Прикладная математика

Лекция 5 · Часть I

Линейные отображения

Уже открыта
1

Линейное отображение

Линейное отображение — умная машинка. Сложение и умножение на число проходят через неё без изменений.

Сначала сложи

  • Сложи v₁ и v₂
  • Отдай сумму машине

Сначала машина

  • Отдай v₁ и v₂ машине
  • Сложи два ответа
результат одинаковый
A(λ₁v₁ + λ₂v₂) = λ₁A(v₁) + λ₂A(v₂)
Одна формула заменяет два правила: сложение и умножение на число. Ноль переходит в ноль.

Запомни

  • Инъективно: разным входам соответствуют разные выходы.
  • Сюръективно: каждый элемент W получается из какого-то входа.
  • Биективно: и инъективно, и сюръективно. Тогда отображение обратимо.
  • Линейное отображение задаётся образами базисных векторов.

Слова для взрослых

отображение
правило: каждому элементу V ставится в соответствие один элемент W
образ и прообраз
образ — результат; прообраз — то, из чего он получился
Какие два условия делают отображение линейным?

Сумма переходит в сумму образов, число выносится за знак.

2

Ядро и образ

Ядро — всё, что превращается в ноль. Образ — всё, что получилось на выходе.

Ядро Ker A

  • Векторы, которые стали нулём

Образ Im A

  • Всё, что получилось на выходе
dim(Ker A) + dim(Im A) = dim V
Размер ядра плюс размер образа равен размеру исходного пространства.

Запомни

  • Ядро и образ — тоже подпространства: «комнатки» внутри пространств.
  • Инъективно тогда и только тогда, когда ядро состоит из одного нуля.
  • Сюръективно, когда ранг равен dim W.
  • Биективно и обратимо, когда матрица квадратная и невырожденная.

Слова для взрослых

ядро Ker A
все векторы, которые превращаются в ноль
дефект и ранг
дефект — размер ядра; ранг — размер образа, он равен рангу матрицы
Когда линейное отображение инъективно?

Когда ядро состоит только из нулевого вектора.

3

Матрица отображения

Матрица отображения записывает, во что превратился каждый базисный кубик.

  1. Выбери базис в V и базис в W.
  2. Найди образ первого базисного вектора.
  3. Разложи его по базису W — это первый столбец.
  4. Повтори для остальных базисных векторов.
w = A·v
Координаты образа w получаем умножением матрицы A на координаты прообраза v.

Запомни

  • Тождественное отображение: матрица — единичная E.
  • Поворот на угол φ: матрица с cos φ и sin φ.
  • Нулевое отображение: матрица из одних нулей.
  • Дифференцирование: x^k переходит в k·x^(k−1).

Слова для взрослых

матрица линейного отображения
таблица из координат образов базисных векторов
координатный столбец
столбик координат вектора в выбранном базисе
Что записываем в первый столбец матрицы?

Координаты образа первого базисного вектора.

4

Линейные операторы

Оператор — линейное отображение пространства в само себя. Его матрица меняется при смене базиса.

Матрица A в базисе e
Пересчёт: S⁻¹·A·S
Матрица A в базисе f
A_f = S⁻¹ · A_e · S
S — матрица перехода от базиса e к базису f. Такие матрицы называют подобными.

Запомни

  • Поворот на угол φ: вектор крутится против часовой стрелки.
  • Гомотетия с λ растягивает векторы в λ раз; при λ = −1 — центральная симметрия.
  • Проекция на L₁ параллельно L₂: остаётся часть из L₁.
  • Отражение от L₁ вдоль L₂: часть из L₂ меняет знак.

Слова для взрослых

линейный оператор
линейное отображение пространства в самого себя
подобные матрицы
матрицы одного и того же преобразования в разных базисах
Что делает гомотетия с λ = 2?

Растягивает каждый вектор в 2 раза.

Оригинал в курсе: LinearMapping1 · LinearMapping2.pdf
Практики по теме: №7 — Линейные отображения