- •49.3 Линейная независимость системы попарно ортогональных векторов
- •49.4 Ортогонализация Шмидта
- •49.5 Конечномерные и бесконечномерные Евклидовы пространства
- •49.6 Комплексные евклидовы пространства
- •§50 Линейный оператор. Собственные векторы и собственные значения линейного оператора (ло). Инвариантные подпространства
- •50.1 Линейный оператор и его матрица в заданном базисе. Матрица суперпозиций линейного оператора
- •50.2 Матрицы перехода к другому базису
- •50.3 Матрица перехода для ортонормированного базиса
- •50.4 Инвариантные подпространства и ортогональные дополнения
- •50.5 Преобразование матрицы ло при переходе к другому базису
- •51.3 Существование одномерных и двумерных инвариантных подпространств
- •51.4 Линейная независимость собственных векторов, имеющих попарно-различные собственные значения
- •§53 Билинейный функционал. Квадратичная форма. Приведение квадратичной формы к каноническому виду
- •53.1 Определение билинейного функционала
- •53.2 Общий вид билинейного функционала
- •53.3 Матрица билинейного функционала и её преобразования при переходе к другому базису
- •53.4 Квадратичная форма как симметричный билинейный функционал
- •Заключение
- •Критерии проставления оценок
- •Устная форма проведения экзамена
- •Что спрашивается на экзамене
- •О пользовании на экзамене конспектами или другой литературой
- •Литература
§50 Линейный оператор. Собственные векторы и собственные значения линейного оператора (ло). Инвариантные подпространства
50.1 Линейный оператор и его матрица в заданном базисе. Матрица суперпозиций линейного оператора
Определение: Оператор A1 (некая функция) перехода из одного линейного пространства в другое называется линейным, если выполняются два требования:
1.
2.
Пусть в пространстве
есть базис
,
в пространстве
базис
и в пространстве
-
.
И пусть имеется схема переходов между
пространствами с помощью ЛО:
Разложим образы
по
базису
:
(50.1)
Определение: Матрица вида
(i-ый столбец которой
есть координаты A1(ei))
по базису
) называется матрицей ЛО А1
по базису
.
Найдем преобразование координат:
Т.е.
(50.2)
Можно записать иначе:
Теперь пусть A3=A2A1,
т.е. (по определению) A3(x)=A2(A1(x)).
Пусть ЛО А2 имеет матрицу
,
т.е.
(50.3)
Докажем, что преобразование A3 имеет матрицу C=BA, т.е. найдем матрицу суперпозиции.
,
где
,
т.е. BA=C (
-
матрица ЛО А3 в базисе
).
50.2 Матрицы перехода к другому базису
Определение: Пусть
и
-базисы в линейном пространстве и их
разложим fk
по базису
а gj
– (j=1,2,…,n)
– по базису
(50.4)
(50.5)
Определение: Матрица
(её k-ый столбец есть
координаты fk
по базису
)
называется матрицей перехода
от базиса
к
базису
(соответственно,
матрицей перехода от базиса
к
базису
является
матрица
,
определённая равенством (50.5)
Имеем схему переходов:
(50.6)
Тогда чему будет равна матрица перехода
от базиса
к
?
Найдем эту матрицу:
;
,
т.е. B=CD, где
-
матрица перехода от базиса
к
базису
.
При этом матрица перехода от первого
базиса к второму невырождена, т. к.
имеет обратную, являющиеся матрицей
перехода от 2-го базиса к первому. (ибо
очевидно, что матрица перехода от базиса
к
нему самому есть единичная матрица).
Мы показали, что матрицей перехода от
базиса
к
по схеме (50.6) является произведением
соответствующих матриц: B=CD.
50.3 Матрица перехода для ортонормированного базиса
Пусть в рассмотренных выше случаях
базисы ортонормированны а ЕП -
вещественно. Заметим, что ЛО вещественный,
если его матрица действительна. В ОНБ
элемент линейного пространства (ЛП)
равен
.
Элемент базиса
имеет
вид:
(50.7),
где - элемент базиса . При этом матрица перехода C должна обладать свойством:
(50.8)
В самом деле, т.к. - ОНБ, то
(50.9)
Подставляя вместо fi и fj в (50.9) их выражения из (50.7), получим:
,
т.е
ибо
- ОНБ, и поэтому
)
следовательно
(ибо
-
ОНБ, и поэтому
),
т.е.
,
и равенство (50.8) доказано.
50.4 Инвариантные подпространства и ортогональные дополнения
Пусть имеется ЛО перехода из пространства X в Y.
Определение: линейное подпространство
(ЛПП) Y инвариантно,
(ИПП) если для всех элементов ЛП||Y
образ ЛПП
принадлежит ЛП||Y
или
Определение. Множество
называеться ортогональным
дополнением к
ЛПП Y,
если
и для
выполнено равенство
Теорема: Если х – ИПП в ЛП L
имеет размерность k, а ЛП
L имеет размерность n,
то ортогональные дополнения
имеет размерность n-k.
Доказательство:
Пусть
-
ОНБ в ЛПП х. Дополним его до базиса во
всём ЛП.
(см.
§18, следствие 18.1). Можно считать, что
-
ОНБ (в противном случае проведем
ортогонализацию Шмидта (см. §49, и 49.4) и
каждый элемент полученного базиса
поделим на его длину), т.е. имеет место
равенство:
(50.10)
Берём любой элемент
и разложим его по базису
:
(50.11)
Так как
,
а
х, то
(50.12), если
Тогда, умножая скалярно обе части
равенства (50.11) на
получим
.
Подставив последнее равенство в (50.11),
получим:
.
Мы покали что система
полна в
и т.к она линейно независима (является
частью ОНБ
),
то она является базисом в
из (n-k)
элементов. Теорема доказана.
