- •Линейные операторы. Квадратичные формы
- •1. Линейные операторы. Матрица линейного оператора.
- •Определение оператора. Действия с операторами.
- •1.2. Матрица линейного оператора.
- •1.3. Задачи
- •Образ и ядро линейного оператора
- •2.1. Задачи
- •Собственные векторы и собственные значения линейного оператора
- •3.2. Задачи
- •Инвариантные подпространства
- •3.1.Оператор простой структуры.
- •4.1. Задачи
- •Каноническая форма жордана
- •5.1. Задачи.
- •Линейные операторы в евклидовых и унитарных пространствах.
- •6.1. Нормальный оператор.
- •6.2. Приведение матрицы нормального оператора к диагональному виду
- •6.3. Полярное разложение оператора
- •6.4. Задачи
- •Билинейные и квадратичные формы
- •7.1. Приведение квадратичной формы к каноническому виду
- •7.1.1. Метод Лагранжа
- •7.1.2. Метод Якоби
- •7.1.3.Приведение квадратичной формы к каноническому виду в ортонормированном базисе
- •7.1.4. Задачи
- •7.2. Знакоопределенные квадратичные формы
- •7.2.1. Матрица Грама
- •7.2.2. Критерий Сильвестра
- •7.2.3. Одновременное приведение двух квадратичных форм к каноническому виду.
- •7.2.4. Задачи
- •7.3 Поверхности второго порядка
- •7.3.1. Задачи
- •Литература
- •Содержание
- •1. Линейные операторы. Матрица линейного оператора 3
- •1.1. Определение оператора. Действия с операторами 3
1.3. Задачи
1. Пусть А и В- линейные операторы, действующие из Х в . Показать, что оператор С=А+В является линейным.
2. Показать, что сложение операторов обладает следующими свойствами:
А+В=В+А,
(А+В)+С=А+(В+С).
3. Пусть А и В- линейные операторы. Показать, что оператор С=АВ является линейным.
4.
Выяснить, какие из следующих операторов
А, определенных путем задания координат
вектора
как функций координат вектора
,
являются линейными, и найти их матрицы
в том же базисе, в котором заданы
координаты вектора
:
а)
b)
с)
5.
Доказать, что существует единственное
линейное преобразование трехмерного
пространства, переводящее векторы
соответственно в
и найти матрицу этого преобразования
в том же базисе, в котором заданы
координаты всех векторов:
6.
Линейное преобразование
в базисе
,
,
имеет матрицу
Найти
его матрицу в базисе
,
,
.
7.
Пусть оператор А
в базисе
имеет матрицу
,
оператор В в базисе
имеет матрицу
.
Найти матрицу оператора А+В в базисе
.
8.
Доказать, что любое линейное преобразование
А одномерного пространства сводится к
умножению всех векторов на одно и то же
число, т.е.
.
9.
Как изменится матрица линейного
оператора, если в базисе
поменять местами векторы
и
?
Образ и ядро линейного оператора
Определение
1. Образом
линейного оператора А называется
множество всех элементов
,
представимых в виде
,
где
.
Образ
линейного оператора А является линейным
подпространством пространства
.
Его размерность
называется рангом
оператора
А.
Определение
2. Ядром
линейного оператора А называется
множество всех векторов
,
для которых
.
Ядро
является линейным подпространством
пространства Х. Его размерность
называется дефектом
оператора
А.
Если
оператор А действует в ¤ -мерном
пространстве Х, то справедливо следующее
соотношение
+
=
.
Оператор
А называется невырожденным,
если его ядро
.
Ранг невырожденного оператора
равен размерности пространства Х.
Пусть
- матрица линейного преобразования А
пространства Х в некотором базисе, тогда
координаты образа
и прообраза
связаны соотношением
.
Поэтому
координаты любого вектора
удовлетворяют системе уравнений
.
Отсюда следует, что ядро линейного оператора является линейной оболочкой фундаментальной системы решений данной системы.
2.1. Задачи
1. Доказать, что ранг оператора равен рангу его матрицы в произвольном базисе.
Вычислить ядра линейных операторов, заданных в некотором базисе пространства Х следующими матрицами:
3.
4.
5.
Доказать, что
.
Вычислить ранг и дефект операторов, заданных следующими матрицами:
6.
.
7.
.
8.
.
Собственные векторы и собственные значения линейного оператора
Рассмотрим линейный оператор А, действующий в - мерном пространстве Х.
Определение.
Число
называется собственным значением
оператора А, если
,
такой, что
.
При этом вектор
называется собственным вектором
оператора А.
Важнейшим свойством собственных векторов линейного оператора является то, что собственные векторы, соответствующие попарно различным собственным значениям линейно независимы.
Если - матрица линейного оператора А в базисе пространства Х, то собственные значения и собственные векторы оператора А определяются следующим образом:
1. Собственные значения находят как корни характеристического уравнения (алгебраического уравнения -ой степени):
.
2.
Координаты всех
линейно независимых собственных векторов
,
соответствующих каждому отдельному
собственному значению
,
получают, решая систему
однородных линейных уравнений:
матрица
которой имеет ранг
.
Фундаментальные решения этой системы
являются вектор – столбцами из координат
собственных векторов.
Корни
характеристического уравнения
называют также собственными значениями
матрицы
,
а решения системы
- собственными векторами матрицы
.
Пример. Найти собственные векторы и собственные значения оператора А, заданного в некотором базисе матрицей
1. Для определения собственных значений составляем и решаем характеристическое уравнение :
.
Отсюда
собственное значение
,
его кратность
.
2.
Для определения собственных векторов
составляем и решаем систему уравнений
:
Эквивалентная система базисных уравнений имеет вид
Поэтому
всякий собственный вектор представляет
собой вектор-столбец
,
где с – произвольная константа.
