . . . ,v_k jest liniowo niezale˙zny to równie˙z układ f (v₁), . . . ,f (v_k)jest liniowo niezale˙zny.

Własno ´sci przekształce ´ n liniowych

Niech f : V → W b ˛edzie przekształceniem liniowym. Wówczas:

1. f (0) = 0

2. Je´sli układ v₁, . . . ,v_k jest liniowo zale˙zny w V to układ

f (v₁), . . . ,f (v_k)jest liniowo zale˙zny w W ( układ liniowo niezale˙znynie musi przechodzi´c na układ liniowo niezale˙zny.)

3. Zbiór f (V ) = {f (v ) : v ∈ V } ⊂ W jest podprzestrzeni ˛a W (zwan ˛a obrazemf ), oraz je´sli układ v₁, . . . ,v_k rozpina V to układ

f (v₁), . . . ,f (v_k)rozpina f (V ).

4. Przekształcenie f jest ró˙znowarto´sciowe tylko wtedy, kiedy {v ∈ V : f (v ) = 0} = {0}

5.Je´sli f jestró˙znowarto ´sciowe i układ v₁, . . . ,v_k jest liniowo

Twierdzenie

je´sli wektory v₁, . . . ,vn tworz ˛a baz ˛e przestrzeni V , za´s wektory w₁, . . . ,wnstanowi ˛a dowolny układ n wektorów przestrzeni W to istnieje dokładnie jedno przekształcenie liniowe f : V → W spełniaj ˛ace równo´sci f (v_i) =w_i dla i = 1, . . . , n.

Przykład

Niech przekształcenie liniowe f : R²→ R³b ˛edzie zadane warunkami f ((0, 1)) = (2, 1, 1) oraz f ((1, 2)) = (5, 4, 3).

Wówczas:

f ((1, 0)) = f ((1, 2) − 2(0, 1)) = (5, 4, 3) − 2(2, 1, 1) = (1, 2, 1). St ˛ad f ((x₁,x₂)) =f (x₁(1, 0) + x₂(0, 1)) = x₁f ((1, 0)) + x₂f ((0, 1)) = x₁(1, 2, 1) + x₂(2, 1, 1) = (x₁+2x₂,2x₁+x₂,x₁+x₂)

Twierdzenie

je´sli wektory v₁, . . . ,vn tworz ˛a baz ˛e przestrzeni V , za´s wektory w₁, . . . ,wnstanowi ˛a dowolny układ n wektorów przestrzeni W to istnieje dokładnie jedno przekształcenie liniowe f : V → W spełniaj ˛ace równo´sci f (v_i) =w_i dla i = 1, . . . , n.

Przykład

Niech przekształcenie liniowe f : R²→ R³b ˛edzie zadane warunkami f ((0, 1)) = (2, 1, 1) oraz f ((1, 2)) = (5, 4, 3).

Wówczas:

f ((1, 0)) = f ((1, 2) − 2(0, 1)) = (5, 4, 3) − 2(2, 1, 1) = (1, 2, 1). St ˛ad f ((x₁,x₂)) =f (x₁(1, 0) + x₂(0, 1)) = x₁f ((1, 0)) + x₂f ((0, 1)) = x₁(1, 2, 1) + x₂(2, 1, 1) = (x₁+2x₂,2x₁+x₂,x₁+x₂)

Twierdzenie

je´sli wektory v₁, . . . ,vn tworz ˛a baz ˛e przestrzeni V , za´s wektory w₁, . . . ,wnstanowi ˛a dowolny układ n wektorów przestrzeni W to istnieje dokładnie jedno przekształcenie liniowe f : V → W spełniaj ˛ace równo´sci f (v_i) =w_i dla i = 1, . . . , n.

Przykład

Niech przekształcenie liniowe f : R²→ R³b ˛edzie zadane warunkami f ((0, 1)) = (2, 1, 1) oraz f ((1, 2)) = (5, 4, 3).

Wówczas:

f ((1, 0)) = f ((1, 2) − 2(0, 1)) = (5, 4, 3) − 2(2, 1, 1) = (1, 2, 1).

St ˛ad f ((x₁,x₂)) =f (x₁(1, 0) + x₂(0, 1)) = x₁f ((1, 0)) + x₂f ((0, 1)) = x₁(1, 2, 1) + x₂(2, 1, 1) = (x₁+2x₂,2x₁+x₂,x₁+x₂)

Twierdzenie

je´sli wektory v₁, . . . ,vn tworz ˛a baz ˛e przestrzeni V , za´s wektory w₁, . . . ,wnstanowi ˛a dowolny układ n wektorów przestrzeni W to istnieje dokładnie jedno przekształcenie liniowe f : V → W spełniaj ˛ace równo´sci f (v_i) =w_i dla i = 1, . . . , n.

Przykład

Niech przekształcenie liniowe f : R²→ R³b ˛edzie zadane warunkami f ((0, 1)) = (2, 1, 1) oraz f ((1, 2)) = (5, 4, 3).

Wówczas:

f ((1, 0)) = f ((1, 2) − 2(0, 1)) = (5, 4, 3) − 2(2, 1, 1) = (1, 2, 1).

St ˛ad f ((x₁,x₂)) =f (x₁(1, 0) + x₂(0, 1)) = x₁f ((1, 0)) + x₂f ((0, 1)) = x₁(1, 2, 1) + x₂(2, 1, 1) = (x₁+2x₂,2x₁+x₂,x₁+x₂)

Macierz przekształcenia liniowego

Oznaczenie: M_m×n= zbiór wszystkich macierzy o m wierszach i n kolumnach

Definicja

Niech V , W b ˛ed ˛a przestrzeniami liniowymi, za´s układy A = (v₁, . . . ,v_n) oraz B = (w₁, . . . ,wm)odpowiednio bazami V i W .Macierz ˛a

przekształcenia liniowegof : V → W w bazach A, B nazywamy tak ˛a macierz A = [a_ij] ∈M_m×n(R), ˙ze spełnione s ˛a równo´sci

f (v_j) =Pm

i=1a_ijw_i dla j = 1, . . . , n (tzn. w j-tej kolumnie macierzy A stoj ˛a współrz ˛edne wektora f (v_j)w bazie B). Macierz tak ˛a oznaczamy M(f )^B_A

Przykład

f : R³→ R²okre´slono wzorem

f ((x₁,x₂,x₃)) = (2x₁+x₂− x₃,x₁− x₂+x₃).

Układ A = ((1, 0, 1), (0, 1, 2), (2, 1, 0)) jest baz ˛a R³, za´s układ B = ((0, 1), (1, 1)) baz ˛a R².

Mamy f ((1, 0, 1)) = (1, 2) = 1(0, 1) + 1(1, 1), f ((0, 1, 2)) = (−1, 1) = 2(0, 1) − 1(1, 1),

f ((2, 1, 0)) = (5, 1) = −4(0, 1) + 5(1, 1). Zatem

M(f )^B_A=

 1 2 −4

1 −1 5



Oznaczenie: baz ˛e Rⁿzło˙zon ˛a z wektorów jednostkowych ε₁, . . . , ε_n b ˛edziemy nazywa´c baz ˛astandardow ˛ai oznacza´c st. Niech f b ˛edzie takie jak wy˙zej. Mamy f (ε₁) =f ((1, 0, 0)) = (2, 1),

f (ε₂) =f ((0, 1, 0)) = (1, −1), f (ε₃) =f ((0, 0, 1)) = (−1, 1). Zatem M(f )^st_st =

 2 1 −1

1 −1 1



Przykład

f : R³→ R²okre´slono wzorem

f ((x₁,x₂,x₃)) = (2x₁+x₂− x₃,x₁− x₂+x₃). Układ A = ((1, 0, 1), (0, 1, 2), (2, 1, 0)) jest baz ˛a R³, za´s układ B = ((0, 1), (1, 1)) baz ˛a R².

Mamy f ((1, 0, 1)) = (1, 2) = 1(0, 1) + 1(1, 1), f ((0, 1, 2)) = (−1, 1) = 2(0, 1) − 1(1, 1),

f ((2, 1, 0)) = (5, 1) = −4(0, 1) + 5(1, 1). Zatem

M(f )^B_A=

 1 2 −4

1 −1 5



Oznaczenie: baz ˛e Rⁿzło˙zon ˛a z wektorów jednostkowych ε₁, . . . , ε_n b ˛edziemy nazywa´c baz ˛astandardow ˛ai oznacza´c st. Niech f b ˛edzie takie jak wy˙zej. Mamy f (ε₁) =f ((1, 0, 0)) = (2, 1),

f (ε₂) =f ((0, 1, 0)) = (1, −1), f (ε₃) =f ((0, 0, 1)) = (−1, 1). Zatem M(f )^st_st =

 2 1 −1

1 −1 1



Przykład

f : R³→ R²okre´slono wzorem

f ((x₁,x₂,x₃)) = (2x₁+x₂− x₃,x₁− x₂+x₃). Układ A = ((1, 0, 1), (0, 1, 2), (2, 1, 0)) jest baz ˛a R³, za´s układ B = ((0, 1), (1, 1)) baz ˛a R².

Mamy f ((1, 0, 1)) = (1, 2) = 1(0, 1) + 1(1, 1), f ((0, 1, 2)) = (−1, 1) = 2(0, 1) − 1(1, 1),

f ((2, 1, 0)) = (5, 1) = −4(0, 1) + 5(1, 1). Zatem

M(f )^B_A=

 1 2 −4

1 −1 5



Oznaczenie: baz ˛e Rⁿzło˙zon ˛a z wektorów jednostkowych ε₁, . . . , ε_n b ˛edziemy nazywa´c baz ˛astandardow ˛ai oznacza´c st. Niech f b ˛edzie takie jak wy˙zej. Mamy f (ε₁) =f ((1, 0, 0)) = (2, 1),

f (ε₂) =f ((0, 1, 0)) = (1, −1), f (ε₃) =f ((0, 0, 1)) = (−1, 1). Zatem M(f )^st_st =

 2 1 −1

1 −1 1



Przykład

f : R³→ R²okre´slono wzorem

f ((x₁,x₂,x₃)) = (2x₁+x₂− x₃,x₁− x₂+x₃). Układ A = ((1, 0, 1), (0, 1, 2), (2, 1, 0)) jest baz ˛a R³, za´s układ B = ((0, 1), (1, 1)) baz ˛a R².

Mamy f ((1, 0, 1)) = (1, 2) = 1(0, 1) + 1(1, 1), f ((0, 1, 2)) = (−1, 1) = 2(0, 1) − 1(1, 1),

f ((2, 1, 0)) = (5, 1) = −4(0, 1) + 5(1, 1). Zatem

M(f )^B_A=

 1 2 −4

1 −1 5



Oznaczenie: baz ˛e Rⁿzło˙zon ˛a z wektorów jednostkowych ε₁, . . . , εn

b ˛edziemy nazywa´c baz ˛astandardow ˛ai oznacza´c st. Niech f b ˛edzie takie jak wy˙zej. Mamy f (ε₁) =f ((1, 0, 0)) = (2, 1),

f (ε₂) =f ((0, 1, 0)) = (1, −1), f (ε₃) =f ((0, 0, 1)) = (−1, 1). Zatem M(f )^st_st =

 2 1 −1

1 −1 1



Rz ˛ ad macierzy

Definicja

Niech macierz A ∈ M_n×m(R) składa si ˛e z kolumn k1, . . . ,k_m. wymiar przestrzeni lin(k₁, . . . ,k_m) ⊂ Rⁿ nazywamy rz ˛edem A i oznaczamy r (A).

Uwaga Rz ˛ad macierzy A jest zatem równy liczno´sci maksymalnego układu liniowo niezale˙znego, utworzonego z kolumn A, a wi ˛ec równy liczbie wierszy niezerowych macierzy schodkowej A⁰powstałej z A przez zastosowanie operacji wierszowych.

Twierdzenie

Niech f : V → W b ˛edzie przekształceniem liniowym przestrzeni V w przestrze ´n W . Wówczas rz ˛ad macierzy M(f )^C_B nie zale˙zy od wyboru baz B w V i C w W i jest równy dim f (V )