I Algebra liniowa z geometrią 1

Rozdział 8 Reprezentacja macierzowa

SŁOWA KLUCZOWE ROZDZIAŁU macierz odwzorowania liniowego macierze podobne ślad iloczynu ślad macierzy podobnych Reprezentacja odwzorowania liniowego.

8.1 Macierz odwzorowania liniowego

Lemat 8.1.

Niech L:FnFm będzie odwzorowaniem liniowym. Istnieje taka macierz AMm×n(F), że

L(v)=Av,v𝔽n.

Ponadto,

A=[L(e1)L(en)].
Dowód.

Definiujemy wektory

ai=L(ei),i=1,,n

oraz macierz A:=[a1an]. Niech v=x1e1++xnen będzie dowolnym wektorem w 𝔽n. Wtedy

L(v) =x1L(e1)++xnL(en)
=x1a1++xnan
=Av.

Definicja 8.1.

Macierz standardowa odwzorowania liniowego

Niech L:𝔽n𝔽m będzie odwzorowaniem liniowym. Macierz

A=[L(e1)L(en)]

nazywamy macierzą odwzorowania liniowego L w bazach standardowych lub macierzą standardową L.

Przykład 8.1.

Niech L:32 będzie odwzorowaniem liniowym danym przez

L([x1,x2,x3]T)=[x1-x2+x3,2x2+3x3]T.

Wtedy

L([1,0,0]T)=[1,0]T,L([0,1,0]T)=[-1,2]T,L([0,0,1]T)=[1,3]T,

czyli macierz standardowa odwzorowania L jest równa

A=[1-11023].
  • U

    Załóżmy, że L:nm, G:mk. Niech AMm×n() będzie standardową reprezentacją macierzową dla L, a BMk×m() dla G. Wtedy BAMk×n() jest reprezentacją macierzową dla GL:nk. Rzeczywiście niech CMk×n() będzie macierzową reprezentacją odwzorowania GL:nk. Z definicji, C=[c1cn], gdzie ci=(GL)(ei) dla i=1,,n. Zauważmy, że

    ci =(GL)(ei)
    =G(L(ei))=G(ai)
    =G(a1ie1++amiem)
    =a1iG(e1)++amiG(em)
    =a1ib1++amibm=Bai,

    czyli ci jest i-tą kolumną macierzy BA.

Uogólnimy powyższą konstrukcję macierzy skojarzonej z odwzorowaniem liniowym. Niech V będzie przestrzenią wektorową wymiaru n i niech W będzie przestrzenią wektorową wymiaru m. Ustalmy bazę

v1,,vn

dla przestrzeni V oraz bazę

w1,,wm

dla przestrzeni W. Dla wektora

v=x1v1++xnvn

wektor

x=[x1,,xn]T𝔽n

zadaje współrzędne wektora v w bazie v1,,vn. Pokażemy, że istnieje (jedyna) taka macierz AMm×n(𝔽), że

Ax=y

wtedy i tylko wtedy, gdy

L(v)=y1w1+y2w2++ynwm

dla każdego vV, czyli y jest wektorem współrzędnych L(v) w bazie w1,,wm.

Istnieją wyznaczone jednoznacznie takie skalary aij, że

L(vj)=a1jw1+a2jw2++amjwm,1jn.

Wektor

aj=[a1j,a2j,,amj]T𝔽m,j=1,,n

zadaje współrzędne wektora L(vj) w bazie w1,,wm dla W.

Definicja 8.2.

Macierz odwzorowania liniowego

Macierz A=[a1an]Mm×n(𝔽) nazywamy macierzą odwzorowania liniowego L:VW w bazach v1,,vn dla V oraz w1,,wm dla W, jeśli

aj=[a1j,a2j,,amj]T𝔽m,

gdzie

L(vj)=a1jw1+a2jw2++amjwm,1jn.
Wniosek 8.1.

Niech x=[x1,,xn]TFn, y=[y1,,ym]TFm. Następujące warunki są równoważne:

  • (1)

    v=x1v1++xnvn i L(v)=y1w1++ymwm,

  • (2)

    Ax=y.

Dowód.

Wystarczy zauważyć, że

L(v) =L(x1v1++xnvn)
=j=1nxjL(vj)
=j=1nxj(i=1maijwi)
=i=1m(j=1naijxj)wi.

Wniosek 8.2.

Załóżmy, że v1,,vn jest bazą V i L:VV jest odwzorowaniem liniowym. Niech AMn×n(F) będzie macierzą odwzorowania L w bazie v1,,vn. Następujące warunki są równoważne

  • (1)

    v=x1v1++xnvn i L(v)=y1v1++xnvn,

  • (2)

    Ax=y.

Oznacza to, że macierz A przekształca współrzędne wektora v w bazie v1,,vn na współrzędne wektora L(v) w tej bazie.

  • U

    Zauważmy, że jeżeli v1,,vn oraz w1,wn są bazami przestrzeni V, to macierz przejścia S od bazy v1,,vn do bazy w1,wn jest macierzą odwzorowania identycznościowego na V w tych bazach.

  • U

    Popatrzmy na konstrukcję macierzy odwzorowania liniowego jeszcze trochę inaczej. Niech v1,,vn będzie bazą dla V oraz w1,,wm bazą dla W. Rozważmy izomorfizmy

    R:Vx1v1++xnvn[x1,,xn]Tn,
    S:Wy1v1++ymvm[y1,,ym]Tm,

    czyli przykładowo R(v) jest wektorem współrzędnych v w bazie v1,,vn.

    Dla odwzorowania liniowego L:VW możemy rozważyć odwzorowanie liniowe

    SLR-1:nm.

    Zobaczmy jak wygląda jego macierz w bazach standardowych. Mamy

    (SLR-1)(ei) =(SL)(vi)
    =S(L(vi)),

    czyli i-ta kolumna tej macierzy to współrzędne wektora L(vi) w bazie w1,,wn.

Przykład 8.2.

Niech P1 będzie przestrzenią wielomianów stopnia co najwyżej 1. Rozważmy odwzorowanie liniowe

L:P1a+bx(a+b)xP1.

Znajdziemy jego macierz A w bazie 1-x,1+x. Ponieważ

L(1-x)=0=0(1-x)+0(1+x),
L(1+x)=2x=(-1)(1-x)+1(1+x),

więc

A=[0-101].
Lemat 8.2.

Niech L:FnFm będzie odwzorowaniem liniowym. Jeśli

A=[a1an]

jest macierzą L w bazach u1,,un dla Fn i b1,,bm dla Fm, to

aj=B-1L(uj),j=1,,n

gdzie B=[b1bm].

Dowód.

Z definicji

L(uj)=a1jb1++amjbm=Baj.

Wniosek 8.3.

Niech L:RnRm będzie odwzorowaniem liniowym. Jeśli

A=[a1an]

jest macierzą L w bazach u1,,un dla Rn i b1,,bm dla Rm oraz B=[b1bm], to macierze [BL(u1)L(un)] i [IA] są wierszowo równoważne.

Dowód.

Macierze

[BL(u1)L(un)],B-1[BL(u1)L(un)]

są wierszowo równoważne. Teza zachodzi, bo

B-1[BL(u1)L(un)] =[IB-1L(u1)B-1L(un)]
=[IA].

Przykład 8.3.

Rozważmy odwzorowanie liniowe L:23 dane wzorem

L[x1,x2]T=[x2,x1+x2,x1-x2]T.

Znajdziemy jego reprezentację macierzową A w bazach u1=[1,2]T, u2=[3,1]T oraz

b1=[1,0,0]T,b2=[1,1,0]T,b3=[1,1,1]T.

Ponieważ L(u1)=[2,3,-1]T i L(u2)=[1,4,2]T, więc rozważamy macierz

[1112101134001-12].

Sprowadzamy ją łatwo (poprzez dozwolone operacje na wierszach) do postaci

[100-1-301042001-12].

czyli

A=[-1-342-12].

8.2 Macierze podobne

Rozważmy odwzorowanie liniowe L:𝔽2𝔽2. Reprezentacja macierzowa A dla L w bazie standardowej e1,e2 (w dziedzinie i przeciwdziedzinie) ma postać

A=[a1a2],a1=L(e1),a2=L(e2).

Rozważmy teraz inną bazę u1,u2 w 2. Znajdziemy reprezentację B odwzorowania L w tej bazie. W tym celu musimy znaleźć współrzędne wektorów L(u1) i L(u2) w bazie u1, u2, bo z definicji bij są zadane przez równości

L(u1)=b11u1+b21u2,L(u2)=b12u1+b22u2.

Współrzędne wektora L(u1) w bazie standardowej e1,e2 są równe

L(u1)=Au1.

Jak już wiemy jego współrzędne w bazie u1,u2 są dane przez

U-1Au1,U=[u1u2].

Analogicznie współrzędne wektora L(u2)=Au2 w bazie u1,u2 są równe U-1Au2. Z definicji reprezentacji macierzowej mamy

B=[U-1Au1U-1Au2].

Z kolei [U-1Au1U-1Au2]=U-1AU z definicji mnożenia macierzy, więc

B=U-1AU.
Twierdzenie 8.1 (Reprezentacja macierzowa w różnych bazach).

Załóżmy, że V jest przestrzenią wektorową wymiaru n oraz v1,,vn i w1,,wn są bazami V. Niech

  • L:VV będzie odwzorowaniem liniowym,

  • S będzie macierzą przejścia od bazy w1,,wn do bazy v1,,vn,

  • AMn×n(𝔽) będzie reprezentacją L w bazie v1,,vn,

  • BMn×n(𝔽) będzie reprezentacją L w bazie w1,,wn.

Wtedy

B=S-1AS.

Dowód.

Dla wektora x=[x1,,xn]T𝔽n rozważmy wektor

v=x1w1++xnwnV.

Z definicji macierzy przejścia S dla wektora y=Sxn mamy

v=y1v1++ynvn.

Ponadto, Ay zadaje współrzędne L(v) w bazie v1,,vn oraz Bx zadaje współrzędne L(v) w bazie w1,,wn. Stąd

S-1Ay=Bx,

czyli S-1ASx=Bx dla każdego x𝔽n, więc S-1AS=B.

Definicja 8.3.

Macierze podobne

Niech A,BMn×n(𝔽). Mówimy, że B jest podobna do A, jeśli istnieje taka macierz nieosobliwa SMn×n(𝔽), że

B=S-1AS.

Podobieństwo macierzy jest relacją równoważności w Mn×n(𝔽).

Wniosek 8.4 (Ślad iloczynu macierzy).

Dla dowolnych macierzy AMn×k(F) i BMk×n(F) mamy

tr(AB)=tr(BA).

W szczególności,

tr(A)=tr(S-1AS)

dla dowolnej macierzy nieosobliwej SMn×n(F) i AMn×n(F).

Dowód.

Ślad macierzy kwadratowej jest sumą wyrazów na głównej przekątnej. Z definicji iloczynu macierzy mamy

tr(AB) =j=1n(AB)jj=j=1n(a(j)T|bj)
=j=1n(i=1kajibij)
=j=1ni=1kajibij=i=1k(j=1nbijaji)
=i=1k(b(i)T|ai)=i=1k(BA)ii
=tr(BA).

Jeśli B=S-1AS, to

trB =tr(S-1A)S
=trS(S-1A)
=trA.

Pozwala to nam zdefiniować ślad odwzorowania liniowego L:VV przestrzeni skończenie wymiarowej V jako ślad macierzy A odwzorowania L w dowolnej bazie dla V.

  • U

    Przypuśćmy, że L:Mn×n(𝔽)𝔽 jest takim odwzorowaniem liniowym, że

    L(AB)=L(BA),A,B𝔽.

    Pokażemy, że istnieje taka λ𝔽, że

    L(A)=λtrA,AMn×n(𝔽).

    Niech Eji (i,j{1,,n}) będzie bazą standardową Mn×n(𝔽), czyli na przecięciu j-tego wiersza oraz i-tej kolumny jest 1, a pozostałe wyrazy są równe 0. Zauważmy, że

    ElkEji=δkjEli,i,j,k,l{1,,n}.

    Stąd dla ij mamy

    L(Eji) =L(EjjEji)
    =L(EjiEjj)
    =L(0)
    =0

    oraz

    L(Eii) =L(Ei1E1i)
    =L(E1iEi1)
    =L(E11).

    Dla λ=L(E11) mamy więc

    L(Eji)=δjiλ,i,j{1,,n}.

    Ponieważ dla A=[aji] mamy A=i,j=1najiEji, więc

    L(A) =i,j=1najiL(Eji)
    =i,j=1najiδjiλ
    =i=1naiiλ
    =λtrA.

Dowód poniższego twierdzenia jest bardzo podobny do dowodu Twierdzenia 8.1.

Twierdzenie 8.2.

Załóżmy, że

  • u1,,up i u1,,up są bazami przestrzeni wektorowej U,

  • v1,,vq i v1,,vq są bazami przestrzeni wektorowej V,

  • L:UV jest odwzorowaniem liniowym,

  • A jest macierzą L w bazach u1,,up i v1,,vq,

  • A jest macierzą L w bazach u1,,up i v1,,vq,

  • P jest macierzą przejścia od bazy u1,,up do bazy u1,,up,

  • Q jest macierzą przejścia od bazy v1,,vq do bazy v1,,vq.

Wtedy

A=Q-1AP.
  • 𝗧𝗘𝗦𝗧

    Oceń prawdziwość zdań:

    • Jeśli A i B są reprezentacjami odwzorowań liniowych L,G:nn w bazie standardowej, to istnieje taka macierz nieosobliwa S, że S-1AS=B.

    • Reprezentacją macierzową odwzorowania identycznościowego jest w dowolnej bazie macierz identycznościowa.

    • Odwzorowanie L:2[x,y]T[y,x+y]T2, to L ma w pewnej bazie reprezentację

      [1212].
    • Jeśli L:nn jest izomorfizmem i A jest jego reprezentacją w pewnej bazie, to A jest nieosobliwa.

8.3 Pouczający przykład

Zobrazujemy wprowadzone pojęcia na przykładzie przestrzeni i pewnej jej podprzestrzeni. Przypomnijmy, że

={(x1,x2,x3,):xi},

jest przestrzenią wektorową wszystkich ciągów o wyrazach rzeczywistych z działaniami

(x1,x2,x3,)+(y1,y2,y3,)=(x1+y1,x2+y2,x3+y3,),
t(x1,x2,x3,)=(tx1,tx2,tx3,).

Dla liczby naturalnej n1 definiujemy

n={(x1,x2,x3,):i>nxi=0}.

Są to podprzestrzenie wektorowe przestrzeni oraz

123

Odwzorowanie liniowe

Ln:n(x1,,xn,0,0,)[x1,,xn]Tn

jest izomorfizmem. W szczególności, dimn=n, czyli przestrzeń zawiera podprzestrzeń wymiaru n dla dowolnej liczby naturalnej.

Zbiór

0:=n=1n

jest również podprzestrzenią wektorową przestrzeni . Składa się ona z wszystkich ciągów, które mają tylko skończenie wiele niezerowych wyrazów. Naturalnie zdefiniowany nieskończony zbiór wektorów

e1,e2,e3,,en,0

składa się z wektorów liniowo niezależnych. Jest on bazą dla 0, ale nie jest bazą dla . Przestrzeń nie ma przeliczalnej bazy.

Dla niezerowej liczby rzeczywistej a{0} definiujemy ciąg xa przez

xa=(a,a2,a3,).

Uzasadnimy, że każdy skończony podzbiór zbioru (równolicznego z )

{xa:a{0}}

jest zbiorem wektorów liniowo niezależnych.

Rozważmy odwzorowanie liniowe (przesunięcie) σ: zdefiniowane wzorem

σ((x1,x2,x3,))=(x2,x3,x4,).

Zauważmy, że

σ(xa)=axa.

Niech a1,,an{0} będą różnymi liczbami rzeczywistymi. Pokażemy, że wektory xa1,,xan są liniowo niezależne. Przypuśćmy, że maksymalna liczba wektorów liniowo niezależnych spośród nich jest równa 1r<n. Możemy założyć, że xa1,,xar są liniowo niezależne. Z określenia r wynika, że xa1,,xar,xar+1 są liniowo zależne, czyli

xar+1=t1xa1++trxar

dla pewnych t1,,tr. Stąd

ar+1xar+1=σ(xar+1)=t1a1xa1++trarxar,

więc

0=t1(a1-ar+1)xa1++tr(ar-ar+1)xar.

Ponieważ xa1,,xar są liniowo niezależne oraz aiar+1, więc t1==tr=0. Prowadzi to do sprzeczności, bo xar+10.

Przyglądnijmy się jeszcze odwzorowaniu σ.

Rozważmy odwzorowanie liniowe σ0: zdefiniowane wzorem

σ0((x1,x2,x3,))=(0,x1,x2,x3,x4,).

Zauważmy, że

σσ0((x1,x2,x3,))=((x1,x2,x3,)),

czyli

σσ0=id.

W szczególności, σ jest epimorfizmem i σ0 jest monomorfizmem. Żadne z nich nie jest izomorfizmem. Jądro kerσ jest 1-wymiarowe, bo

kerσ=1.

Z drugiej strony, σ0 nie jest epimorfizmem, bo

1imσ0.

Zbadamy teraz jeszcze jedną podprzestrzeń wektorową przestrzeni . Powiemy, że ciąg

x=(x1,x2,x3,)

jest typu Fibonacciego, gdy

xn+1=xn-1+xn,n2.

Przypomnijmy, że klasyczny ciąg Fibonacciego

F=(F1,F2,F3,)=(0,1,1,2,3,5,8,13,)

otrzymujemy przyjmując x1=0 i x2=1.

Niech będzie zbiorem wszystkich ciągów typu Fibonacciego. Jest to podprzestrzeń wektorowa przestrzeni . Pokażemy, że jest ona izomorficzna z 2. Szukanym izomorfizmem jest odwzorowanie L:2 dane przez

L((x1,x2,x3,))=[x1,x2]T2.

Odwzorowanie odwrotne przypisuje wektorowi [x1,x2]T2 ciąg Fibonacciego o dwóch pierwszych wyrazach x1,x2.

Bazie standardowej e1=[1,0]T, e2=[0,1]T2 odpowiada przez izomorfizm L baza złożona z ciągów

F=(1,0,1,1,2,3,),F=(0,1,1,2,3,).

Ponadto, dla ciągu (x1,x2,x3,) mamy

(x1,x2,x3,)=x1F+x2F.

Zauważmy, że

σ(F)=F,F=σ(F)-F,

czyli

(x1,x2,x3,)=x1(σ(F)-F)+x2F

dla dowolnego ciągu x=(x1,x2,x3,). Rozważmy ciąg xk=σk(F) dla k1. Z definicji odwzorowania przesunięcia wynika, że n-ty wyraz ciągu xk jest równy

xnk=(σk(F))n=Fn+k.

Ponieważ

x1k=Fk+1,x2k=Fk+2,

więc

σk(F)=Fk+1(σ(F)-F)+Fk+2F,

czyli otrzymujemy równość

Fn+k=Fk+1(Fn+1-Fn)+Fk+2Fn.

Zastanówmy się teraz, czy w przestrzeni leży jakiś ciąg geometryczny (1,q,q2,q3,)? Sprawdzamy, że musi zachodzić warunek q2=q+1, czyli jest tak dla

q1=1+52,q2=1-52.

Ponieważ wektory [1,q1]T, [1,q2]T2 są liniowo niezależne, więc ciągi

x=(1,q1,q12,),y=(1,q2,q22,)

tworzą bazę dla . Zapiszmy ciąg Fibonacciego w tej bazie. Szukamy takich liczb rzeczywistych a,b, że

F=ax+by.

Liczby a,b spełniają układ równań

a+b=1,aq1+bq2=1.

Jego jedynym rozwiązaniem są

a=15,b=-15.

Ostatecznie

Fn=q1n-q2n5.