实分析

17.1 线性变换

定义

  1. (17.1.1 行向量)n1是一个整数,我们将Rn中的元素称为**n维行向量**。我们一般将一个n维行向量记为x=(x1,x2,...,xn),也可以记为(xi)1in,其中每一个分量x1,x2,...,xn都是实数。 如果(xi)1in(yi)1in都是n维行向量,那么我们定义他们的向量和为:

    (xi)1in+(yi)1in:=(xi+yi)1in

    ​ 另外,如果cR是任意一个标量,那么我们定义**标量积c(xi)1in**为:

    c(xi)1in:=(cxi)1in

    ​ 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(1,2,3)+(4,5)是无定义的)。另外我们称Rn中的向量(0,...,0)零向量,并记为0(严格来说应该记为0Rn,但是没有必要可以标注)。最后,我们将(1)x简写为x

    (注:都是代数耳熟能详的内容了,本节差不多就是一个回顾)

  2. (17.1.3 转置)如果(xi)1in是一个n维行向量,那么我们定义它的转置(xi)1inT为:

    (xi)1inT=(x1,x2,...,xn)T:=(x1x2xn)

    并且我们将形如(xi)1inT的对象称为**n维列向量**。

    (注:这个定义纯粹是为了合并矩阵与向量的乘法)

  3. (17.1.5 标准基行向量)我们将Rn中的n个特殊行向量e1,...,en称为标准基行向量。其中对每一个1jnej是第j个分量为1其余分量均为0n维行向量。

    (注:因此Rn中的每一个向量x=(x1,x2,...,xn)都可以表示为形如j=1nxjej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)

  4. (17.1.6 线性变换)线性变换T:RnRm是一类满足特殊公理的从一个欧几里得空间Rn到另一个欧几里得空间R函数,具体需要满足:

    1. (可加性)对于任意的x,xRn,都有T(x+x)=T(x)+T(x)
    2. (齐次性)对于任意的xRn和任意的cR,都有T(cx)=cT(x)

    (注:本节中给出了几个线性变换的例子,看看就行)

  5. (17.1.7 膨胀算子?)对于任意的n,定义为T1x:=5x膨胀算子T1:RnRn是一个线性变换。

  6. (17.1.8 旋转算子?)旋转算子T1:RnRn的定义是将R2中的每一个向量都沿顺时针方向旋转π/2弧度,这个算子也是一个线性变换。

  7. (17.1.9 三个例子?)定义为T3(x,y,z):=(x,y)射影算子T3:R3R2是一个线性变换;定义为T2(x,y):=(x,y,0)包含算子T4:R2R3是一个线性变换;最后,对于任意的n,定义为Inx:=x恒等算子In:RnRn是一个线性变换。

  8. (17.1.10 矩阵)m×n矩阵是具有如下形式的对象A

    A=(a11a12a1na21a22a2nam1am2amn)

    也可以简写为:

    A=(aij)1im;1jn

    其中对每一个1im1jnaij都是一个实数。因此n维行向量就是一个1×n矩阵,n维列向量就是一个n×1矩阵。

  9. (17.1.11 矩阵的乘积)给定一个m×n矩阵A和一个n×p矩阵B,我们可以把矩阵乘积AB定义为下面这个m×p矩阵:

    (aij)1im;1jn(bjk)1jn;1kp:=(j=1naijbjk)1im;1kp

    ​ 特别地,如果xT=(xi)1inT是一个n维列向量,并且A=(aij)1im;1jn是一个m×n矩阵,那么AxT就是一个m维列向量:

    AxT=(j=1naijxj)1imT

    ​ 借此我们可以将矩阵和线性变换联系起来。如果A是一个m×n矩阵,那么我们可以把变换LA:RnRm定义为:

    (LAx)T:=AxT

    (注:这揭示了每一个矩阵都对应者一个线性变换)


命题

  1. (17.1.2 Rn是一个向量空间)x,y,z都是Rn中的向量,并设c,d是实数。那么我们有加法交换律:x+y=y+x;加法结合律:(x+y)+z=x+(y+z);加法恒等性:x+0=0+x=x;加法逆元性:x+(x)=(x)+x=0;乘法结合律:(cd)x=c(dx);分配律:c(x+y)=cx+cy(c+d)x=cx+dx;乘法恒等性:1x=x

  2. (17.1.13)T:RnRm是一个线性变换,那么恰好存在一个m×n矩阵A使得T=LA

    (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T=LA,那么A有时被称为T矩阵表示,并记有A=[T](但是本书不用这个记号))

  3. (17.1.16)A是一个m×n矩阵,B是一个n×p矩阵,那么LALB=LAB


课后习题

17.1.1 证明引理17.1.2

我们设x=(xi)1iny=(yi)1inz=(zi)1in。然后逐条证明:


  1. 加法交换律:x+y=y+x

根据定义我们有:

x+y=(xi+yi)1in=(yi+xi)1in=y+x

于是结论得证。


  1. 加法结合律:(x+y)+z=x+(y+z)

根据定义我们有:

(x+y)+z=(xi+yi)1in+(zi)1in=((xi+yi)+zi)1in=(xi+(yi+zi))1in=(xi)1in+(yi+zi)1in=x+(y+z)

于是结论得证。


  1. 加法恒等性:x+0=0+x=x

根据定义我们有:

x+0=(xi+0)1in=(xi)1in=x

利用加法交换律即有x+0=0+x,于是结论得证。


  1. 加法逆元性:x+(x)=(x)+x=0

根据定义我们有:

x+(x)=(xi+(xi))1in=(0)1in=0

利用加法交换律即有x+(x)=(x)+x,于是结论得证。


  1. 乘法结合律:(cd)x=c(dx)

根据定义我们有:

(cd)x=((cd)xi)1in=(c(dxi))1in=c(dxi)1in=c(dx)

于是结论得证。


  1. 分配律:c(x+y)=cx+cy(c+d)x=cx+dx

根据定义我们有:

c(x+y)=c(xi+yi)1in=(c(xi+yi))1in=(cxi+cyi)1in=(cxi)1in+(cyi)1in=cx+cy(c+d)x=((c+d)xi)1in=(cxi+dxi)1in=(cxi)1in+(dxi)1in=cx+dx

于是结论得证。


  1. 乘法恒等性:1x=x

根据定义我们有:

1x=(1xi)1in=(xi)1in=x

于是结论得证。

17.1.2 设T:RnRm是一个线性变换,并且S:RpRn也是一个线性变换。定义TS的复合TS:RpRmTS(x):=T(S(x))。试证明:这两个变换的复合TS也是一个线性变换(提示:通过使用大量的括号,小心地展开TS(x+y)TS(cx)

根据线性变换的定义,对任意的x,yRp与任意的cR,应当有:

TS(x+y)=T(S(x+y))=T(S(x)+S(y))=T(S(x))+T(S(y))=TS(x)+TS(y)TS(cx)=T(S(cx))=T(cS(x))=cT(S(x))=cTS(x)

于是根据线性变换的定义(定义17.1.6)我们有TS也是一个线性变换,结论得证。

17.1.3 证明引理17.1.16

A=(aij)1im;1jnB=(bjk)1jn;1kp。考虑任意的p维行向量x=(xi)1kp,根据定义我们有:

(LB(x))T=BxT=(k=1pbjkxk)1jnTLB(x)=(k=1pbjkxk)1jn(LA(LB(x)))T=ALB(x)T=(j=1naij(k=1pbjkxk))1imTLALB(x)=(j=1naij(k=1pbjkxk))1im

同样,根据定义有:

(LAB(x))T=(AB)xT=(k=1p(j=1naijbjk)xk)1imTLAB(x)=(k=1p(j=1naijbjk)xk)1im

注意到根据有限级数的富比尼定理(定理7.1.14),对任意的1im都应该有:

k=1p(j=1naijbjk)xk=k=1pj=1naijbjkxk=j=1nk=1paijbjkxk=j=1naij(k=1pbjkxk)

因此即有LALB(x)=LAB(x)对任意的xRp都成立,从而引理17.1.16得证。

17.1.4 设T:RnRm是一个线性变换。证明:存在一个数M>0,使得对于所有的xRn都有TxMx(提示:根据引理17.1.13,用矩阵A来表述T。然后让M等于A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RnRm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TxMx当且仅当Tx2M2x2,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m×n矩阵A=(aij)1im;1jn使得T=LA,从而对任意的x=(xi)1inRn有:

Tx=LAx=(j=1naijxj)1im

于是有:

Tx2=i=1m(j=1naijxj)2

注意到:

(j=1naijxj)2(j=1n|aijxj|)2nj=1naij2xj2

(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:

Tx2ni=1mj=1naij2xj2=nj=1n(i=1maij2)xj2

于是我们令M:=nj=1ni=1maij2,则此时有:

M2x2=nj=1n(k=1ni=1maik2)xj2nj=1n(i=1maij2)xj2Tx2

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T:RnRm,根据上面的结论我们知道存在一个对应的M>0。然后考虑任意的ε>0与任意的x0Rn,我们取δ:=εM,于是对任意的xRn满足dl2(x,x0)<δ,我们有:

dl2(Tx,Tx0)=TxTx0=T(xx0)Mxx0<Mδ=ε

于是即Tx0处连续,由于x0任意因此也即TRn上的连续函数,第二个结论得证。