线性映射

研究线性映射是研究线性空间之间的映射.

线性映射可以表示为矩阵的形式,所以在线性映射中矩阵中的大量概念都可以找到对应关系.

线性映射与线性变换

设 VV 和 WW 是域 FF 上的两个线性空间,TT 是 VV 到 WW 的一个映射.

如果对于 WW 中任意的向量 xx 和 yy,域 FF 中任意的标量 kk 和 ll,有:

T(kx+ly)=kTx+lTyT(kx+ly)=kTx+lTy

称 TT 是 VV 到 WW 的一个线性映射.如果 W=VW=V,则称 TT 是 VV 上的一个线性变换.

例如,恒等变换 TeT_e 保持空间不变,零变换 T0T_0 将空间映射至零空间.

可以记 L(V,W)L(V,W) 为所有 VV 到 WW 的线性映射构成的集合.对于全体线性变换 L(V,V)L(V,V),也记为 L(V)L(V).

性质

  • 线性映射将零向量映射到零向量.
  • 线性映射保持线性运算形式不变,即,线性运算的线性映射,等于线性映射的线性运算.
  • 线性映射保持线性相关性,即,映射前线性相关,映射后也线性相关.

但是线性映射不保持线性无关性.映射前线性无关,映射后不一定线性无关.

线性映射的矩阵表示

设 VV 的维数是 nn,VV 的一组基为 α1,⋯ ,αn\alpha_1,\cdots,\alpha_n,WW 的维数是 mm,WW 的一组基为 β1,⋯ ,βm\beta_1,\cdots,\beta_m,TT 是 VV 到 WW 的一个线性映射.

将每个 α\alpha 经由 TT 映射后的向量用 β\beta 表示:

Tαj=a1jβ1+⋯+amjβmT\alpha_j=a_{1j}\beta_1+\cdots+a_{mj}\beta_m

采用矩阵记法:

T(α1,⋯ ,αn)=(Tα1,⋯ ,Tαn)=(β1,⋯ ,βm)AT(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)=(T\alpha_1,\cdots,T\alpha_n)=(\beta_1,\cdots,\beta_m)A

称矩阵 AA 为线性映射 TT 在这两组基下的矩阵表示.

线性映射的核空间与像空间

这里的核空间与像空间是站在线性映射的视角下叙述的.借助矩阵表示可以看出,线性映射的核空间与像空间与矩阵的核空间与像空间是一致的.

设 TT 是由空间 VV 到空间 WW 的线性映射,令:

N(T)={x∈V∣Tx=0}N(T)=\{x\in V|Tx=0\} R(T)=Im(T)={y∈W∣y=Tx,Vx∈V}R(T)=Im(T)=\{y\in W|y=Tx,Vx\in V\}

易验证 N(T)N(T) 为 VV 的子空间,R(T)R(T) 为 WW 的子空间,称 N(T)N(T) 及 R(T)R(T) 为 VV 的核空间和像空间,并称 N(T)N(T) 的维数为 TT 的 零度 或 亏,R(T)R(T) 的维数为 TT 的 秩.

定理:设 TT 是由空间 VV 到空间 WW 的线性映射,VV 的维数有限,则 N(T)N(T) 及 R(T)R(T) 均为有限维,且有:

dim⁡N(T)+dim⁡R(T)=dim⁡V\operatorname{dim} N(T)+\operatorname{dim} R(T)=\operatorname{dim} V

即 TT 的亏加秩等于其定义域 VV 的维数.

线性变换的矩阵表示

设 VV 的维数是 nn,VV 的一组基为 α1,⋯ ,αn\alpha_1,\cdots,\alpha_n,TT 是 VV 上的一个线性变换,则有:

Tαj=a1jα1+⋯+anjαnT\alpha_j=a_{1j}\alpha_1+\cdots+a_{nj}\alpha_n

采用矩阵记法:

T(α1,⋯ ,αn)=(Tα1,⋯ ,Tαn)=(α1,⋯ ,αn)AT(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)=(T\alpha_1,\cdots,T\alpha_n)=(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)A

称矩阵 AA 为线性变换 TT 在这组基下的矩阵表示.

由空间结构和 TT 的线性性质,TT 由 Tα1,⋯ ,TαnT\alpha_1,\cdots,T\alpha_n 完全确定,故由 TT 唯一确定一个矩阵 AA.

定理:设 VV 的维数是 nn,α1,⋯ ,αn\alpha_1,\cdots,\alpha_n 为 VV 的一组基,任取 nn 阶方阵 AA,有且仅有一个从 VV 到 VV 的线性变换 TT,使得 TT 的矩阵恰好为 AA.

推论:在 L(V,V)L(V,V) 和全体 nn 阶方阵之间存在一一对应关系.

例如:零变换对应零矩阵,恒等变换对应单位矩阵.

线性变换构成的空间

定理:L(V)L(V) 也可以构成线性空间,引入 L(V)L(V) 中的运算:对于 L(V)L(V) 中任意的 T1T_1 与 T2T_2,VV 中任意的 xx,域 FF 中任意的 kk,有:

(T1+T2)x=T1x+T2x(T_1+T_2)x=T_1x+T_2x (kT1)x=k(T1x)(kT_1)x=k(T_1x)

容易验证 L(V)L(V) 是 FF 上的一个线性空间,即线性变换空间.

对于 L(V)L(V) 中的线性变换 T1T_1 与 T2T_2,定义 T1T_1 与 T2T_2 的乘积 T1T2T_1T_2 为:

(T1T2)x=T2(T1x)(T_1T_2)x=T_2(T_1x)

可以验证 (T1T2)(T_1T_2) 也是 L(V)L(V) 中的线性变换,并且线性变换的乘积满足结合律,而不满足交换律,与矩阵的乘积类似.

对于 L(V)L(V) 中的线性变换 T1T_1,如果 L(V)L(V) 中的线性变换 T2T_2,使得对于 VV 中任意的向量 xx,有:

(T1T2)x=T1(T2x)=x(T_1T_2)x=T_1(T_2x)=x

则称 T2T_2 是 T1T_1 的逆变换,记作:

T2=T1−1T_2=T_1^{-1}

且有:

T1T2=T2T1=TeT_1T_2=T_2T_1=T_e

定理:设 VV 的维数为 nn,α1,⋯ ,αn\alpha_1,\cdots,\alpha_n 为 VV 的一组基,在这组基下线性变换 T1T_1 的矩阵为 AA,T2T_2 的矩阵为 BB,则:

  • 线性变换 T1+T2T_1+T_2 的矩阵为 A+BA+B
  • 线性变换的数乘 kT1kT_1 的矩阵为 kAkA
  • 线性变换的乘积 T1T2T_1T_2 的矩阵为 ABAB
  • 线性变换 T1T_1 的逆变换若存在,矩阵为 A−1A^{-1}

坐标

设 nn 个向量 xx 是 nn 维空间 VV 的一个基,对于 VV 中任意的向量 yy,令 yy 为:

y=a1x1+a2x2+⋯+anxn=(x1,x2,⋯ ,xn)(a1a2⋮an)y=a_1x_1+a_2x_2+\cdots+a_nx_n=(x_1,x_2,\cdots,x_n)\begin{pmatrix}a_1\\a_2\\\vdots\\a_n\end{pmatrix}

称列向量:

(a1a2⋮an)\begin{pmatrix}a_1\\a_2\\\vdots\\a_n\end{pmatrix}

为向量 yy 在基 x1,x2,⋯ ,xnx_1,x_2,\cdots,x_n 下的 坐标.

可见,坐标是由域中的标量构成的列向量,与阿贝尔群中的向量应当进行区分.

坐标变换公式

设 VV 的维数为 nn,L(V)L(V) 中有变换 TT,TT 在基 α1,⋯ ,αn\alpha_1,\cdots,\alpha_n 下的矩阵为 AA.设:

ξ=(α1,⋯ ,αn)(x1x2⋮xn)\xi=(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\\vdots\\x_n\end{pmatrix}

且有:

Tξ=T(α1,⋯ ,αn)(y1y2⋮yn)T\xi=T(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)\begin{pmatrix}y_1\\y_2\\\vdots\\y_n\end{pmatrix}

则有:

Tξ=T(α1,⋯ ,αn)(y1y2⋮yn)=(α1,⋯ ,αn)A(x1x2⋮xn)T\xi=T(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)\begin{pmatrix}y_1\\y_2\\\vdots\\y_n\end{pmatrix}=(\alpha_1,\cdots,\alpha_n)A\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\\vdots\\x_n\end{pmatrix}

空间 VV 中的列向量点本质上都是「基乘坐标」的形式.空间 VV 中的列向量点 xx,本身用了单位阵 II 作为基,即 x=Ixx=Ix.

只有同一个基,基不动的时候,单纯的线性变换 TT,就是坐标左乘普通矩阵.

把线性变换 TT 看成对于空间 VV 的一个观测滤镜.线性变换 TT 的作用对象是空间 VV,将空间 VV 扭曲了.加了滤镜之后,点本身的位置没有变.

这个定理也说明,对于列向量基的线性变换 TT,等价于对于基右乘一个过渡矩阵.

于是,在不同的基之间,坐标关系是左乘过渡矩阵的逆矩阵.

过渡矩阵

设 nn 个向量 xx 与 nn 个向量 yy 是空间 VV 的两组基.对于 1≤i≤n1\leq i\leq n,令每个向量 yiy_i 在基 x1,x2,⋯ ,xnx_1,x_2,\cdots,x_n 下的坐标为:

yi=(x1,x2,⋯ ,xn)(a1ia2i⋮ani)y_i=(x_1,x_2,\cdots,x_n)\begin{pmatrix}a_{1i}\\a_{2i}\\\vdots\\a_{ni}\end{pmatrix}

于是 nn 个向量 yy 排成等式左边的矩阵,nn 个坐标排成等式右边的矩阵 AA:

(y1,y2,⋯ ,yn)=(x1,x2,⋯ ,xn)A(y_1,y_2,\cdots,y_n)=(x_1,x_2,\cdots,x_n)A

矩阵 AA 称为由基 x1,x2⋯ ,xnx_1,x_2\cdots,x_n 到基 y1,y2⋯ ,yny_1,y_2\cdots,y_n 的 过渡矩阵,也称为变换矩阵.

显然过渡矩阵可逆.对于上式,由基 y1,y2⋯ ,yny_1,y_2\cdots,y_n 到基 x1,x2⋯ ,xnx_1,x_2\cdots,x_n 的过渡矩阵为 A−1A^{-1}.

可见,过渡矩阵是由域中的标量构成的矩阵,并非阿贝尔群中的向量排成的矩阵,应当予以区分.

设 nn 个向量 xx 与 nn 个向量 yy 是空间 VV 的两组基.对于空间 VV 中的同一个向量 zz,有:

z=(x1,x2,⋯ ,xn)(ξ1ξ2⋮ξn)=(y1,y2⋯ ,yn)(η1η2⋮ηn)z=(x_1,x_2,\cdots,x_n)\begin{pmatrix}\xi_1\\\xi_2\\\vdots\\\xi_n\end{pmatrix}=(y_1,y_2\cdots,y_n)\begin{pmatrix}\eta_1\\\eta_2\\\vdots\\\eta_n\end{pmatrix}

代入上文的

(y1,y2⋯ ,yn)=(x1,x2⋯ ,xn)A(y_1,y_2\cdots,y_n)=(x_1,x_2\cdots,x_n)A

由唯一性,得到:

(ξ1ξ2⋮ξn)=A(η1η2⋮ηn)\begin{pmatrix}\xi_1\\\xi_2\\\vdots\\\xi_n\end{pmatrix}=A\begin{pmatrix}\eta_1\\\eta_2\\\vdots\\\eta_n\end{pmatrix}

或者

(η1η2⋮ηn)=A−1(ξ1ξ2⋮ξn)\begin{pmatrix}\eta_1\\\eta_2\\\vdots\\\eta_n\end{pmatrix}=A^{-1}\begin{pmatrix}\xi_1\\\xi_2\\\vdots\\\xi_n\end{pmatrix}

这是纯粹坐标之间的变换,坐标变换公式均在标量域中.由于前文做了区分,线性空间与阿贝尔群中的向量是「抽象的向量」,而坐标与过渡矩阵的元素均在标量域中,视为「具体的向量」,两种向量应当视为「不同的东西」.

矩阵可以对整个空间,即全体坐标进行变换,列向量 xx 作为坐标遍布整个空间.

单位矩阵 II 由单位向量构成.矩阵 AA 会将单位矩阵 II 变换到矩阵 AA 的每个列向量,即将单位向量变换到矩阵 AA 的每个列向量.因此左乘矩阵 AA,也可以视为将空间做了这样的变换.

向量左乘矩阵,也可以视为坐标左乘向量组.用坐标的观点看待就是:

Iy=XaIy=Xa

同一个列向量 yy,在「正常」的空间,单位矩阵 II 代表的空间下,坐标为 yy,在变换后新的空间里,坐标将记为 aa.这样一来,矩阵 XX 不仅是正常空间下的一组基,也是从向量组 II 到向量组 XX 的过渡矩阵.

线性变换 TT 会将一个基映射为另一个基,于是坐标也被映射为另一个坐标.

如果将基 α\alpha 映射到 β\beta 对应的线性变换 TT 的过渡矩阵是 AA,那么对应的基矩阵就有 β=αA\beta=\alpha A.

于是坐标的关系恰好反过来.假设线性变换 TT 映射后的坐标是 bb,即加滤镜后观察到坐标 bb,于是点在 VV 的表示就是 βb\beta b.还原的办法就是用过渡矩阵,把点在 VV 的表示写成 αAb\alpha Ab.于是坐标变换为左乘过渡矩阵的逆矩阵的看法就明显了.

线性变换与矩阵相似

在空间 VV 中的一个线性变换 TT 对于空间 VV 的基 α\alpha 的关系:

线性变换 TT 作用于基 α\alpha,将基 α\alpha 映射到了 T(α)T(\alpha),相当于在基 α\alpha 右乘一个 AA,即 T(α)=αAT(\alpha)=\alpha A.

矩阵相似考虑的问题是:同一个线性变换 TT,在基 β\beta 的空间 VV 中描述为矩阵 BB,在基 α\alpha 的空间 VV 中描述为矩阵 AA.

如果过渡矩阵为 CC,即 β=αC\beta=\alpha C,那么两个描述 BB 和 AA 之间有怎样的联系.

由于是同一个变换 TT,可以发现一个事实,变换前后的过渡矩阵关系始终成立,即:

T(β)=T(α)C=αACT(\beta)=T(\alpha)C=\alpha AC

线性变换 TT 在基 β\beta 视角下仍旧为右乘,基 β\beta 转化到基 α\alpha 再右乘一个 CC,变换前后保持过渡矩阵 CC 的关系:

T(β)=βB=αCBT(\beta)=\beta B=\alpha CB

于是问题得到解决:

B=C−1ACB=C^{-1}AC

定理:设 L(V)L(V) 中有变换 TT,则 TT 在不同基下的矩阵 相似.

对于方阵 AA 和方阵 BB,如果存在可逆矩阵 CC 使得 B=C−1ACB=C^{-1}AC,则 AA 和 BB 相似.

矩阵相似保持秩不变,因此矩阵相似可以推出矩阵等价.但是,等价的两个矩阵未必相似.

由于矩阵相似与形状密切相关,因此矩阵相似和向量组等价、方程组同解之间没有关系.

回过头来,矩阵相似的解释就是 4 个等式:β=αC\beta=\alpha C、T(α)=αAT(\alpha)=\alpha A、T(β)=βBT(\beta)=\beta B、T(β)=T(α)CT(\beta)=T(\alpha)C.

参考资料

本文内容来自 OI Wiki《线性映射》;作者与修订历史见原文。AIOJ 对排版、站内链接和资源路径做了格式适配。

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