17.1 线性变换
定义
(17.1.1 行向量)设
是一个整数,我们将 中的元素称为** 维行向量**。我们一般将一个 维行向量记为 ,也可以记为 ,其中每一个分量 都是实数。 如果 和 都是 维行向量,那么我们定义他们的向量和为: 另外,如果
是任意一个标量,那么我们定义**标量积 **为: 如果两个向量的维数不同,那么我们不定义他们之间的加法运算(例如
是无定义的)。另外我们称 中的向量 为零向量,并记为 (严格来说应该记为 ,但是没有必要可以标注)。最后,我们将 简写为 。 (注:都是代数耳熟能详的内容了,本节差不多就是一个回顾)
(17.1.3 转置)如果
是一个 维行向量,那么我们定义它的转置 为: 并且我们将形如
的对象称为** 维列向量**。 (注:这个定义纯粹是为了合并矩阵与向量的乘法)
(17.1.5 标准基行向量)我们将
中的 个特殊行向量 称为标准基行向量。其中对每一个 , 是第 个分量为 其余分量均为 的 维行向量。 (注:因此
中的每一个向量 都可以表示为形如 的标准基行向量的线性组合;类似地也可以定义标准基列向量;基向量可以有很多可能,但是这里不讨论这些,这里给出的是最简单的一种) (17.1.6 线性变换)线性变换
是一类满足特殊公理的从一个欧几里得空间 到另一个欧几里得空间 函数,具体需要满足: - (可加性)对于任意的
,都有 。 - (齐次性)对于任意的
和任意的 ,都有 。
(注:本节中给出了几个线性变换的例子,看看就行)
- (可加性)对于任意的
(17.1.7 膨胀算子?)对于任意的
,定义为 的膨胀算子 是一个线性变换。 (17.1.8 旋转算子?)旋转算子
的定义是将 中的每一个向量都沿顺时针方向旋转 弧度,这个算子也是一个线性变换。 (17.1.9 三个例子?)定义为
的射影算子 是一个线性变换;定义为 的包含算子 是一个线性变换;最后,对于任意的 ,定义为 的恒等算子 是一个线性变换。 (17.1.10 矩阵)
矩阵是具有如下形式的对象 : 也可以简写为:
其中对每一个
与 , 都是一个实数。因此 维行向量就是一个 矩阵, 维列向量就是一个 矩阵。 (17.1.11 矩阵的乘积)给定一个
矩阵 和一个 矩阵 ,我们可以把矩阵乘积 定义为下面这个 矩阵: 特别地,如果
是一个 维列向量,并且 是一个 矩阵,那么 就是一个 维列向量: 借此我们可以将矩阵和线性变换联系起来。如果
是一个 矩阵,那么我们可以把变换 定义为: (注:这揭示了每一个矩阵都对应者一个线性变换)
命题
(17.1.2
是一个向量空间)设 都是 中的向量,并设 是实数。那么我们有加法交换律: ;加法结合律: ;加法恒等性: ;加法逆元性: ;乘法结合律: ;分配律: 和 ;乘法恒等性: 。 (17.1.13)设
是一个线性变换,那么恰好存在一个 矩阵 使得 。 (注:这揭示了每一个线性变换都对应者一个矩阵,这样便建立了线性变换与矩阵之间的一一对应关系;如果
,那么 有时被称为 的矩阵表示,并记有 (但是本书不用这个记号)) (17.1.16)设
是一个 矩阵, 是一个 矩阵,那么 。
课后习题
17.1.1 证明引理17.1.2
我们设
, 与 。然后逐条证明:
- 加法交换律:
。 根据定义我们有:
于是结论得证。
- 加法结合律:
。 根据定义我们有:
于是结论得证。
- 加法恒等性:
。 根据定义我们有:
利用加法交换律即有
,于是结论得证。
- 加法逆元性:
。 根据定义我们有:
利用加法交换律即有
,于是结论得证。
- 乘法结合律:
; 根据定义我们有:
于是结论得证。
- 分配律:
和 ; 根据定义我们有:
于是结论得证。
- 乘法恒等性:
。 根据定义我们有:
于是结论得证。
17.1.2 设 是一个线性变换,并且 也是一个线性变换。定义 和 的复合 为 。试证明:这两个变换的复合 也是一个线性变换(提示:通过使用大量的括号,小心地展开 和 )
根据线性变换的定义,对任意的
与任意的 ,应当有: 于是根据线性变换的定义(定义17.1.6)我们有
也是一个线性变换,结论得证。
17.1.3 证明引理17.1.16
设
与 。考虑任意的 维行向量 ,根据定义我们有: 同样,根据定义有:
注意到根据有限级数的富比尼定理(定理7.1.14),对任意的
都应该有: 因此即有
对任意的 都成立,从而引理17.1.16得证。
17.1.4 设 是一个线性变换。证明:存在一个数 ,使得对于所有的 都有 (提示:根据引理17.1.13,用矩阵 来表述 。然后让 等于 的所有元素的绝对值之和;多使用三角不等式,它要比处理平方根之类的事情要容易)进而推导出从 到 的每一个线性变换都是连续的
我们先证明第一个结论,我们知道
当且仅当 ,于是我们只需要讨论平方的情况即可(这要方便一点)。 根据引理17.1.13,我们知道存在一个
矩阵 使得 ,从而对任意的 有: 于是有:
注意到:
(利用出租车度量与欧几里得度量的大小关系(例12.1.7))
于是利用有限级数的富比尼定理我们有:
于是我们令
,则此时有: 于是第一个结论得证。
然后我们证明第二个结论,对任意的线性变换
,根据上面的结论我们知道存在一个对应的 。然后考虑任意的 与任意的 ,我们取 ,于是对任意的 满足 ,我们有: 于是即
在 处连续,由于 任意因此也即 是 上的连续函数,第二个结论得证。