I Algebra liniowa z geometrią 1

Rozdział 6 Odwzorowania liniowe

SŁOWA KLUCZOWE ROZDZIAŁU odwzorowanie liniowe macierz jako odwzorowanie liniowe rzut prostopadły na prostą symetria względem prostej obrót przestrzeń wektorowa odwzorowań liniowych jądro i obraz mono-epi-izo formuła wymiaru Dwie podstawowe podprzestrzenie: jądro i obraz.
Definicja 6.1.

Odwzorowanie liniowe

Niech V, W będą przestrzeniami wektorowymi nad tym samym ciałem 𝔽. Odwzorowanie L:VW nazywamy odwzorowaniem liniowym, jeśli zachodzą warunki

  • (L1)

    (addytywność)

    L(v1+v2)=L(v1)+L(v2),v1,v2V,
  • (L2)

    (jednorodność)

    L(tv)=tL(v),t𝔽,vV.
Wniosek 6.1.

Jeśli L:VW jest odwzorowaniem liniowym, to L(0)=0.

Dowód.

Teza zachodzi, bo L(0)=L(0+0)=L(0)+L(0), więc L(0)=0. ∎

Przykład 6.1.

Odwzorowanie L:xx+1 nie jest odwzorowaniem liniowym, bo L(0)=10.

Przykład 6.2.

Odwzorowanie L:xx2 nie jest odwzorowaniem liniowym pomimo, że L(0)=0. Nie spełnia ono żadnego z warunków (L1)-(L2). Rzeczywiście, L(x+y)=(x+y)2 oraz L(x)+L(y)=x2+y2 i równość (x+y)2=x2+y2 nie zachodzi dla wszystkich liczb rzeczywistych. Podobnie, L(tx)=t2x2, a tL(x)=tx2.

Przykład 6.3.

Pokażemy, że jeśli L: jest liniowe, to istnieje taka liczba rzeczywista a, że L(x)=ax. Rzeczywiście,

L(x)=L(x1)=xL(1),

więc wystarczy przyjąć, że a=L(1).

ODWZOROWANIE LINIOWE ZADANE MACIERZĄ Rozważmy macierz A=[a1an]Mk×n(𝔽) i wektor x=[x1,,xn]T𝔽n. Definiujemy Ax =[a11a1nak1akn][x1xn] :=[x1a11++xna1nx1ak1++xnakn] =x1a1++xnan𝔽k. Możemy określić odwzorowanie LA:𝔽n𝔽k przez LA(x):=Ax. Jest to odwzorowanie liniowe, bo jak łatwo sprawdzamy A(x+y)=Ax+Ay,A(tx)=tAx.
Przykład 6.4.

Odwzorowanie

L:2[x1,x2]T[3x1-2x2,x1+4x2,x1+x2]T3

jest liniowe, bo L=LA (jest ono zadane macierzą A) dla

A=[3-21411].

Zauważmy, że A=[L(e1)L(e2)].

Przykład 6.5 (Rzut prostopadły na prostą w R2).

Niech u=[u1,u2]T2 będzie niezerowym wektorem. Rozważmy odwzorowanie P:22 dane wzorem

P(v)=(v|u)(u|u)u.

Jest to rzut prostopadły na prostą generowaną przez wektor u. Zauważmy, że

P(e1)=1u12+u22[u12u1u2],P(e2)=1u12+u22[u1u2u22].

Rozważmy macierz

A=1u12+u22[u12u1u2u1u2u22].

Wtedy P(v)=LAv. Zauważmy, że dla wektora jednostkowego u=[cosθ,sinθ]T mamy

A=[cos2θsinθcosθsinθcosθsin2θ]=[cosθsinθ][cosθsinθ]iloczyn macierzy.
Przykład 6.6 (Symetria względem prostej na płaszczyźnie).
Rysunek 6.1: Symetria S względem prostej l. Jeśli P jest rzutem prostopadłym na prostą l, to S(v)+v=2P(v).

Załóżmy, że prosta l tworzy z osią x kąt θ. Znajdziemy macierz MS symetrii S względem prostej l. Wektor u=[cosθ,sinθ]T jest wektorem jednostkowym na prostej l. Niech MP będzie macierzą rzutu prostopadłego P na prostą l. Sprawdzamy łatwo, że

S+I=2P,

czyli S=2P-I. Stąd

MS =2MP-I
=[2cos2θ-12sinθcosθ2sinθcosθ2sin2θ-1]
=[cos2θsin2θsin2θ-cos2θ].
Rysunek 6.2: Obrazy kwadratu jednostkowego pod wpływem macierzy A.
  • 𝗧𝗘𝗦𝗧

    Rysunek 6.2 przedstawia obrazy kwadratu jednostkowego rozpiętego na wektorach bazowych e1,e2 pod wpływem działania macierzy AM2×2(). Dopasować poniższe macierze z odpowiednim obrazkiem:

    • A=[1a01] z 0<a<1,

    • A=[10a1] z 0<a<1,

    • jednokładność: A=[a00a] z 0<a<1,

    • jednokładność: A=[a00a] z 1<a,

    • symetria względem osi x: A=[100-1],

    • obrót: A=[cosθ-sinθsinθcosθ]

    • symetria względem punktu 0: A=[-100-1],

    • symetria względem prostej nachylonej do osi x pod kątem θ: A=[cos2θsin2θsin2θ-cos2θ],

    • A=[a-bba] z a,b>0,

    • rzutowanie na oś x: A=[1000],

    • rzutowanie na oś x: A=[0001],

    Przeanalizować jak zmienia się pole obrazu kwadratu jednostkowego przez A w zależności od wyznacznika macierzy A.

6.1 Przestrzeń wektorowa odwzorowań liniowych

Definicja 6.2.

Przestrzeń wektorowa odwzorowań liniowych

Niech V,WVekt𝔽. Definiujemy zbiór

(V,W)={L:VW:L𝗃𝖾𝗌𝗍𝗅𝗂𝗇𝗂𝗈𝗐𝖾}.

Wprowadzimy w zbiorze (V,W) strukturę przestrzeni wektorowej nad cialem 𝔽. Dla L,G(V,W) oraz t𝔽 definiujemy:

(L+G)(v):=L(v)+G(v),(tL)(v):=tL(v),vV

Tak określona trójka ((V,W),+,) jest przestrzenią wektorową nad ciałem 𝔽.

  • U

    Załóżmy, że v1,,vn jest bazą przestrzeni wektorowej V i L:VW jest odwzorowaniem liniowym. Dla dowolnego vV istnieją jednoznacznie wyznaczone takie skalary x1,,xn, że v=x1v1++xnvn. Wtedy z liniowości L otrzymujemy, że

    L(v) =L(x1v1++xnvn)
    =L(x1v1)++L(xnvn)
    =x1L(v1)++xnL(vn),

    czyli

    L(v)=x1L(v1)++xnL(vn). (6.1)

    Równość (6.1) oznacza, że odwzorowanie L jest jednoznacznie wyznaczone przez swoje wartości L(v1),,L(vn) na dowolnej bazie przestrzeni V. Jest to bardzo przyjemna własność odwzorowań liniowych: wystarczy znać skończoną liczbę wartości, aby znać całe odwzorowanie.

Wniosek 6.2.

Niech v1,,vn będzie bazą przestrzeni wektorowej V. Dla dowolnych wektorów w1,,wnW istnieje dokładnie jedno takie odwzorowanie liniowe L:VW, że

L(v1)=w1,,L(vn)=wn.

W szczególności, jeśli L,GL(V,W) są takie, że

L(v1)=G(v1),,L(vn)=G(vn),

to L=G.

Dowód.

Pokażemy najpierw, że takie odwzorowanie liniowe L istnieje. Wektor vV zapisujemy jednoznacznie w bazie v1,,vn jako kombinację liniową v=x1v1++xnvn. Definiujemy odwzorowanie L:VW przez

L(v)=x1L(v1)++xnL(vn):=x1w1++xnwn.

Tak zdefiniowane L jest oczywiście liniowe. Jeśli, L:VW jest innym odwzorowaniem liniowym spełniającym tezę, to

L(v) =L(x1v1++xnvn)
=L(x1v1)++L(xnvn)
=x1L(v1)++xnL(vn)
=x1w1++xnwn=L(v).

Lemat 6.1.

Jeśli L:VW i G:WZ są odwzorowaniami liniowymi, to GL:VZ jest również liniowe.

Dowód.

Warunek (L1) zachodzi, bo dla v1,v2V mamy

(GL)(v1+v2) =G(L(v1+v2))
=G(L(v1)+L(v2))
=G(L(v1))+G(L(v2))
=(GL)(v1)+(GL)(v2).
Podobnie,
(GL)(tv) =G(L(tv))
=G(tL(v))
=tG(L(v))
=t(GL)(v).

6.2 Jądro i obraz odwzorowania liniowego

Definicja 6.3.

Jądro odwzorowania liniowego

Jądro odwzorowania liniowego L:VW definiujemy jako

kerL:={vV:L(v)=0}=L-1({0}).
Wniosek 6.3.

Jeśli L:VW jest odwzorowaniem liniowym, to kerL jest podprzestrzenią przestrzeni wektorowej V.

Dowód.

Ponieważ L(0)=0, więc 0kerL, czyli zachodzi warunek (P1). Jeśli v,wkerL, to

L(v+w) =L(v)+L(w)
=0+0=0,

więc v+wkerL, czyli spełniony jest warunek (P2). Dla t𝔽 i vkerL, to

L(tv) =tL(v)
=t0=0,

czyli zachodzi warunek (P3). ∎

Przykład 6.7.

Rozważmy płaszczyznę P o równaniu 3x1-x2+2x3=0 w 3. Ponieważ odwzorowanie

L:3[x1,x2,x3]T3x1-x2+2x3

jest liniowe oraz P=kerL, więc P jest podprzestrzenią wektorową w 3.

Definicja 6.4.

Obraz odwzorowania liniowego

Obraz odwzorowania liniowego L:VW to zbiór

imL:=L(V)={L(v):vV}W.
Wniosek 6.4.

Jeśli L:VW jest odwzorowaniem liniowym, to jego obraz L(V) jest podprzestrzenią wektorową w W.

Dowód.

Ponieważ L(0)=0, więc 0L(V). Niech w1,w2L(W). Wtedy istnieją takie v1,v2V, że

L(v1)=w2,L(v2)=w2.

Stąd

w1+w2 =L(v1)+L(v2)
=L(v1+v2),

czyli w1+w2L(V). Jeśli t𝔽 i wL(V), to istnieje taki wektor vV, że L(v)=w. Stąd

tw =tL(v)
=L(tv),

czyli twL(V). ∎

Przykład 6.8.

Zbiór

S={[x1+x2,2x1-3x2,-x1+4x2,x2]T4:x1,x2}

jest podprzestrzenią wektorową w 4, bo jest on obrazem odwzorowania liniowego

L:2[x1,x2]T[x1+x2,2x1-3x2,-x1+4x2,x2]T4.

6.3 Mono-Epi-Izo. Formuła wymiaru

Definicja 6.5.

Monomorfizm-epimorfizm-izomorfizm

Niech L:VW będzie odwzorowaniem liniowy. Mówimy, że

  • (i)

    L jest monomorfizmem, gdy L jest różnowartościowe (injekcją),

  • (ii)

    L jest epimorfizmem, gdy W=L(V), czyli L jest surjekcją,

  • (iii)

    L jest izomorfizmem, gdy L jest bijekcją, czyli jest zarówno monomorfizmem jak i epimorfizmem.

  • U

    Możecie zapytać dlaczego wprowadzamy nowe nazwy monomorfizm, epimorfizm, izomorfizm na znane nam z teorii mnogości pojęcia injekcja, surjekcja, bijekcja. Odpowiedź jest prosta. Robimy to dla wygody. Przykładowo, stwierdzenie L:VW jest monomorfizmem niesie w sobie więcej treści niże samo stwierdzenie, że L jest odwzorowaniem różnowartościowym. Zamiast krótkiego L:VW jest monomorfizmem powinniśmy powiedzieć: L:VW jest odwzorowaniem liniowym przestrzeni wektorowych i jest różnowartościowe. Monomorfizm oznacza więc różnowartościowość, ale jednocześnie liniowość odwzorowania.

    Wiele problemów matematycznych da się sprowadzić do zagadnienia istnienia i jednoznaczności rozwiązań równania

    L(x)=y,

    gdzie L:VW jest odwzorowaniem i yW. Różnowartościowość L oznacza, że przy ustalonym y istnieje co najwyżej jedno rozwiązanie x. Z drugiej strony, surjektywność gwarantuje, że dla dowolnego yW istnieje pewne rozwiązanie xV. Połączenie tych warunków, czyli bijektywność L oznacza, że dla dowolnego yW istnieje dokładnie jeden taki xV, że L(x)=y.

Lemat 6.2.

L:VW jest monomorfizmem wtedy i tylko wtedy, gdy kerL={0}.

Dowód.

Niech L będzie monomorfizmem. Jeśli vkerL, to L(0)=0=L(v), czyli v=0. Oznacza to, że kerL={0}. Załóżmy teraz, że kerL={0}. Jeśli v,wV oraz L(v)=L(w), to z liniowości L mamy

0=L(v)-L(w)=L(v-w),

czyli v-wkerL, więc v-w=0. ∎

Lemat 6.3.

Jeśli L:VW jest monomorfizmem i v1,,vnV są liniowo niezależne, to wektory

L(v1),,L(vn)

są liniowo niezależne.

Dowód.

Załóżmy, że x1L(v1)++xnL(vn)=0 dla pewnych skalarów xi𝔽. Wtedy

0 =L(x1v1++xnvn),
czyli
x1v1++xnvnkerL={0},
więc
x1v1++xnvn=0.

Ponieważ v1,,vnV są liniowo niezależne, więc x1==xn=0. ∎

Lemat 6.4.

Jeśli L:VW jest epimorfizmem i V=span{v1,,vn}, to W=span{L(v1),,L(vn)}.

Dowód.

Niech wW. Ponieważ L jest epimorfizmem, więc istnieje taki wektor vV, że L(v)=w. Z założenia V=span{v1,,vn}, więc v=x1v1++xnvn dla pewnych xi𝔽. Wtedy

w =L(v)
=L(x1v1++xnvn)
=x1L(v1)++xnL(vn),

czyli wspan{L(v1),,L(vn)}. ∎

Wniosek 6.5.

Jeśli L:VW jest izomorfizmem liniowym i v1,,vnV jest bazą V, to L(v1),,L(vn) jest bazą W.

Wniosek 6.6.

Niech L:VW będzie odwzorowaniem liniowym i dimV=n. Następujące warunki są równoważne:

  • (i)

    L:VW jest izomorfizmem,

  • (ii)

    dla każdej bazy v1,,vn w V, wektory L(v1),,L(vn) tworzą bazę w W,

  • (iii)

    istnieje taka baza v1,,vn w V, że wektory L(v1),,L(vn) tworzą bazę w W.

Wniosek 6.7.

Jeśli odwzorowanie L:VW jest liniowe i dimV<, to dimL(V)dimV<.

Dowód.

Zauważmy, że odwzorowanie liniowe

L:VL(V)

jest epimorfizmem, więc jeśli v1,,vn jest bazą dla V, to

L(V)=span{L(v1),,L(vn)}.

  • U

    Jeśli L:VW jest izomorfizmem liniowym, to odwzorowanie odwrotne L-1:WV jest również liniowe. Rzeczywiście, niech w1,w2W. Musimy uzasadnić, że L-1(w1+w2)=L-1(w1)+L-1(w2). Niech v1=L-1(w1) i v2=L-1(w2). Z liniowości L mamy

    w1+w2=L(v1)+L(v2)=L(v1+v2),

    czyli v1+v2=L-1(w1+w2).

    Analogicznie uzasadniamy, że L-1(tw)=tL-1(w). Niech v=L-1(w). Wtedy

    L(tv)=tL(v)=tw,

    czyli tL-1(w)=tv=L-1(tw).

Wniosek 6.8.

Niech L:VV będzie odwzorowaniem liniowym i dimV<. Wtedy następujące warunki są równoważne

  • (1)

    L jest monomorfizmem,

  • (2)

    L jest epimorfizmem,

  • (3)

    L jest izomorfizmem.

Rysunek 6.3: Wybór bazy v1,,vn w V zadaje izomorfizm z 𝔽n. Wektorowi v=c1v1++cnvn przypisujemy wektor [c1,,cn]T jego współrzędnych.
Twierdzenie 6.1.

Niech VVektF. Jeśli dimFV=n<, to V jest izomorficzna z Fn.

Dowód.

Niech v1,,vn będzie bazą dla V, a e1,,en bazą standardową w 𝔽n. Definiujemy odwzorowanie liniowe L:V𝔽n zadając jego wartości na bazie:

L(v1)=e1,,L(vn)=en.

Wniosek 6.9.

Jeśli V,WVektF są skończenie wymiarowe, to V jest izomorficzna z W wtedy i tylko wtedy, gdy dimV=dimW.

Dowód.

Jeśli dimV=dimW=n, to V i W są izomorficzne, gdyż obydwie są izomorficzne z 𝔽n. Z drugiej strony, jeśli V i W są izomorficzne, to mają taki sam wymiar, bo izomorfizm przekształca bijektywnie bazę na bazę. ∎

Twierdzenie 6.2 (Formuła wymiaru).

Załóżmy, że odwzorowanie L:VW jest liniowe i dimV<. Wtedy

dimV=dimkerL+dimImL.

Dowód.

Wybieramy bazę v1,,vp dla kerLV i rozszerzamy ją do bazy

v1,,vp,u1,,uq

dla V. Wtedy

p=dimkerL,p+q=dimV.

Mamy udowodnić, że q=dimL(V). Wystarczy pokazać, że wektory L(u1),,L(uq) tworzą bazę L(V). Pokażemy najpierw, że wektory L(u1),,L(uq) generują L(V). Niech wL(V). Istnieje więc taki wektor

v =c1v1++cpvp+x1u1++xquq,
że L(v)=w. Stąd
w =L(c1v1++cpvp+x1u1++xquq)
=c1L(v1)++cpL(vp)+x1L(u1)++xqL(uq)
=x1L(u1)++xqL(uq),

czyli wspan{L(u1),,L(uq)}.

Pokażemy teraz, że wektory L(u1),,L(uq) są liniowo niezależne. Przypuśćmy, że

0 =x1L(u1)++xqL(uq)
dla pewnych skalarów xi. Musimy pokazać, że
x1==xq=0.
Z liniowości L otrzymujemy, że
0 =L(x1u1++xquq),
czyli x1u1++xquqkerL. Stąd
x1u1++xquq
jest kombinacją liniową wektorów v1,,vp, czyli
x1u1++xquq=c1v1++cpvp
dla pewnych skalarów ci. Wtedy
x1u1++xquq-c1v1--cpvp=0,

więc x1==xq=c1==cp=0, bo v1,,vp,u1,,uq tworzą bazę V.

Przykład 6.9.

Rozważmy odwzorowanie liniowe L:2323 dane przez

L([x1,x2,x3]T)=[x1+x2,x3+x1,x2+x3]T.

Przestrzeń 23 składa się tylko z 8 wektorów, więc możemy wypisać wszystkie wartości L:

L([0,0,0]T)=L([1,1,1]T)=[0,0,0]T,
L([1,1,0]T)=L([0,0,1]T)=[0,1,1]T,
L([1,0,1]T=L([0,1,0]T)=[1,0,1]T,
L([0,1,1]T)=L([1,0,0]T)=[1,1,0]T.

Stąd,

kerL=span{[1,1,1]T}={[0,0,0]T,[1,1,1]T},
imL=span{[1,1,0]T,[1,0,1]T}={[1,1,0]T,[1,0,1]T,[1,1,0]T}.