# 矩陣觀點下的線性變換
# 基本觀念
# 有序基底
R3 的標準基底是{e1,e2,e3}
β={e1,e2,e3},γ={e1,e3,e2}
兩者皆是R3 的標準基底,但β=γ
# 標準有序基底
Rn 的標準有序基底是{e1,e2,...,en}
Pn(R) 的標準有序基底是{1,x,...,xn}
Mmxn(R) 的標準有序基底是{Eij∣1≤i≤m,1≤j≤n}
# 表示矩陣
設T:V→W 是一個有限維度的線性變換
且β={v1,...vn}, γ={w1,...,wn} 分別是 V 與 W 的標準基底
則,存在aij∈F 使得T(vi) 是∑aijwi
[T]βγ:=(aij)m×n=A 稱為 T (由β 到γ) 的表示矩陣
note
若V=W 且β=γ⇒[T]β=A
# 範例們
T:R2(a1,a2)⟶↦R3(a1+3a2,0,2a1−4a2)
β={e1,e2},γ={e1,e2,e3}
{T(1,0)T(0,1)=(1,0,2)=(3,0,−4)=1e1+0e2+2e3=3e1+0e2−4e3}⇒[T]βγ=⎣⎢⎡10230−4⎦⎥⎤
T:P2(R)f(x)⟶↦P1(R)f′(x)
β={1,x,x2},γ={1,x}
⎩⎪⎨⎪⎧T(1)T(x)T(x2)=0=1=2x=0×1+0x=1×1+0x=0×1+2x⎭⎪⎬⎪⎫⇒[T]βγ=[001002]
# 線性變換的合成 <-> 矩陣相乘
# 定理
令T:V→W,U:W→Z 是有限維度的線性變換
且其基底分別為α,β,γ
則,U∘T:V→Z 會是一個有限維度的線性變換
且,[U∘T]αγ=[U]βγ⋅[T]αβ
# 範例們
令T:P1(R)f(x)⟶↦P2(R)∫0xf(t)dt
U:P2(R)f(x)⟶↦P1(R)f′(x)
α={1,x},β={1,x,x2},γ={1,x}
(U∘T)(ax+b)=ax+b,∀ax+b∈P1(R)⇒[U∘T]αγ=[1001]
In fact
[U]βγ=[001002],[T]αβ=⎣⎢⎡0100021⎦⎥⎤⇒[U]βγ⋅[T]αβ=[1001]
令T:M2(R)(acbd)⟶↦P2(R)(a+b)+2dx+bx2
U:P2(R)f(x)⟶↦M2(R)(f(0)f(2)f(1)f(0))
(U∘T)((acbd))=U(a+b+2dx+bx2)=(a+ba+5b+4da+2b+2da+b)
⇒[U∘T]αγ=⎣⎢⎢⎢⎡1111125100000240⎦⎥⎥⎥⎤
In fact
[U]βγ=⎣⎢⎢⎢⎡111101200140⎦⎥⎥⎥⎤,[T]αβ=⎣⎢⎡100101000020⎦⎥⎤⇒[U]βγ⋅[T]αβ=⎣⎢⎢⎢⎡1111125100000240⎦⎥⎥⎥⎤
# 定義
若β={v1,…,vn} 是一組 V 的一組有序基底
設x=∑aivi∈V => 定義x 的座標向量為 [T]β=⎝⎜⎜⎜⎛a1a2...an⎠⎟⎟⎟⎞
V=M2(R),β={1,x,x2},f(x)=4+6x−7x2⇒[f]β=⎝⎛46−7⎠⎞
γ={1,x−1,(x−1)2}⇒[f]γ=⎝⎛3−8−7⎠⎞
V=M2(R),β={E11,E12,E21E22}
若A=(1324)∈V⇒[A]γ=⎝⎜⎜⎜⎛1234⎠⎟⎟⎟⎞
# 定理
令T:V→W 是一個有限維度的線性變換,且β,γ 分別是 V 與W 的有序基底。
則,[T(x)]γ=[T]βγ[x]β∀x∈V
T:P2(R)f(x)⟶↦M2(R)(f(1)−f(2)00f(0))⇒[T]βγ=⎣⎢⎢⎢⎡0001−1000−3000⎦⎥⎥⎥⎤
若f(x)=1−x+x2⇒[f]β=⎝⎛1−11⎠⎞,T(f)=[−2001]⇒[T(f)]γ=⎝⎜⎜⎜⎛−2001⎠⎟⎟⎟⎞
[T(f)]γ=[T]βγ[f]β⇒⎝⎜⎜⎜⎛−2001⎠⎟⎟⎟⎞=⎣⎢⎢⎢⎡0001−1000−3000⎦⎥⎥⎥⎤⎝⎛1−11⎠⎞
T:P2(R)f(x)⟶↦P1(R)f′(x)⇒[T]βγ=[001002]
若f(x)=2−4x+x2⇒[f]β=⎝⎛2−41⎠⎞,T(f)=−4+2x⇒[T(f)]γ=(−42)
[T(f)]γ=[T]βγ[f]β⇒(−42)=[001002]⎝⎛2−41⎠⎞
# 線性變換的反函數 <-> 反矩陣
# 定義
若T:V→W,U:W→Z 是線性變換,
且(T∘U)(w)=w,∀w∈W,(U∘T)(v)=v,∀v∈V
則: U,T 互為對方的反變換,計作 T=U−1 且U=T^
# 範例們
f(x)=x 的反變換⇒f−1(x)=x
f(x)=0 的反變換⇒ 不存在
f(x)=x+2 的反變換⇒f−1(x)=x−2
f(x)=3x 的反變換⇒f−1(x)=31x
f(x)=x2 的反變換⇒ 需討論一下
定義域f:Rx≥0⟶Rx≥0⇒f−1(x)=x
f(x)=logx 的反變換⇒f−1(x)=10x
f(x)=lnx 的反變換⇒f−1(x)=ex
f(x)=sinx 的反變換⇒f−1(x)=sin−1x
note
T 是一個一對一函數 <=> T−1 存在
# 定理
設T:V→W 是一個有限維度的線性變換
且β={v1,...vn}, γ={w1,...,wn} 分別是V 與W 的有序基底
則[T−1]γβ=([T]βγ)−1
note
dimV=dimW => 方陣才有可逆矩陣
# 範例們
T:Pn(R)f(x)⟶↦Pn−1(R)f′(x)U:Pn−1(R)f(x)⟶↦Pn(R)∫0xf(t)dt
=> T、U 不互為反變換
note
令 n=3⇒[T]βγ=[001002],[U]γβ=⎣⎢⎡0100021⎦⎥⎤⇒[T]βγ[U]γβ=[1001]
但,[U]γβ[T]βγ=⎣⎢⎡000010001⎦⎥⎤=I3 其不為反變換,因為[T]βγ 不為可逆矩陣 (dimV=dimW)
T:P1(R)a+bx⟶↦R2(a,a+b)U:R2(c,d)⟶↦P1(R)c+(d−c)x
(T∘U)(c,d)=T(c+(d−c)x)=(c,d)
(U∘T)(a+bx)=U(a,a+b)=a+bx
[T]βγ=(1101),[U]γβ=(1−101)
([T]βγ)−1=[U]γβ⇔([U]γβ)−1=[T]βγ
[T]β=Rθ=(cosθsinθ−sinθcosθ)
⇒[T−1]β=([T]β)−1=(cosθ−sinθsinθcosθ)
[T]β=Mθ=(cos2θsin2θsin2θ−cos2θ)
⇒[T−1]β=([T]β)−1=Mθ