第七章线性变换.ppt
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1、第七章 线性变换,7.1 线性映射7.2线性变换的运算7.3 线性变换和矩阵,7.4 不变子空间7.5 特征值和特征向量7.6 可以对角化矩阵,课外学习8:一类特殊矩阵的特征值,惠州学院数学系,当代数和几何结合成伴侣时,他们就相互吸取对方的新鲜活力,并迅速地趋于完美。-拉格朗日(Lagrange,1736-1813)数与形,本是相倚依,焉能分作两边飞。数缺形时少知觉,形少数时难入微。-华罗庚(19101985),惠州学院数学系,7.1 线性映射,一、内容分布 7.1.1 线性映射的定义、例. 7.1.2 线性变换的象与核.二、 教学目的: 1准确线性变换(线性映射)的定义,判断给定的法则是否是
2、一个线性变换(线性映射) 2正确理解线性变换的象与核的概念及相互间的联系,并能求给定线性变换的象与核三、 重点难点: 判断给定的法则是否是一个线性变换(线性映射),求给定线性变换的象与核,惠州学院数学系,7.1.1 线性映射的定义、例,设F是一个数域,V和W是F上向量空间.,定义1 设是V 到W 的一个映射. 如果下列条件被满足,就称是V 到W 的一个线性映射:对于任意 对于任意容易证明上面的两个条件等价于下面一个条件:对于任意 和任意,惠州学院数学系,在中取 ,对进行数学归纳,可以得到:(1)(2),例1 对于 的每一向量 定义 是 到 的一个映射,我们证明,是一个线性映射.,例2 令H是
3、中经过原点的一个平面.对于 的每一向量,令 表示向量在平面H上的正射影.根据射影的性质, 是 到 的一个线性映射.,惠州学院数学系,惠州学院数学系,例4 令V 和W是数域F 上向量空间.对于V 的每一向量令W 的零向量0与它对应,容易看出这是V 到W的一个线性映射,叫做零映射.,例5 令V是数域F上一个向量空间,取定F的一个数k,对于任意 定义容易验证,是V 到自身的一个线性映射,这样一个线性映射叫做V 的一个位似. 特别,取k = 1,那么对于每一 都有 这时就是V到V的恒等映射,或者叫做V的单位映射,如果取k = 0,那么就是V 到V的零映射.,惠州学院数学系,例6 取定F的一个n元数列
4、对于 的每一向量 规定 容易验证,是 到F的一个线性映射,这个线性映射也叫做F上一个n元线性函数或 上一个线性型.,例7 对于Fx 的每一多项式 f(x),令它的导数 与它对应,根据导数的基本性质,这样定义的映射是Fx到自身的一个线性映射.,惠州学院数学系,例8 令Ca, b是定义在a, b上一切连续实函数所成的R上向量空间,对于每一 规定 仍是a, b上一个连续实函数,根据积分的基本性质,是Ca, b到自身的一个线性映射.,惠州学院数学系,7.1.2 线性变换的象与核,定义2 设是向量空间V到W的一个线性映射, (1) 如果 那么 叫做 在之下的象.(2) 设 那么 叫做 在 之下的原象.,
5、定理7.1.1 设V 和W 是数域F 上向量空间,而 是一个线性映射,那么V 的任意子空间在之下的象是W 的一个子空间,而W 的任意子空间在之下的原象是V 的一个子空间.,惠州学院数学系,特别,向量空间V 在之下的象是W 的一个子空间,叫做的象, 记为 即另外,W 的零子空间 0 在之下的原象是V 的一个子空间,叫做的核,记为即,惠州学院数学系,定理7.1.2 设V和W是数域F向量空间,而是一个线性映射,那么(i) 是满射(ii) 是单射证明 论断(i)是显然的,我们只证论断(ii)如果是单射,那么ker()只能是含有唯一的零向量.反过来设ker() = 0. 如果 那么 从而 所以 即是单射
6、.,惠州学院数学系,如果线性映射 有逆映射 ,那么是W 到V 的一个线性映射. 建议同学给出证明.,惠州学院数学系,7.2 线性变换的运算,一、内容分布7.2.1 加法和数乘7.2.2线性变换的积7.2. 3线性变换的多项式二、 教学目的:掌握线性映射的加法、数乘和积定义,会做运算.掌握线性变换的多项式, 能够求出给定线性变换的多项式.三、 重点难点: 会做运算.,惠州学院数学系,7.2.1 加法和数乘,令V是数域F上一个向量空间,V到自身的一个线性映射叫做V 的一个线性变换.我们用L(V)表示向量空间和一切线性变换所成的集合,设定义: 加法: 数乘: , 那么是V的一个线性变换.可以证明:
7、和 都是V 的一个线性变换.,惠州学院数学系,所以 是V的一个线性变换,令 ,那么对于任意 和任意,所以k是V的一个线性变换.,惠州学院数学系,线性变换的加法满足变换律和结合律,容易证明,对于任意 ,以下等式成立:,(1),(2),令表示V到自身的零映射,称为V的零变换,它显然具有以下性质:对任意 有:,(3),设 的负变换指的是V到V的映射容易验证,也是V的线性变换,并且,(4),惠州学院数学系,线性变换的数乘满足下列算律:,这里k,l是F中任意数,,是V的任意线性变换.,定理7.2.1 L(V)对于加法和数乘来说作成数域F上一个向量空间.,惠州学院数学系,7.2.2线性变换的积,设 容易证
8、明合成映射 也是V上的线性变换,即 我们也把合成映射 叫做与的积,并且简记作 。除上面的性质外,还有:,对于任意 成立。,惠州学院数学系,证明 我们验证一下等式(9)其余等式可以类似地验证。设 我们有,因而(9)成立。,惠州学院数学系,7.2.3 线性变换的多项式,线性变换的乘法满足结合律:对于任意 都有,因此,我们可以合理地定义一个线性变换的n次幂,这里n是正整数。,我们再定义,这里表示V到V的单位映射,称为V的单位变换。这样一来,一个线性变换的任意非负整数幂有意义。,惠州学院数学系,这个线性变换叫做当 时f (x)的值,并且记作,(1)因为对于任意 我们也可将 简记作 ,这时可以写,惠州学
9、院数学系,(2)带入法:如果 并且,那么根据L(V )中运算所满足的性质,我们有,惠州学院数学系,7.3 线性变换和矩阵,一、内容分布 7.3.1 线性变换的矩阵 7.3.2 坐标变换 7.3.3 矩阵唯一确定线性变换 7.3.4 线性变换在不同基下的矩阵相似矩阵二、教学目的: 1熟练地求出线性变换关于给定基的矩阵,以及给定n 阶矩阵和基,求出关于这个基矩阵为的线性变换 2由向量关于给定基的坐标,求出()关于这个基的坐标 3已知线性变换关于某个基的矩阵,熟练地求出关于另一个基的矩阵。三、重点难点: 线性变换和矩阵之间的相互转换, 坐标变换, 相似矩阵。,惠州学院数学系,7.3.1 线性变换的矩
10、阵,现在设V是数域F上一个n维向量空间,令是V的一个线性变换,取定V的一个基 令,惠州学院数学系,设,N 阶矩阵A 叫做线性变换关于基 的矩阵. 上面的表达常常写出更方便的形式:,(1),惠州学院数学系,7.3.2 坐标变换,设V是数域F上一个n 维向量空间, 是它的一个基, 关于这个基的坐标是 而()的坐标是 问: 和 之间有什么关系?,设,惠州学院数学系,因为是线性变换,所以,(2),将(1)代入(2)得,惠州学院数学系,最后,等式表明, 的坐标所组成的列是,综合上面所述, 我们得到坐标变换公式:,定理7.3.1 令V是数域F上一个n 维向量空间,是V的一个线性变换,而关于V的一个基 的矩
11、阵是,惠州学院数学系,如果V中向量关于这个基的坐标是 ,而()的坐标是 ,,那么,惠州学院数学系,例1 在空间 内取从原点引出的两个彼此正交的单位向量 作为 的基.令是将 的每一向量旋转角的一个旋转. 是 的一个线性变换.我们有,所以关于基 的矩阵是,设 ,它关于基 的坐标是 ,而 的坐标是 .那么,惠州学院数学系,7.3.3 矩阵唯一确定线性变换,引理7.3.2 设V是数域F上一个n 维向量空间, 是V的一个基,那么对于V 中任意n个向量 ,有且仅有 V 的一个线性变换,使得:,惠州学院数学系,我们证明,是V的一个线性变换。设,那么,于是,设 那么,惠州学院数学系,这就证明了是V的一个线性变
12、换。线性变换显然满足定理所要求的条件:,如果是V的一个线性变换,且,那么对于任意,从而 ,惠州学院数学系,定理7.3.3 设V 是数域 F 上一个n 维向量空间, 是V 的一个基,对于V 的每一个线性变换,令关于基 的矩阵A与它对应,这样就得到V 的全体线性变换所成的集合L(V)到F上全体n 阶矩阵所成的集合 的一个双射,并且如果 ,而 , 则 (3) (4),证 设线性变换关于基 的矩阵是A。那么 是 的一个映射。,惠州学院数学系,是F上任意一个n阶矩阵。令,由引理7.3.2,存在唯一的 使,反过来,设,显然关于基 的矩阵就是A. 这就证明了如上建立的映射是 的双射.,惠州学院数学系,设 我
13、们有,由于是线性变换, 所以,因此,所以关于基 的矩阵就是AB。(7)式成立,至于(6)式成立,是显然的。,惠州学院数学系,推论7.3.4 设数域F上n 维向量空间V 的一个线性变换关于V 的一个取定的基的矩阵是A,那么可逆必要且只要A可逆,并且 关于这个基的矩阵就是 .,惠州学院数学系,我们需要对上面的定理7.3.1和定理7.3.3的深刻意义加以说明:,1. 取定n 维向量空间V的一个基之后, 在映射: 之下, (作为线性空间),惠州学院数学系,研究一个抽象的线性变换, 就可以转化为研究一个具体的矩阵. 也就是说, 线性变换就是矩阵.以后,可以通过矩阵来研究线性变换,也可以通过线性变换来研究
14、矩阵.,2. 我们知道, 数域F上一个n 维向量空间V 同构于 , V上的线性变换,转化为 上一个具体的变换:,也就是说, 线性变换都具有上述形式.,惠州学院数学系,7.3.4 线性变换在不同基下的矩阵 相似矩阵,定义:设 A,B 是数域 F 上两个 n 阶矩阵. 如果存在F上一个 n 阶可逆矩阵 T 使等式成立,那么就说B与A相似,记作: .,n阶矩阵的相似关系具有下列性质:,1. 自反性:每一个n阶矩阵A都与它自己相似,因为2. 对称性:如果 ,那么 ;因为由,惠州学院数学系,事实上,由 得,设线性变换关于基 的矩阵是 A , 关于基 的矩阵是 B , 由基 到基 的过渡矩阵T, 即:,惠
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