На протяжении всей главы V будет означать векторное пространство
размерности n над полем k.
6.1. Определение. Линейное отображение V в V называется
линейным преобразованием векторного пространства V. Таким образом,
-- линейное преобразование V, если
-- функция,
заданная на V со значениями в V и удовлетворяющая следующим двум
условиям:
при
всех
.
Эти два условия можно заменить на одно:
при всех
N.
Совокупность всех линейных преобразований пространства V
обозначается
через
.
Ясно, что
.
6.1.2. Примеры - упражнения. Показать, что
- линейное
преобразования соответствующего векторного пространства.
1. V - пространство векторов вещественной плоскости с
началом в точке O,
а)
- симметрия относительно точки O,
б)
- симметрия относительно прямой, проходящей через
O,
в)
- поворот плоскости вокруг O на данной угол.
2.
- дифференцирование в пространстве полиномов k[x]:
для .
3. Пусть
,
- умножение строки из пространства
kn на A:
Если ,
и
,
то u называется образом v под действием ,
а v
-- прообразом u. Если
,
то множество
называется образом A под
действием .
6.1.3. Матрица линейного преобразования.
Пусть
- база
V,
.
Матрицей []
=
преобразования
в базе
называется
матрица линейного отображения
относительно пары баз
.
Таким образом, если
и
6.1.4. Координаты образа вектора.
Пусть
- база
V,
- матрица
в базе
.
Если ,
то, как и раньше, через [a] обозначим строку
координат
вектора a в базе .
Напомним, что
.
Теорема. Если , то
.
Доказательство. Имеет место цепочка равенств
6.1.5. Связь между
и Mn(k).
Для
и
определим
отображения
и
пространства V
в V равенствами
Теорема. Пусть - база
V. Тогда соответствие
(линейному преобразованию сопоставляется его матрица в базе
)
дает взаимно однозначное отображение множества
на Mn(k).
Если
, то
и имеют место равенства
6.1.6. Матрицы линейного преобразования в разных базах.
Пусть
-- две базы
--
матрица
перехода от
к .
Это означает (см. 2.4.9), что
Теорема. Матрицы одного и того же линейного преобразования
пространства V в двух базах подобны над k. Подобие осуществляет
матрица перехода от одной базы к другой.
Упражнение. Докажите обратное утверждение: пусть X и Y --
две матрицы из Mn(k), сопряженные над k. Тогда X и Y -- матрицы
одного и того же линейного преобразования в подходящих базах.
Указание. Если
-- база
--
невырожденная матрица из
Mn(k), то элементы столбца
образуют базу V.
6.1.7. Образ и ядро, ранг и дефект.
Если
,
то множество
называется образом ,
а
множество
называется ядром .
Теорема. 1.
и
--
подпространства пространства V.
Размерность
называется рангом, а размерность
-- дефектом .
2. Сумма ранга и дефекта линейного преобразования равна
размерности пространства.
3. Ранг равен рангу
(в любой базе).
Доказательство. Эта теорема - частный случай теоремы 2.5.7.
6.1.8. Невырожденное преобразование.
Теорема-определение.
Пусть
. Следующие свойства
эквивалентны:
1.
.
2.
.
3. Образ произвольной базы -- база.
4. Матрица невырождена (в любой базе).
5. Существует обратное преобразование
и
оно линейно.
Если
обладает одним из этих свойств, то
называется
невырожденным линейным преобразованием.
Доказательство. 1.
2. поскольку
размерность V равна
сумме ранга и дефекта преобразования .
1.
3. Пусть
-- база V.
Если
линейно зависимы, то существует
ненулевая строка
(a1,...an), для которой
,
поэтому
.
Противоречие. Поскольку n линейно независимых векторов из V
составляют базу, то
-- база.
3.
4. Матрица
в базе
--
матрица перехода от
к
базе
(см. 6.1.6). Поэтому
невырождена.
4.
5. Пусть
-- линейное преобразование,
для которого
.
Тогда
и,
значит,
-- тождественное
преобразование.
5.
1. Пусть
.
Тогда
,
откуда
и
.
6.1.9. Инвариантное подпространство и ограничение.
Пусть
.
Подпространство U пространства V называется-инвариантным подпространством или подпространством,
инвариантным относительно ,
если
.
Если подпространство U инвариантного относительно ,
то
отображение
,
определенное равенством
для всех
является линейным преобразованием пространства U. Оно называется
ограничением на Uи обозначается через
.
Теорема. 1. Пусть подпространство U инвариантно
относительно
-- база
-- согласованная с ней
база V. Тогда
Доказательство -- непосредственное применение определения
и
.
6.1.10. Одномерное инвариантное подпространство. Собственные
векторы и собственные значения. Характеристический полином и
характеристические корни.
Пусть
-- подпространство размерности 1,
инвариантное относительно .
Тогда U=ku, где u -- ненулевой
вектор из V и
,
где .
Наоборот, если
u - ненулевой
вектор из V и
,
где ,
то U=ku -- одномерное
-инвариантное подпространство.
Ненулевой вектор u
вектор из V, для которого
,
где ,
называется
собственным вектором преобразования , соответствующим
собственному значению l.
Теорема. Пусть
.
1. Полином
Доказательство. 1. Пусть A и B -- матрицы преобразования
в двух базах. По 6.1.6
A=C-1BC для некоторой невырожденной
матрицы C. Поэтому
Если
,
то
называется
характеристическим полиномом матрицы A.
Упражнения. 1. Для матрицы
-- полином
степени n над k. Доказать.
2. Доказать, что
тогда и только тогда подобна
над k диагональной матрице, когда существует база V, состоящая из
собственных векторов .
3. Проверить, что
не подобна диагональной матрице.
4. Проверить, что для дифференцирования
пространства
полиномов степени
при
нет базы, состоящей из собственных
векторов .
6.1.11. Значения полинома от матрицы и от линейного
преобразования. Теорема Кэли - Гамильтона
Пусть
.
Положим
,
где
(i сомножителей).
Упражнение. Пусть
.
Доказать, что
Теорема Кэли - Гамильтона. 1. Пусть
--
характеристический полином A. Тогда f(A) -- нулевая матрица
("Вольная" формулировка: матрица -- корень своего характеристического
полинома).
2. Пусть
-- характеристический
полином . Тогда
-- нулевое преобразование (Линейное преобразование -- корень своего
характеристического полинома).
Доказательство. 1. Пусть
f(x)=a0+a1x+...+anxn --
характеристический полином матрицы A. Пусть bij -- алгебраическое
дополнение к элементу
с номером ji в матрице A-xE. Очевидно,