- •Множини
- •Відображення
- •1.3. Бінарні відношення на множині
- •2.1. Принцип математичної індукції Аксіома математичної індукції
- •Узагальнення другої форми принципу математичної індукції
- •2.2. Підстановки
- •Основні алгебраїчні структури
- •3.1. Означення комплексного числа
- •3.2. Дії над комплексними числами
- •3.3. Піднесення до степеня і добування кореня
- •4.1. Поліноми від однієї змінної
- •Г) Найбільший спільний дільник
- •Д) Найменше спільне кратне
- •4.3.Поліноми над числовими полями
- •4.4. Поліноми від багатьох змінних
- •Б) Симетричні поліноми
- •5.1. Поняття матриці
- •5.2. Дії над матрицями
- •6.1. Визначники малих порядків
- •6.2. Поняття визначника n-го порядку
- •6.3. Властивості визначника n-го порядку
- •6.4. Обчислення визначників n-го порядку
- •7.1. Загальні поняття
- •7.2. Способи розв’язування систем лінійних рівнянь
- •7.3. Матрична форма запису системи лінійних рівнянь
- •8.1. Поняття векторного простору, його розмірність і базис
- •8.3. Підпростори векторного простору
- •8.4. Лінійні перетворення у векторному просторі
- •8.5. Власні вектори і власні значення лінійного перетворення а) Інваріантні підпростори
- •Звідси із лінійної незалежності векторів e1, e2, …, en випливає:
- •9.1. Поняття евклідового простору
- •9.2. Ортонормований базис
- •9.3. Лінійні перетворення в евклідовому просторі
- •Властивості:
- •10.1. Лінійна функція (форма)
- •10.2. Поняття білінійної та квадратичної функції
- •10.3. Зведення квадратичної форми до суми квадратів
- •10.4. Закон інерції квадратичних форм
- •10.5. Класифікація квадратичних форм
- •10.6. Білінійні і квадратичні форми в евклідовому просторі
- •10.7. Зведення рівняння другого порядку до канонічного вигляду
- •Виконаємо лінійне перетворення
- •11.2. Зведення матриць до жорданової нормальної форми
- •Необхідна і достатня умова зведення матриць до діагонального вигляду
9.3. Лінійні перетворення в евклідовому просторі
а) Перетворення, спряжене до даного
Нехай
– лінійне перетворення евклідового
простору
.
Лінійне перетворення
,
для якого при всіхx,
y
V
(
x,
y)
= (x,
*y),
називається
спряженим
до
.
Покажемо,
що для кожного лінійного перетворення
евклідового простору існує спряжене
до нього перетворення
,
матриця якого в довільному ортонормованому
базисі є транспонованою до матриці
перетворення
.
Нехай
A=[aij]
– матриця лінійного перетворення
в
орто-нормованому базисі e1,
e2,
…,
en,
А' – матриця, транспонована до А,
– лінійне перетворення з матрицею А' в
тому ж базисі. Тоді, очевидно,
(
ei,
ej)
= (a1ie1
+ a2ie2
+ …
+
anien,
ej)
= aji,
(ei,
*ej)
= (ei,
aj1e1
+ aj2e2
+ …
+
ajnen)
= aji,
тобто
для всіх

(
ei,
ej)
= (ei,
*ej).
Тоді, якщо x = x1e1 + x2e2 + … +xnen i y = y1e1 + y2e2 + … + ynen, то
(
x,
y)
= (
xiei,
yjej)
=
xiyj(
ei
ej)
i
(x,
*y)
= (
xiei,
*
yjej)
=
xiyj(ei,
*ej)
=
xiyj(
ei
ej)
= (
x,
y),
тобто
перетворення
є спряженим до
.
Властивості:
.
Доведення.
(x,
y)
= (
x,
y)
=
(x,
y)
= (x,
y).
.
Доведення.
(
x,
y)
= (x,
*y)
= (
*y,
x)
= (y,
(
*)*
x)
= ((
*)*
x,
y).
.
Доведення.
(x,
(
+
)*y)
= ((
+
)x,
y)
= (
x+
x,
y)
= (
x,
y)+(
x,
y)=
=
(x,
*y)
+ (x,
*y)
= (x,
(
*+
*)y).
4.

Доведення.
(x,
(
)*y)
= ((
)x,
y)
= (
(
x),
y)
= (
x,
*y)
= = (x,
*(
*)y)
= (x,
(
*
*)y).
Якщо
існує, то
.
Доведення.
.
б) Самоспряжені перетворення
Самоспряженим
(симетричним)
називається перетворення, яке співпадає
зі своїм спряженим, тобто
.
Якщо
A
– самоспряжене перетворення, то
x,y
V
(
x,
y)=(x,
y).
Якщо
матрицею самоспряженого перетворення
в орто-нормованому базисі є
A=[aij],
тоді A' = A, тобто
aij
=
aji.
Така матриця називається симетричною.
Властивості:
Тотожнє перетворення
є самоспряженим.
Доведення.
.
Сума самоспряжених перетворень є самоспряженим
перетворенням.
Доведення.
.
Перетворення, обернене до невиродженого самоспряженого перетворення, є самоспряженим перетворенням.
Доведення.
.
Добуток самоспряжених перетворень є самоспряженим перетворенням тоді і тільки тоді, коли ці перетворення переставні між собою.
Доведення.
а)
якщо
,
і
,
то
,
тобто
.
б)
якщо
,
і
,
то
,
тобто
–
самоспряжене перетворення.
Якщо підпростір
інваріантний відносно лінійного
перетворення
,
то його ортогональне доповнення
інваріантне відносно спряженого до
перетворення
*.
Доведення.
Нехай
х
– довільний вектор із
,у
– довільний вектор із
.
Тоді
(
*x,
y)=(x,
y)
= 0, оскільки
y
і, значить,х
y.
Значить, вектор
*x
,
і
є інваріантним відносно
*.
Наслідок.
Якщо
– самоспряжене перетворення і
–
підпростір,
інваріантний
відносно
,
то і
інваріантний
відносно
.
Всі корені характеристичного полінома самоспряженого перетворення
дійсні(власні
значення самоспряженого перетворення
дійсні).
Доведення.
(
x,
х)
= (λx,
х),
(x,
х)
=
= (
x,
х).
Оскільки
– самоспряжений, то (
x,
х)
= (x,
х),
значить
,
тобто
– дійсне.
7. Власні вектори, що відповідають різним власним значенням самоспряженого перетворення, ортогональні.
Доведення.
Нехай
–власні
значення самоспряженого оператора
,
ах1
та х2
– відповідні їм власні вектори. Тоді
(
x1,х2)
= λ1(x1,х2),
(x1,
х2)
=
= λ2(x1,х2).
Звідси (
x1,х2)
= (x1,
х2
), оскільки
– самоспряжений. Тоді
(x1,
х2)
= 0
(x1,
х2)
= 0,
що й треба було довести.
Матриця самоспряженого перетворення в деякому орто- нормованому базисі зводиться до діагонального вигляду.
Доведення.
Нехай
– одне із власних значень самоспряженого
перетворення
(
дійсне). Відповідний власний вектор
позначимо
е1,
тобто
е1=
λ1е1.
Вектор е1
можна вважати одиничним, оскільки
інакше
його можна замінити одиничним власним
вектором
з
тим
же власним значенням
.
Позначимо
через
одновимірний підпростір, породжений
вектором
е1.
Його ортогональне доповнення
буде інваріантним відносно
.
Нехай
– (дійсне) власне значення перетворення
в підпросторі
,
відповідний (одиничний) власний вектор
позначимо
е2.
Тоді
е2=λ2е2.
Нехай
буде (інваріантним) підпростором,
породженим векторами е1
і
е2.
Тоді підпростір
теж інваріантний відносно
.
Продовжуючи цю побудову, ми знайдемо
попарно ортогональних (значить, лінійно
незалежних) одиничних власних векторів
перетворення
.
В базисі, що складається із цих векторів,
матриця А перетворення
зводиться до діагонального вигляду:
е1
= λ1е1,
е2
= λ2е2,
…………..
еn
= λnеn,
звідки
А =
.
Геометрично
самоспряжене лінійне перетворення
зводиться до
розтягів з коефіцієнтами
вздовж
координатних осей, спів-напрямлених зе1,
е2,
…,
еn
відповідно.
в) Ортогональні перетворення
Лінійне
перетворення
евклідового простору V
називається ортогональним,
якщо воно зберігає скалярний добуток
векторів,
тобто якщо
x,
y
V(
x,
y)
= (x,
y).
Це означає , що ортогональне перетворення зберігає довжини векторів та кути між ними (тому ортогональні перетворення іноді називають ізометричними).
Ясно, що ортогональне перетворення переводить довільний ортонормований базис в ортонормований і навпаки.
Властивості:
1.

*=
,
тобто
*=
-1.
Доведення.
Якщо
– ортогональне перетворення і
– спряжене до нього перетворення, то
x,
y
V
(x,
y)
= (
x,
y)
=
(x,
*(
y))
= (x,
*
y).
Значить,

або
.
Із отриманих рівностей видно, щоортогональне
перетворення завжди невироджене.
Перетворення, обернене до ортогонального, теж ортогональне.
Доведення.
Якщо
,
то
.
Сума ортогональних перетворень, в загальному, не є ортогональним перетворенням.
Добуток ортогональних перетворень є ортогональним
перетворенням.
Доведення.
.
Матриця A, для якої A' = A-1, називається ортогональною матрицею.
Визначник ортогональної матриці дорівнює
.
Доведення.
Із AA' = E випливає: AA'| = |A||A'| = |E| = 1.
Оскільки |A| = |A'| (транспонування не змінює визначника), то
|A|2
= 1 ,
звідки
.
Власні значення ортогонального перетворення дорівнюють
.
Доведення.
Якщо
x
–
власний вектор і
– відповідне
йому власне значення ортогонального
перетворення
,
то:
(x,
x)
= (
x,
x)
= (λx,
λx)
= λ2(x,
x),
звідки,
оскільки (x,
x)
≠ 0, отримуємо
,
і
.
Якщо підпростір
інваріантний відносно ортогонального
перетворення
,
то його ортогональне доповнення
теж інваріантне відносно
.
Доведення.
Із
ортогональності перетворення
випливає
.
Згідно властивості 5 пункту б підпростір
інваріантний відносно перетворення
.
Але тоді цей підпростір інваріантний
і відносно оберненого перетворення,
тобто відносно
.
Приклади
Нехай
–
ортогональне перетворення прямої
іе
.
Тоді
е
і, значить,
е
=
λе,
де
,
тобто
е
=
±е.
Це означає, що
–
або тотожнє
перетворення,
або
центральна симетрія.
Нехай
–
ортогональне перетворення площини,
і А
–
його матриця в деякому ортонормованому
базисі. Тоді із А*А=Е,
тобто
,
отримаємо:
,
,
.
Для
перших двох рівностей знайдуться такі
і
,
що:
,
,
,
.
Тоді
третя рівність дає
,
звідки випливає, що
або
.
В
першому випадку
,
,
і
ми отримаємо:
А
,
тобто перетворення A – це поворот на кут α навколо початку координат.
В
другому випадку
,
,
і
А
.
Ця
матриця – симетрична, значить, ортогональне
перетворення
є і самоспряженим, тобто в деякому
ортогональному базисі його матриця
зводиться до діагонального вигляду:А
,
де
.
Визначник
цієї матриці
повинен бути рівним:
,
значить
і
мають різні знаки, тобто матриця
перетворення
зводиться до виглядуА
.
Це симетрія
відносно прямої,
яка визначається вектором е1
(першим вектором нового базису).
Таким
чином, ортогональне
перетворення площини
– це або поворот
навколо
початку координат на деякий кут
(зокрема, тотожнє перетворення або
центральна симетрія – визначник цих
перетворень дорівнює 1) абоосьова
симетрія
(визначник дорівнює -1).
Лекція 10. Білінійні і квадратичні функції (форми)
