Линейные операторы

Линейным оператором в пространстве называется отображение пространства в себя, обладающее свойством линейности, т.е.

1. ; 2. .

Пусть – базис пространства . Разложим векторы по базису: . Матрица , столбцы которой состоят из координат векторов , называется матрицей оператора в базисе . Координаты вектора выражаются через координаты соотношением:

.

Пусть и − вектор столбцы из координат векторов и в базисе . Последнее равенство в матричной форме имеет вид . Координата определяется равенством .

Задача 4(1). Выяснить, является ли преобразование линейным и найти его матрицу.

Решение. Легко проверить, что , , т.е. оператор линейный. Найдем координаты образов базисных векторов .

Следовательно, является матрицей оператора .

Задача 4(2). Выяснить, является ли преобразование линейным.

Решение. Легко проверить, что , т.е. оператор не является линейным.

З а д а ч и д л я с а м о с т о я т е л ь н о г о р е ш е н и я

Выяснить, какие из заданных преобразований являются линейными и найти их матрицы.

4.1. . 4.2. .

4.3. . 4.4. .

Задача 5(1). Найти матрицу оператора проецирования пространства V₃ на плоскость параллельно оси .

Решение. Базисные векторы переходят при проецировании в себя, вектор переходит в (нулевой вектор). Матрица оператора имеет вид:

.

Задача 5(2). Найти матрицу оператора поворота пространства вокруг оси на угол .

Р ешение. Вектор переходит в себя, плоскость поворачивается на угол . Найдем координаты векторов – образов базисных векторов при повороте на угол . Из рисунка видно, что проекции вектора равны , а проекции вектора равны , т.е. ; .

Следовательно, матрица оператора поворота плоскости на угол имеет вид: , а матрица оператора поворота пространства вокруг оси на угол имеет следующий вид:

.

Задача 5(3). Найти матрицу оператора проецирования пространства на плоскость параллельно прямой .

Решение. Обозначим оператор проецирования символом и определим последовательно координаты векторов .

Параметрическое уравнение прямой с направляющим вектором , проходящей через точку (конец вектора ), имеет вид: .

Найдем точку пересечения этой прямой с плоскостью .

Подставив координаты точек прямой в уравнение плоскости, получим, что , т.е. . Аналогично получим, что , т.е. .

Задача 5(4). Найти матрицу оператора симметрии пространства относительно прямой .

Решение. Проекция точки на заданную прямую лежит точно посередине между точкой и симметричной ей точкой , поэтому координаты точки равны полусумме координат точек и . Плоскость, проходящая через точку перпендикулярно прямой , задается уравнением . Координаты точки найдем из системы уравнений .

Определим координаты точки .

. Следовательно .

З а д а ч и д л я с а м о с т о я т е л ь н о г о р е ш е н и я

Найти матрицы следующих линейных преобразований пространства :

5.1. Проецирования пространства на ось параллельно плоскости .

5.2. Симметрии пространства относительно плоскости .

5.3. Симметрии пространства относительно оси .

5.4. Симметрии пространства относительно начала координат.

5.5. Поворот пространства вокруг прямой на угол 120°.

5.6. Проецирования пространства на прямую параллельно плоскости .

5.7. Ортогонального проецирования пространства на плоскость .

5.8. Ортогонального проецирования пространства на прямую .

5.9. Симметрии пространства относительно плоскости .

5.10. Симметрии пространства относительно прямой .

Задача 6. Заданы матрица оператора и координаты вектора . Найти координаты вектора .

Решение. Координаты вектора определяются с помощью умножения матрицы оператора на столбец из координат вектора , т.е. .

.

З а д а ч и д л я с а м о с т о я т е л ь н о г о р е ш е н и я

Заданы матрица оператора и координаты вектора . Найти координаты вектора .

6.1. = . 6.2. ; .

6.3. = . 6.4. ; .

Задача 7(1). Выбрав подходящий базис в функциональном пространстве , найти матрицу оператора дифференцирования в этом базисе .

Решение. Выберем в базис . Так как , то матрица оператора дифференцирования в этом базисе имеет вид:

(мы ограничились, для простоты, случаем ).

Задача 7(2). Выбрав подходящий базис в функциональном пространстве , найти матрицу оператора сдвига аргумента в этом базисе ( ).

Решение. Выберем в базис . Применим оператор к базисным векторам (функциям). Получим:

.

Следовательно, матрица оператора сдвига аргумента на пространстве в базисе имеет следующий вид: .

З а д а ч и д л я с а м о с т о я т е л ь н о г о р е ш е н и я

Выбрав подходящие базисы в функциональных пространствах, найти матрицы указанных линейных операторов.

7.1. Оператора дифференцирования на пространстве .

7.2. Оператора интегрирования на пространстве .

7.3. Оператора дифференцирования на пространстве .

7.4. Оператора сдвига аргумента на пространстве .

7.5. Оператора сдвига аргумента на пространстве .

Ответы

1.1. , – базис. 1.2. , – базис.

1.3. , – базис. 1.4. , – базис.

В задачах 2.1.-2.4. в ответах записаны матрицы, столбцы которых образуют ФСР.

2.1. . 2.2. . 2.3. . 2.4. .

3.1. . 3.2. .

3.3. . 3.4. .

4.1. . 4.3. .

В задачах 4.2. и 4.4. преобразования не являются линейными.

5.1. . 5.2. . 5.3. . 5.4. .

5.5. . 5.6. . 5.7. .

5.8. . 5.9. 5.10.

6.1. . 6.2. . 6.3. . 6.4. .

7.1. . 7.2. . 7.3. .

7.4.. . 7.5. .