Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
65
Добавлен:
02.06.2015
Размер:
238.54 Кб
Скачать

Лекция 8. Линейные операторы

1. Определение линейного оператора и его матрицы

Определение 1. Отображение ' : Rn ! Rn называется линейным оператором, если выполнены следующие свойства:

¹¹

(1)'(0) = 0;

(2)'x + y¹) = 'x) + 'y), для всех x;¹ y¹ 2 Rn;

(3)'(®x¹) = ® ¢ 'x), для всех x¹ 2 Rn и всех ®.

Пример. В пространстве R2 линейными операторами являются: повороты вокруг начала координат; проекции на прямые, проходящие через начало координат; симметрии относительно прямых, проходящих через начало координат; растяжения вдоль прямых, проходящих через начало координат; всевозможные композиции этих операторов.

Линейный оператор мы будем описывать матрицей. Наша главная задача по матрице оператора понять геометрию его действия. Случай плоскости и трехмерного пространства будет подробно рассмотрен.

Вид матрицы оператора зависит от выбора базиса в пространстве Rn. Сначала мы дадим определение в случае стандартного базиса.

Определение 2. Пусть ' : Rn ! Rn линейный оператор. Его матрицей (в стандартном базисе) называется n £ n-матрица, составленная из координат векторов 'e1); : : : ; 'en). Матрицу оператора ' в стандартном базисе мы будем обозначать A'.

Пример. Вот матрицы операторов в R2: 1) проекция на ось OX; 2) симметрия относительно оси OY; 3) поворот на 90± против часовой стрелки относительно начала координат; 4) симметрия относительно биссектрисы второго координатного угла; 5) растяжение в два раза вдоль биссектрисы первого координатного угла.

1)

µ0

0

; 2)

µ¡0

1

; 3)

µ1

¡0

; 4)

µ¡1

¡0

; 5)

µ1=2

3=2

:

 

1

0

 

1

0

 

0

1

 

0

1

 

3=2

1=2

 

Основное свойство матрицы оператора описывается следующим утверждением.

Теорема 1. Пусть ' : Rn ! Rn линейный оператор, A' его матрица, x¹ 2 Rn некоторый вектор, а x) столбец его координат. Тогда A'x) столбец координат вектора 'x).

Замечание. Это утверждение означает, что знание матрицы дает нам полную информацию о действии оператора.

Доказательство. Пусть x1; : : : ; xn координаты вектора x¹. Тогда x¹

'x) = x1'e1) + : : : + xn'en) = x1

0a11...

1

+ : : : + xn

0a1...n

 

Ban1C

 

Bann

 

@

A

 

@

но это и означает, что A'x) = 'x).

= x1e¹1 + : : : + xne¹n. Значит,

 

1 =

0x1a11 + ¢ ¢...¢ + xna1n

1

;

C Bx1an1 + : : : + xnannC

 

A

@

A

 

¤

¹ ¹

Замечание. Так как A ¢ 0 = 0, A ¢ x + y¹) = A ¢ x¹ + A ¢ y¹ и A ¢ (®x¹) = ® A ¢ x¹, то любая квадратная n £ n-матрица A задает линейный оператор в Rn: x¹ 7!A ¢ x¹.

Теперь определим матрицу оператора для произвольного базиса пространства .

Определение 3. Пусть ' : Rn ! Rn линейный оператор, а V = fv¹1; : : : ; v¹ng некоторый базис пространства Rn. n£n-матрица, составленная из столбцов ('vi))V , i = 1; : : : ; n, называется матрицей оператора ' в базисе V и обозначается AV' .

Пример. Найдем матрицу оператора поворота на 90± против часовой стрелки в базисе

 

 

 

 

 

 

V = fµ1

; µ2g:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

Имеем,

 

 

µ1

¡0¶µ1

= µ¡1; '(µ2) =

µ1

¡0¶µ2

= µ¡1:

 

'(µ1) =

 

 

 

1

0

1

1

 

1

1

0

1

1

 

2

 

Теперь задача решается приведением к главному ступенчатому виду матрицы

µ¡2

¡3

 

µ1

2

¡1

¡1) µ0

1

¡2

¡3

: Таким образом, A'V =

:

1

1

1

2

1

0

3

5

 

 

 

 

3

5

 

1

2

2. Преобразование матрицы оператора

Матрицы линейного оператора в разных базисах связаны друг с другом с помощью матрицы перехода.

Теорема 2. Пусть ' : Rn ! Rn линейный оператор, а V = fv¹1; : : : ; v¹ng и U = fu¹1; : : : ; u¹ng два базиса в Rn. Тогда

AU' = CV¡!1 U AV' CV !U :

Доказательство. Пусть x¹ 2 Rn некоторый вектор. Имеем,

¡CV¡!1 U AV' CV !U ¢x)U = ¡CV¡!1 U AV' ¢¡CV !U x)U ¢ = ¡CV¡!1 U AV' ¢x)V =

= CV¡!1 U ¡AV' x)V ¢ = CV¡!1 U ('x))V = CU!V ('x))V = ('x))U

¤

Пример. При переходе от стандартного базиса к другому матрица оператора может сильно упроститься.

Пусть, например,

 

 

A' =

µ1

2и V = fµ1; µ

¡1 g:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

Тогда

CE!V

=

µ 1

¡1 и CE¡!1 V = CV !E =

µ ¡1=2

1=2

:

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

1=2

1=2

 

 

 

 

Следовательно,

µ ¡1=2 1=2

¶µ1

2¶µ

1

¡1

= µ ¡1=2

 

1=2 ¶µ

1

¡1

=

µ0

1

:

A'V =

 

 

1=2 1=2

 

2

1

 

1

1

3=2

 

3=2

1

1

 

3

0

 

Мы видим, что наш оператор это просто растяжение в 3 раза вдоль биссектрисы первого координатного угла.

3. Композиция

Теорема 3. Пусть ' и Ã линейные операторы в пространстве Rn, а ½ = Ã(') их композиция (т.е.½x) = Ã('x))). Тогда A½ = AÃA' (в этом порядке). Аналогично, AV½ = AVÃ AV' .

Доказательство. Имеем,

½x) = Ã('x)) = AÃ('x)) = AÃA'x) = A½x):

¤

Соседние файлы в папке modules 3-4