Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Алгебра 1-11.docx
Скачиваний:
103
Добавлен:
14.02.2016
Размер:
3.23 Mб
Скачать

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:

  1. .

Доведення. (x, y) = (x, y) = (x, y) = (x, y).

  1. .

Доведення. (x, y) = (x, *y) = (*y, x) = (y, (*)* x) = ((*)* x, y).

  1. .

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).

  1. Якщо існує, то.

Доведення. .

б) Самоспряжені перетворення

Самоспряженим (симетричним) називається перетворення, яке співпадає зі своїм спряженим, тобто .

Якщо A – самоспряжене перетворення, то x,yV (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:

  1. Тотожнє перетворення є самоспряженим.

Доведення. .

  1. Сума самоспряжених перетворень є самоспряженим

перетворенням.

Доведення. .

  1. Перетворення, обернене до невиродженого самоспряженого перетворення, є самоспряженим перетворенням.

Доведення. .

  1. 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.

  1. Якщо підпростір інваріантний відносно лінійного перетворення, то його ортогональне доповненняінваріантне відносно спряженого доперетворення*.

Доведення.

Нехай х – довільний вектор із ,у – довільний вектор із .

Тоді (*x, y)=(x,y) = 0, оскільки y і, значить,хy. Значить, вектор *x, і є інваріантним відносно*.

Наслідок. Якщо – самоспряжене перетворення і підпростір,

інваріантний відносно , то іінваріантний

відносно .

  1. 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.

  1. 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 перетворенняв 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 знайдемопопарно ортогональних (значить, лінійно незалежних) одиничних власних векторів перетворення. В базисі, що складається із цих векторів, матриця А перетвореннязводиться до діагонального вигляду:

е1 = λ1е1,

е2 = λ2е2,

…………..

еn = λnеn,

звідки А = .

Геометрично самоспряжене лінійне перетворення зводиться до розтягів з коефіцієнтамивздовжкоординатних 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, тоx, y V (x, y) = (x, y) = (x, *(y)) = (x, *y). Значить, або. Із отриманих рівностей видно, щоортогональне перетворення завжди невироджене.

  1. Перетворення, обернене до ортогонального, теж ортогональне.

Доведення.

Якщо , то.

Сума ортогональних перетворень, в загальному, не є ортогональним перетворенням.

  1. Добуток ортогональних перетворень є ортогональним

перетворенням.

Доведення.

.

Матриця A, для якої A' = A-1, називається ортогональною матрицею.

  1. 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 .

  1. 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.

  1. Якщо підпростір інваріантний відносно ортогонального перетворення, то його ортогональне доповненнятеж інваріантне відносно.

Доведення.

Із ортогональності перетворення випливає . Згідно властивості 5 пункту б підпростірінваріантний відносно перетворення. Але тоді цей підпростір інваріантний і відносно оберненого перетворення, тобто відносно.

Приклади

  1. Нехай – ортогональне перетворення прямої іе. Тоді е і, значить, е = λе, де , тобто е = ±е. Це означає, що – або тотожнє перетворення, або центральна симетрія.

  2. 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, щоабо.

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 імають 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)