Как доказать линейность оператора

от admin

4.3.5 Линейный оператор и его матрица

Определение. Пусть даны два пространства и . Если по закону каждому вектору поставлен в соответствие вектор , то говорят, что задан оператор (функция, отображение), отображающий в и пишут .

Обозначение: ; – образ, – прообраз.

Определение. Если для любых и из и любых вещественных чисел и имеет место , то оператор называется линейным.

Произвольные отображения линейных пространств изучаются в курсе математического анализа. В курсе линейной алгебры изучаются лишь линейные отображения.

Пример 6. Оператор действует из в по закону , где , и – фиксированный вектор, например, . Оператор переводит вектор из в другой вектор из . Докажем, что он линейный: . Здесь воспользовались свойствами векторного произведения.

Пример 7. Линеен ли оператор , где произвольный вектор, а вектор – фиксированный?

Решение. , так как , . Следовательно, оператор – нелинейный.

Пусть даны два пространства и и оператор , действующий из в . Пусть в есть базис , а в – базис .

Подействовав оператором на базисные векторы пространства , получим векторы из , которые можно разложить по базису с коэффициентами линейных комбинаций :

Строим матрицу таким образом, чтобы в ее столбцах стояли координаты образов базисных векторов пространства относительно базисных векторов пространства :

.

Матрица называется матрицей линейного оператора , действующего из в . Таким образом, если оператор , то матрица этого оператора имеет размер , то есть у нее строк и столбцов.

Замечание. Если в и выбрать другие базисы, то в этих базисах матрица линейного оператора будет иметь другой вид.

Из определения матрицы линейного оператора следует, что, зная закон (оператор), по которому вектору сопоставляется вектор , можно построить матрицу, и наоборот, любой матрице соответствует некоторый линейный оператор.

Пример 8. Построить матрицу линейного оператора, действующего из в по закону , где векторы и заданы относительно канонического базиса.

Решение. Подействуем оператором на базисные векторы :

;

;

.

Таким, образом, – искомая матрица.

Пример 9. Пусть в выбран базис , , , а в выбран базис , . Найти матрицу линейного оператора, действующего из в по закону , где .

Решение. ; ;

; .

Пример 10. Дана матрица . Найти линейный оператор (закон, по которому действует оператор).

Решение. Матрица – это матрица линейного оператора, действующего из в . Пусть в базис , в базис . Так как в столбцах матрицы стоят координаты векторов относительно базиса , то

(1)

Пусть произвольный вектор из , где – координаты этого вектора в базисе , тогда . Действуя оператором на вектор и учитывая линейность оператора, получим: .

Учитывая (1), имеем:

.

Таким образом, оператор действует по закону

.

Зная матрицу оператора , результат его действия на вектор можно найти в матричной форме. Пусть известна матрица оператора размера с элементами . В этом случае оператор с такой матрицей действует из в . Если – любой вектор из , то результат действия оператора на вектор можно найти по формуле:

,

Где – координаты вектора .

Пример 11. Операторы и действуют в пространстве по законам , , где ; ( – скалярное произведение векторов и ). Найти координаты вектора в каноническом базисе.

Решение. Координаты вектора можно найти двумя способами:

А) найдем матрицу .

Строим матрицу в каноническом базисе:

; ;

.

.

Строим матрицу в каноническом базисе:

; ;

.

;

.

.

Этот способ решения называется матричным;

Б) операторный способ.

. Подействуем оператором на вектор :

, теперь на полученный вектор подействуем оператором :

.

Для самостоятельной работы.

1. Оператор действует по закону:

.

Найти его матрицу в каноническом базисе.

Ответ: .

2. Оператор действует в плоскости и осуществляет зеркальное отражение относительно прямой . Доказать, что он линейный и найти его матрицу в каноническом базисе.

Ответ: .

3. Дана матрица .

А) Найти оператор, матрицей которого является матрица .

Б) Найти образ вектора .

Ответ: .

Глава III. Линейные операторы

3.1. Определение и примеры линейных операторов. Матрица линейного оператора

Пусть задано отображение A : L 1 → L 2 из линейного пространства L 1 в линейное пространство L 2 , сопоставляющее каждому элементу x L 1 один

элемент Ax L 2 , называемый образом элемента x .

Определение. Отображение A : L 1 → L 2

из линейного пространства L 1

в линейное пространство L 2

называется линейным оператором , если для

любых элементов x , y L 1

действительного числа λ R

1) A ( x + y ) = Ax + Ay

2) A ( λ x ) = λ Ax (образ произведения элемента

произведению образа элемента на число).

Из условий 1) – 2) вытекают следующие утверждения.

1. Линейный оператор сохраняет линейные комбинации, т.е. переводит линейную комбинацию элементов в линейную комбинацию их образов с

теми же коэффициентами:

λ i x i = ∑ λ i Ax i

Е.Б. Павельева, В.Я. Томашпольский. Линейная алгебра.

2. Линейный оператор переводит нулевой элемент пространства L 1 в нулевой элемент пространства L 2 : A ( θ L 1 ) = θ L 2 , где θ L 1 , θ L 2 нулевые элементы пространств L 1 и L 2 соответственно.

3. Линейный оператор сохраняет линейную зависимость (независимость), т.е. переводит линейно зависимую (независимую) систему элементов в линейно зависимую (независимую).

Пусть L 1 и L 2

A – линейный оператор, действующий из L 1 в L 2 .

Зафиксируем в пространстве L 1 базис e = ( e 1 , e 2 . e n ) , а в пространстве L 2

Как доказать линейность оператора

Постановка задачи. Задан оператор 0,16 Kb, осуществляющий некоторое преобразование пространства геометрических векторов 0,17 Kb. Доказать линейность, найти матрицу, образ и ядро оператора 0,16 Kb.

1. По определению доказываем линейность оператора 0,16 Kb, используя свойства операций над геометрическими векторами в координатной форме, т.е. проверяем, что 0,26 Kbи 0,24 Kb

0,39 Kbи 0,39 Kb.

0,16 Kb

0,16 Kb

0,23 Kb

Если 0,35 Kb, то 0,62 Kb.

0,39 Kbи 0,39 Kb.

2,06 Kb

0,78 Kb

1,49 Kb

0,16 Kb

0,59 Kb

0,66 Kb

0,16 Kb

0,41 Kb

Пусть Х и Y – множества элементов произвольной природы. Говорят, что задано Отображение (читается: отображение f множества X во множество Y), если задан закон, по которому каждому элементу ставится в соответствие вполне определенный элемент (рис. 1).

 , , ,

Если , то называется Образом элемента , Прообразом элемента при отображении F.

Примерами отображений являются функции, которые изучаются в школе и в математическом анализе, например, функция – это отображение . Классный журнал является примером отображения множества учеников в классе во множество всех фамилий.

Отображение называется Тождественным, если оно любой элемент оставляет на месте. Тождественное отображение множества X на себя будем обозначать . Таким образом, .

Отображение называется Взаимно однозначным (или биективным, или биекцией), если оно удовлетворяет двум условиям:

1. такой, что.

2.

3.Такой, что

Отображения и называются Равными, если .

Пусть заданы отображения и . Произведением (или композицией) отображений F и G называется отображение , такое, что (рис. 2)

 , , , , , , , , , , ,

Лемма. Произведение отображений ассоциативно, т. е., если заданы отображения , и , то

.

UДля доказательства равенства отображений и нужно показать, что .

Итак, выберем произвольное . Тогда

; (1)

(2)

Сравнивая (1) и (2), видим, что и, поэтому, .t

Отображение называется Обратным к отображению , если и (рис. 3).

Определение. Пусть и – линейные пространства над одним и тем же полем . Отображение называется Линейным оператором, если оно удовлетворяет следующим условиям:

1*.

2*.

Следствие. При линейном операторе образ линейной комбинации векторов равен такой же линейной комбинации их образов, т. е. если – линейный оператор, то

(1)

А) N=1: [2*] – истинно.

= [1*] =

[2* и предположение индукции] =

=T

1. Нулевой оператор : . Очевидно, этот оператор удовлетворяет условиям 1* и 2*, значит, является линейным.

2. Тождественный оператор также, очевидно, является линейным.

3. Оператор дифференцирования , который каждой дифференцируемой функции ставит в соответствие ее производную, является линейным, т. к. производная суммы функций равна сумме их производных, а при умножении функции на число её производная умножается на это число.

4. Пусть – пространство свободных векторов, .

Покажем, что оператор проектирования на ось также является линейным.

►В аналитической геометрии доказывалось, что . Тогда

====;

===

5. В пространстве Векторов плоскости, закрепленных в начале координат О, рассмотрим оператор поворота вектора на угол против часовой стрелки и докажем его линейность.

►1*. Пусть – произвольные векторы, ,

(рис. 1). Построим и по правилу параллелограмма. Так как плоскость поворачивается

Рис.1. как жесткое целое, методами элементарной геометрии нетрудно показать, что при этом повороте диагональ переходит в диагональ . Значит, .

рис.22* . Пусть α>0, , , , (рис.2). Очевидно, вектор получен из поворотом на угол, следовательно, , а значит,. Аналогично это свойство проверяется

И при , а при оно очевидно.◄

Теорема. Пусть и – линейные пространства над одним и тем же полем P и пусть в пространстве задан базис

, (2)

А в пространстве – произвольная система векторов

. (3)

Тогда существует единственный линейный оператор , переводящий базис (2) в систему (3), то есть такой, что

. (4)

Построение. Выберем произвольный вектор и разложим его по базису (2): . Положим по определению

.

Линейность. Если — произвольные векторы, то , , . Тогда

= [определение F ] = ;

.

Выполнение (4). Заметим, что все координаты вектора В базисе (2) равны нулю, за исключением K-й, которая равна 1. Таким образом, I-я координата вектора равна , то есть . Тогда

,

Единственность. Предположим, что существует еще один линейный оператор , , переводящий (2) в (3), то есть такой, что . Тогда – противоречие.◄

1º. Линейный оператор переводит нейтральный элемент пространства в нейтральный элемент пространства .

►Пусть – линейный оператор. Тогда .◄

2º. При линейном операторе линейно зависимые векторы пространства переходят в линейно зависимые векторы пространства .

►Пусть — линейно зависимые векторы. Это значит, что существуют числа , не все равные нулю, такие, что

. (5)

Подействуем линейным оператором на обе части равенства (5). Тогда

(5) [(1) и 1º]

. (6)

Так как среди чисел есть отличные от нуля, то система > линейно зависима.◄

Пусть в линейном пространстве над полем задан базис

(1)

И пусть – линейный оператор (читается так: в себя). Построим систему векторов

(). (2)

(3)

. (4)

Расположим числа в матрицу А по нашей договоренности: верхний индекс обозначает номер строки, а нижний – номер столбца:

[]=.

Равенство (4) можно переписать и так: , откуда, руководствуясь правилом цепочки, (4) записываем в матричном виде:

. (5)

Матрицей линейного оператора в некотором базисе называется матрица А, столбцами которой являются координатные столбцы образов базисных векторов в том же базисе. Это матрица , элементы которой удовлетворяют системе равенств (3) или (4), а сама матрица удовлетворяет матричному равенству (5).

1. Матрицей нулевого оператора в любом базисе является нулевая матрица; матрицей тождественного оператора также в любом базисе является матрица единичная.

2. Пусть . Составим матрицу оператора проектирования на ось OX в базисе . Для этого находим образы базисных векторов и разлагаем их по базису:

.

3. Составим матрицу оператора поворота плоскости на угол (см.§2) в базисе . Из рисунков 1 и 2 видно, что

Читать:
Сколько монотонных функций от 3 переменных

.

Итак, если в пространстве задан какой-либо базис, то каждому линейному оператору можно поставить в соответствие его матрицу в этом базисе, то есть квадратную матрицу A n-Ого порядка, причем эта матрица определяется однозначно.

Пусть теперь задана квадратная матрица А с элементами из поля P . Обозначим вектор, координатный столбец которого в базисе (1) совпадает с I-м столбцом матрицы А. Получим упорядоченную систему векторов

() (6)

Согласно теореме § 2 существует единственный линейный оператор такой, что . По определению, матрица этого оператора в базисе (1) совпадает с А.

Обозначим — множество всех линейных операторов линейного пространства над полем Р в себя. Из вышесказанного вытекает: если в задан базис, то определяется отображение

,

Которое ставит в соответствие каждому линейному оператору его матрицу в этом базисе, причем это отображение взаимно однозначно. Это дает возможность в конечномерных линейных пространствах линейные операторы изучать с помощью их матриц.

Пусть в линейном пространстве задан базис (1), и пусть –матрица линейного оператора В этом базисе. Выберем произвольный вектор и положим . Обозначим и – координатные столбцы векторов и соответственно в базисе (1). Тогда

[(1) § 2] = [(4)] = ,

. (7)

(8)

Записав (8) по правилу цепочки (), получаем

. (9)

Теорема. Пусть в линейном пространстве заданы два базиса:

(10)

, (11)

И пусть A= и – матрицы линейного оператора в базисах (10) и (11) соответственно. Тогда

, (12)

►Для того чтобы найти матрицу , следует образы векторов базиса (11) разложить опять же по этому базису. Имеем:

= [определение матрицы перехода] = = [(1) § 2] = = =[(4)]= = [свойство 6º §9 гл. 3] = .

= . (13)

Равенство (13) есть не что иное, как разложение вектора по базису (11). С другой стороны, по определению матрицы линейного оператора,

. (14)

, (15)

. (16)

Так как (см. замечание в § 9 гл. 3), то из (16) получаем (12). ◄

Определение. Квадратные матрицы А и В называются Подобными, если существует невырожденная матрица Т такая, что .

Лемма. Подобные матрицы имеют одинаковые определители. ►.◄

Определение. Определителем линейного оператора называется определитель его матрицы в некотором, а значит, и в любом базисе пространства .

Пусть – линейный оператор, — его матрица в некотором ортонормированном базисе , и пусть – некомпланарные векторы, а — их образы. Обозначим и координатные столбцы в выбранном базисе векторов и соответственно, , – объем параллелепипеда, построенного на векторах , а – объем параллелепипеда, построенного на векторах . Тогда, учитывая (9) §3, получаем:

[(9) § 3] [§ 5 главы 1] =

[§ 6 главы 1] . (1)

Рассмотрим теперь пространство . Выберем в нем точку и линейно независимых векторов , . Параллелепипедом в (-мерным параллелепипедом) будем называть множество точек в

. (2)

Обозначим координатный столбец вектора в каноническом базисе. По аналогии с трехмерным пространством, Объемом — мерного параллелепипеда (2) будем называть число

.

Точно так же, как и для трехмерного пространства, для пространства доказывается равенство (1).

Определения. Пусть и — линейные пространства над одним и тем же полем .

Суммой линейных операторов и называется отображение такое, что .

Произведением линейного оператора на число называется отображение , такое что .

Произведением линейных операторов и называется отображение такое, что (т. е. произведение линейных операторов – это просто произведение или композиция отображений).

Теорема. Сумма линейных операторов, произведение линейного оператора на число, а также произведение линейных операторов также являются линейными операторами. При этом, если , А и В – матрицы линейных операторов F и G соответственно в некотором базисе пространства , то матрицы операторов , и Gf в том же базисе совпадают соответственно с матрицами А+В, αА и ВА.

Пусть и — линейные операторы. Тогда

= [линейность F ] = =

=[ линейность G ] = = ;

.

Пусть — матрицы линейных операторов и соответственно в базисе пространства , и пусть — матрица оператора Gf В том же базисе. Тогда, по определению матрицы линейного оператора

. (1)

[линейность G] =(2)

Сравнивая (1) и (2), на основании единственности координат вектора в данном базисе, делаем вывод: , откуда и получаем матричную запись: С=ВА.◄

— линейный>

Всех линейных операторов пространства в пространство есть линейное пространство над тем же полем, что и пространства и Относительно введенных операций сложения линейных операторов и умножения их на число. Найдите размерность .

Определение. Линейный оператор называется невырожденным, если он любой ненулевой вектор переводит в ненулевой

Теорема 1. Для того чтобы линейный оператор был невырожденным необходимо и достаточно, чтобы его матрица в некотором, а значит, и в любом базисе пространства была невырожденной

►Пусть А – матрица линейного оператора в некотором базисе, Х, как обычно, координатный столбец вектора в том же базисе. Тогда

F – невырожденный>

AX = O имеет единственное тривиальное решение> >.

Теорема 2. Для того чтобы линейный оператор был невырожденным необходимо и достаточно, чтобы он был взаимно однозначным.

►Пусть — линейный оператор, А— его матрица в некотором базисе, X и Y – координатные столбцы в том же базисе векторов и соответственно. Тогда

невырожденный> Система имеет единственное решение> единственный , что >

единственный , что > F – взаимно однозначный>.◄

►Пусть и — невырожденные линейные операторы. Тогда

> />> />>.

Теорема. Для любого невырожденного линейного оператора существует единственный обратный оператор , который также является линейным. При этом, если А – матрица оператора в некотором базисе, то матрица оператора в том же базисе совпадает с матрицей .

Единственность. Пусть некоторый оператор имеет два разных обратных: И . Тогда

Существование. Пусть А — матрица оператора в некотором базисе. Тогда, по теореме 1 § 6, , значит, существует . Обозначим — тот линейный оператор, матрица которого в выбранном базисе совпадает с .

Так как , и т. к. произведению матриц соответствует произведение операторов, то , и, таким образом, .◄

Замечание. МОжно доказать, что любой взаимно однозначный линейный оператор имеет единственный обратный, который тоже является линейным.

Определение. Изоморфизмом Линейных пространств называется взаимно однозначный линейный оператор. Если существует изоморфизм , то линейные пространства и называются изоморфными. Изоморфизм обозначается так: .

Так как изоморфизм – взаимно однозначное отображение, то изоморфные объекты содержат одинаковое количество элементов. Кроме того, в силу линейности, действия, производимые над элементами пространства , одновременно производятся и над элементами пространства . Поэтому в математике изоморфные объекты не различаются.

1. — рефлективность (изоморфизм осуществляет тождественное отображение).

2. — симметричность (если первый изоморфизм осуществляет с помощью отображения F, то второй — с помощью ).

3. , > — транзитивность (если первый изоморфизм осуществляется с помощью отображения , второй — , то третий изоморфизм осуществляется с помощью отображения ).

►Пусть и пусть — изоморфизм. Выберем в какой-либо базис

(1)

— (2)

Базис пространства . Действительно, в силу взаимной однозначности F, единственный такой, что . Тогда, если , то . Значит, (2) – система образующих в .

[линейность F]

[взаимная однозначность F ] [линейная независимость (1)] .

Таким образом, (2) – базис в , а значит, . ◄

►а) Докажем, что .

Выберем в какой-либо базис . Тогда . Обозначим . Очевидно, отображение — взаимно однозначное. Кроме того, ,

Поэтому F — линейный оператор, а значит, и изоморфизм. Итак, .

Б) Пусть теперь и N-Мерные линейные пространства над одним и тем же полем Р. Тогда

и > [симметричность] и > [транзитивность] >.◄

Таким образом, мы показали, что с точки зрения математики единственным N-Мерным линейным пространством над полем Р является .

Определения. Образом Линейного оператора называется подмножество линейного пространства

.

Ядром линейного оператора называется подмножество линейного пространства

.

Теорема 1. Образ линейного оператора является подпространством пространства , а его ядро – подпространством пространства .

Размерность подпространства называется Рангом оператора и обозначается , а размерность подпространства называется Дефектом и обозначается .

Теорема 2. Если — мерное линейное пространство, — линейный оператор, то

. (1)

Обозначим . Так как — подпространство пространства , то . Рассмотрим сначала случай, когда . Выберем в какой-либо базис

. (2)

(3)

Пространства . Обозначим . Очевидно,

— (4)

Базис пространства . Докажем, что . Действительно,

Где , а . Таким образом, . Покажем, что сумма прямая. Пусть . Тогда можно разложить как по базису (2), так и по базису (4): и . Получаем

,

Откуда, в силу линейной независимости (3), вытекает, что . Поэтому , а значит, сумма действительно прямая.

Покажем теперь, что . Построим отображение

.

Очевидно, — линейный оператор. Кроме того, такой, что . Так как , то где , . Тогда. . Таким образом, такой, что . Предположим, что таких векторов два, т. е., что , но . Имеем: . Отсюда вытекает, что . Но , следовательно, , и поэтому . Итак, мы показали, что — взаимно однозначное отображение, следовательно, и изоморфизм. Так как изоморфные линейные пространства имеют одинаковые размерности, то , откуда и вытекает доказываемое утверждение.

Рассмотрим теперь тривиальные случаи. Пусть , значит, . Тогда , . Если же , то . В обоих случаях равенство (1), очевидно, выполняется. ◄

Следствие. Если — линейный оператор, то (т. е. ). Если же оператор — невырожденный, то , следовательно, , (т. е. ).

  1. $A\left(a+b\right)=Aa+Ab$
  2. $A\left(\lambda a\right)=\lambda Aa$
Упражнение 2.
Найти значение выражения $4A+7B$

$4A\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(4x_1-4x_2+4x_3,4x_2,4x_3-4x_1\right)$
$7B\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(0,7x_2,7\right)$
$4A+7B=\left(4x_1-4x_2+4x_3,11x_2,4x_3-4x_1+7\right)$
Ответ: $4A+7B=\left(4x_1-4x_2+4x_3,11x_2,4x_3-4x_1+7\right)$

Упражнение 3.
Найти значение выражения $B\cdot 4A$

$4A\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(0,4x_2+x_3,4x_3\right)$
$B\cdot 4A\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(4x_3,4x_2+x_3,1\right)$
Ответ: $B\cdot 4A\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(4x_3,4x_2+x_3,1\right)$

Определение и примеры линейных операторов. Действия над линейными операторами. Задания

Оператор является линейным, если $\forall a,b\in \mathbb^<3>$, $\forall \alpha\in \mathbb$ выполняются условия:

  1. $A\left(a+b\right)=Aa+Ab$
  2. $A\left(\lambda a\right)=\lambda Aa$

Проверим условие 1:
$A\left(a+b\right)=A\left(a_1+b_1,a_2+b_2,a_3+b_3\right)=$
$=\left(a_2+b_2+a_3+b_3,5a_2+5_b2-a_1-b_1,a_1+b_1+8a_3+8b_3\right)=$
$=\left(a_2+a_3,5a_2-a_1,a_1+8a_3\right)+\left(b_2+b_3,5_b2-b_1,b_1+8b_3\right)=$
$=A\left(a_1,a_2,a_3\right)+A\left(b_1,b_2,b_3\right)=Aa+Bb$

Ответ: оба условия выполняются, значит оператор $A$ — линейный.

Упражнение 2.
Найти значение выражения $4A+7B$

$A,B$ — линейные операторы из $\Omega\left(\mathbb^3\right)$, $A\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(x_1-x_2+x_3,x_2,x_3-x_1\right)$, $B\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(0,x_2,1\right)$

$4A\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(4x_1-4x_2+4x_3,4x_2,4x_3-4x_1\right)$
$7B\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(0,7x_2,7\right)$
$4A+7B=\left(4x_1-4x_2+4x_3,11x_2,4x_3-4x_1+7\right)$
Ответ: $4A+7B=\left(4x_1-4x_2+4x_3,11x_2,4x_3-4x_1+7\right)$

Упражнение 3.
Найти значение выражения $B\cdot 4A$

$A,B$ — линейные операторы из $\Omega\left(\mathbb^3\right)$, $A\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(0,x_2+\frac<1><4>x_3,x_3\right)$, $B\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(x_1+x_3,x_2,1\right)$

$4A\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(0,4x_2+x_3,4x_3\right)$
$B\cdot 4A\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(4x_3,4x_2+x_3,1\right)$
Ответ: $B\cdot 4A\left(x_1,x_2,x_3\right)=\left(4x_3,4x_2+x_3,1\right)$

Упражнение 4.
Найти значение выражения $Ax-3Bx$

$A, B$ — линейные операторы из $\Omega\left(M_2\left(\mathbb\right)\right)$,
$A=\begin2& 2\\ 0 & 0\end$, $B=\begin1 & 1 \\ 2 & 0\end$

Ответ: $Ax-3Bx=-\beginx_1+x_3& x_2+x_4\\ 6x_1 & 6x_2\end$

Похожие статьи