background image

Iloczyn skalarny: 
Funkcja jest iloczyne skalarnym w danej przestrzeni jeżeli spełnione sa następujące warunki: 

1) 

<x,x> ≥0 , <x,x>=0↔ x=0 

2) 

<x,y>=<y,x>  V x,y є v 

3) 

<ax+by,z>=a<x,z>+b<y,z> 

Norma wektora i jej własności: 
Norma wektora vєV dana jest wzsorem ||v||=          
Własnośc normy: ||v||=0↔v=0 , ||v||≥0, ||α*v||=||α||*||v|| 
Tożsamośc równoległoboku: 

       

 

         

 

       

 

     

 

  

Dowód 

         

 

            

 

                                                                                                         

         

 

       

 

  

Nierównośc Schwarza : 

|<u,v>

|≤||u||*||v|| 

Dowod: 
        

 

                                                                       

 

                  

 

   

 

 

                

 

        

 

       

 

                    

 

     

 

    

                             

Własnośc trójkata: 

||u+v||≤||u||+||v|| 

Dowód: 

         

 

       

 

                   

 

       

 

                        

 

 

         

 

                 

 

 

                          

Wektory ortogonalne: 
Mówimy że wektory 

 

 , 

 

  przestrzeni euklidesowej są ortogonalne jeżeli spełniają warunki: <

 

   

 

        

Twierdzenie pitagorasa dla przestrzeni euklidesowej:  

Wektory 

 

   

 

                                                                          

 

       

 

           

 

 

Dowód: 
Dla dowolnych wektorów 

 

   

 

                 

 

       

 

       

 

                                                  

                                                

 

       

 

       

 

                                                 

                         

 

 

 

                  

Układy ortogonalne:  
Zbiór wektorów przestrzeni euklidesowej nazywamy ortogonalnym wtedy i tylko wtedy gdy każde dwa wektory z tego 
zboru sa ortogonalne. Każdy ortogonalny układ niezerowych wektorów przestrzeni euklidesowej jest liniowo niezależny. 
Układ ortogonalny: 
Zb

iór wektorów  przestrzeni euklidesowej nazywamy układem ortogonalnym gdy jest to układ ortogonalny złożony z 

unormowanych wektorów. 
Algorytm ortogonalizacji Grama Schmita:  
Mamy u1,u2…,un 
v1=u1 

v2=u2-

        

        

     

v3=u3-

        

        

      

        

        

     

22. WSPÓŁRZĘDNE WEKTORA W BAZIE: 
Mamy zbiory wektorów v

1

, v

2

 

, … , v

n

 oraz wektor u. 

 

ORTONORMALNEJ: 
α

1

=<u,v

1

α

2

=<u,v

2


α

n

=<u,v

n

 

ORTOGONALNEJ: 
α

1

=

    

 

 

   

 

  

 

 

α

2

=

    

 

 

   

 

  

 

 


α

n

=

    

 

 

   

 

  

 

 

23. MACIERZ ORTOGONALNA I JEJ WŁASNOŚCI: 
Macierz A jest ortogonalna    A*A

T

=I i A

T

*A=I    A

-1

=A

T

 

Własności:  

 

A

-1

=A

T

 

 

Iloczyn macierzy ortogonalnych jest macierzą ortogonalną 

25. RZUT ORTOGONALNY NA PODPRZESTRZEŃ – TW. O JEDNOZNACZNOŚCI 
Niech E

0

 

będzie skończenie wymiarową podprzestrzenią przestrzeni euklidesowej E oraz niech { 

 

       

 

           

 

      będzie 

bazą ortonormalną podprzestrzeni E

0. 

Wtedy dla dowolnego wektora 

 

  εE . Istnieje jednoznacznie wyznaczony rzut  

 

      

tego wektora na podprzestrzeń E

0

. Rzut ten jest określony wzorem:  

 

          

     

 

      

 

         

     

 

      

 

             

     

 

      

 

     

Uwaga: Dla bazy ortogonalnej {

 

 

       

 

           

 

       podprzestrzeni E

0

 

powyższy wzór przyjmuje postać: 

 

 

       

      

 

 

   

 

  

 

 

 

 

      

 

 

   

 

  

 

 

 

     

      

 

 

   

 

  

 

 

 

 

27. WZÓR MACIERZY NA RZUT ORTOGONALNY: 
             

 

    

  

*

 

 

     

   

 

MACIERZ RZUTU: 

      

 

    

  

*

 

 

 

 

28. METODA NAJMNIEJSZYCH KWADRATÓW I „NAJLEPSZE ROZWIĄZANIE” SPRZECZNEGO UKŁADU 
RÓWNAŃ: 

 

 

   

 

   

 

    

30. MACIERZ SYMETRYCZNA I JEJ WARTOŚCI WŁASNE: 
Macierz symetryczna 

– wtedy, gdy na przekątnej znajdują się dowolne liczby, a pozostałe są względem tej przekątnej 

symetryczne: A=

 

 

 

Własności: 

 

Dla macierzy symetrycznych S, T i liczb(skalarów) a, b macierz aS+bT jest symetryczna 

 

Dla dowolnej macierzy A macierze A+

 

 

 oraz A

 

 

 

są symetryczne 

31. ORTOGONALNA DIAGONALIZACJA MACIERZY SYMETRYCZNEJ:  
Macierz rzeczywista jest ortogonalnie diagonalizowalna  jest symetryczna.  
Macierz A jest ortogonalnie diagonalizowalna, gdy istnieje macierz ortogonalna P oraz macierz diagonalna D,  taka że: 
       

 

 

35. TW. SYLVESTERA: 
Macierz symetryczna 

     

   

 

zadaje formę kwadratową: 

a) 

Dodatnio określona      

 

                       

b) 

Ujemnie określoną 

      

 

          

 

                       

c) 

Dodatnio póło kreśloną      

 

                                  detA=0 

d) 

Ujemnie póło kreśloną      

 

    

 

                                     detA=0 

e) 

W pozostałych przypadkach nieokreślon 

Tw. Cayleya Hamiltona: 
Kazda macierz kwadratowa spelnia swoje rownanie charakterystyczne:  

 

 

        

Dowod: 
Niech 

 

 

 

                        

 

 

Oznaczamy B=A-

   i macierz dopełnienia B0 

Wtedy detB=

 

 

                 

 

           

Zatem: 
B* 

   

 

                             

 

  

Z drugiej strony wyrazy amcierzey B0 sa wielomianami stopnia n-1 od zmiennej 

   

Zatem możemy zapisać: 

    

    

   

 

            

   

 

   

 

Stad: 
B*(B0)

         

 

                            

   

 

   

                            

   

(A

 

   

   

   

     

 

 

   

 

Możemy porównać współrzędne ostatniego wielomianu z wielomianem wyzej i dostajemy: 
AB0=a0I  AB1-B0=a1I  AB2-

B1=a2I….. A 

   

-

 

   

=

 

   

  

Obliczamy: 

 

 

                     

 

        

 

 

                       

 

                 

   

   

   

   

   

     

 

 

   

    

Odwzorowanie liniowe: def. φ: V W jest odwzorowaniem liniowym wtedy i tylko wtedy gdy: (a)   

 

    ,  

 

      V  

φ( 

 

    + 

 

    )=φ( 

 

     +φ( 

 

    ) (b)   

 

      V  α k  φ(α 

 

    ) =αφ(  

 

      Twierdzenie o jednoznaczności odwzorowania liniowego. Niech 

 

 

   

 

       

 

 będzie bazą (uporządkoway układ wektorów) w przestrzeni V,  

 

  

 

      

 

, wówczas istnieje dokładnie jedno 

odwzorowanie liniowe φ:V W takie, że φ( 

 

)=  

 

  i=1,2,...,n. Dowód. Weźmy dowolny wektor v V. Wtedy v zapisuje się 

jednoznacznie w postaci v= 

 

 

+...+ 

 

 

. Zadaje odwzorowanie: φ(v)=  

 

φ( 

 

)+ 

 

φ( 

 

 . Sprawdzam, że φ jest liniowe oraz 

φ( 

 

)=  

 

. Weźmy v= 

 

 

+...+ 

 

 

, u= 

 

 

+...+ 

 

 

, wtedy: v+u=( 

 

 

)  

 

+...+( 

 

 

)  

 

, φ(v+u)=( 

 

 

 

+...+( 

 

 

 

  v)+ (u)=  

 

 

+... 

 

 

 

 

 

+...+ 

 

 

 

= ( 

 

 

)  

 

+...+( 

 

 

)  

 

Tw. o postaci jądra i obrazu odwzorowania liniowego: Niech 

L:U V będzie przekształceniem liniowym. Wtedy: (1) zbiór KerL(jądro) jest podprzestrzenią liniową przestrzeni U. (2) Zbiór 
ImL(obraz) jest podprzestrzenią liniową przestrzeni V. Dowód: (1) oczywiście KerL V oraz KerL   . Niech  

 

     ,  

 

       KerL i  

 

,  

 

 R. 

Wówczas L( 

 

     )=L( 

 

      = 

  . Zatem L( 

 

 

 

     + 

 

 

 

     )= 

 

L( 

 

     )+  

 

L( 

 

     )= 

 

  + 

 

  =   . To oznacza, że  

 

 

 

     + 

 

 

 

       KerL. (2) ImL V oraz 

ImL   . Niech  

 

    ,  

 

      ImL i  

 

 

 R. Wtedy istnieją wektory  

 

     ,  

 

       U takie, że L( 

 

     )=  

 

     i L( 

 

     )=  

 

    . Korzystając z liniowości 

przekształcenia L otrzymamy: L( 

 

 

 

     + 

 

 

 

     )= 

 

L( 

 

     )+ 

 

L( 

 

     )=  

 

 

 

    + 

 

 

 

    . Wektor  

 

 

 

    + 

 

 

 

     jest obrazem wektora  

 

 

 

     + 

 

 

 

       U 

w przekształceniu L, czyli:  

 

 

 

    + 

 

 

 

      ImL. Twierdzenie o wymiarach jądra i obrazu. (dim-wymiar) Niech V,W będą skooczenie 

background image

wymiarowymi przestrzeniami liniowymi oraz niech  :V W, będzie przekształceniem liniowym. Wtedy: 
dim(Ker )+dim(Im )=dimV. Odwzorowanie liniowe nie podwyższa wymiarów tzn. dim (Im ) dimV. Dowód: Oznaczmy: dimV=n, 
dim(Ker )=k (1) Niech 0<k<n. Niech  

 

,...,  

 

 będzie bazą Ker   V. Uzupełniamy  

 

,...,  

 

,  

    

,  

   

,...,  

 

 – baza V. 

 

    

,...,  

 

/ Ker . Wystarczy pokazad, że wektory  ( 

   

), (  

  

 stanowią bazę Im  . Sprawdzam liniową niezależnośd: niech 

 

   

 ( 

    

)+...+  

 

  ( 

 

)=Θ stąd:  ( 

   

 

   

+...+ 

 

 

 

)= Θ tzn:  

   

 

    

+...+ 

 

 

 

 Ker  . Stąd:   

 

   

 

       

 

 K  

 

   

 

   

+...+ 

 

 

 

 

 

 

+...+ 

 

 

 

 ,  

 

 

 

+...+ 

 

 

 

   

    

 

   

-...- 

 

 

 

= Θ  

 

,...,  

 

 są bazą=> 

 

 

=...= 

 

=...= 

 

=0.  Sprawdzam, że 

 ( 

   

),...,  (m) generują Im  . Weźmy w Im   tzn: w=  (v),gdzie v V, v= 

 

 

 

+...+ 

 

 

 

    

w=  ( 

 

 

 

+...+ 

 

 

 

)=  

 

  ( 

 

)+  

 

  ( 

 

)+...+  

 

  ( 

 

)+ 

   

 ( 

   

)+...+ 

 

 ( 

 

) (2) k=0<n =>Ker ={Θ}  Zaczynam dowód:  

 

 ...,  

 

-

baza V,dalej tak samo jak w (1). (3) k=n tzn. Ker =V=> v V  (v)=Θ, dim(Im  )=0, dim Ker + 0 = dim V. Twierdzenie o zmianie 
macierzy przekształcenia przy zmianie baz
. Niech L:U V będzie przekształceniem liniowym oraz neich A będzie macierzą tego 
przekształcenia w bazie Bu={ 

 

     ,...,  

 

     } przestrzeni U oraz w bazie Bv={ 

 

    ,...,  

 

    } przestrzeni V. Wtedy macierz A’ przekształcenia 

liniowego L w bazie B’u={ 

 

     ’,...,  

 

     ’} przestrzeni U oraz w bazie B’v={ 

 

    ’,...,  

 

    ’} przestrzeni V ma postad: A’= 

  

AP, gdzie P oznacza 

macierz przejścia z bazy Bu do bazy B’u, a Q macierz przejścia z bazy Bv do bazy B’v. Uwaga: Jeżeli L jest przekształceniem liniowym 
przestrzeni V w siebie, to zależnośd między macierzą A tego przekształcenia w bazie Bu={ 

 

     ,...,  

 

     } i macierzą A’ przekształcenia w 

bazie B’u={ 

 

     ’,...,  

 

     ’} ma postad: A’= 

  

AP, gdzie P oznacza macierz przejścia z bazy Bu do bazy B’u. Działania na 

przekształceniach. (1) Niech  

 

 i  

 

:U->V będą przekształceniami liniowymi. Sumą przekształceo  

 

 i  

 

 nazywamy przekształcenie 

 

 

):U->V określone wzorem ( 

 

 

)( 

  )= 

 

  )+  

 

  ) dla  

    U (2) Niech L:U->V będzie przekształceniem liniowym oraz niech 

α R. Iloczynem liczby α i przekształcenia L nazywamy przekształcenie (αL):U->V określone wzorem: (αL)( 

  )=α(L( 

  )) dla  

    U. (3) 

Niech L:U->V oraz K:V->W będą przekształceniami liniowymi. Złożeniem przekształceo L i K nazywamy przekształcenie (K L):U->W 
określone wzorem: (K L)( 

  )=K(L( 

  )) dla  

    U (4) Niech przekształcenie liniowe L:U->V będzie różnowartościowe oraz niech ImL=V. 

Przekształceniem odwrotnym do przekształcenia L nazywamy przekształcenie ( 

  

):V->U określone wzorem: ( 

  

)(   )=  

    =L( 

  ) 

dla  

    U oraz     V 

8. Warunki odwracalności odwzorowania liniowego                                                                                  Niech L:U->V  będzie 
przekształceniem liniowym przestrzeni skooczenie wymiarowych tego samego wymiaru. Ponad to A niech będzie macierzą 
przekształcenia L w ustalonych bazach przestrzeni U i V. Wówczas następujące warunki są równoważne:  
1. przekształcenie L jest odwracalne (bijekcją); 
2. przekształcenie L jest różnowartościowe (monomorfizm); 
3. Ker L={0}; 
4. Im L=V; 
5. rzA=dimV 
6. detA≠0 
Równoważnośd tych warunków wynika z ciągu implikacji: 1=>2=>3=>4=>5=>6=>1 
Dowód: 
1=>2Równoważnośd przekształcenia L wynika z def. Odwracalności przekształcenia. 
2=>3Załóżmy, że przekształcenie L jest różnowartościowe. Wówczas dla dowolnych dwóch wektorów u

1

, u

2

 ϵU z warunku u

1

≠u

2

 

wynika, że L(u

1

) ≠L(u

2

). Jeżeli zatem u≠0, to L(u) ≠0. Wektor 0 jest zatem jedynym wektorem, którego obraz jest wektorem 

zerowym w przestrzeni V. Stąd Ker L={0}. 
3=>4 Załóżmy, że Ker L={0}. Ze wzoru dim Ker L + dim Im L=dim U wynika, ze dim Im L= dim U. Ale dim U=dimV, więc dim Im L =dim 
V. Zbiór Im L jest podprzestrzenią liniową przestrzeni V, przy czym wymiary obu przestrzeni są równe. Stąd wynika, że Im L=V. 4=>5 
Załóżmy, że Im L=V. Z (*) wynika, że rzA=dim Im L, zatem rzeczywiście rz A= dim V. 5=>6 
Załóżmy, że rzA=dimV=n. Macierz A jest macierzą kwadratową stopnia n, więc det A≠0. 
6=>1 Załóżmy, że det A≠0. Stąd wynika, że rzA=dimV. Ale rzA=dim Im L, więc Im L= V. Załóżmy teraz, że L(u

1

)=L(u

2

). Wówczas L(u

1

-

u

2

)= L(u

1

)- L(u

2

)=0. Stąd wynika, że AX=0, gdzie X jest kolumnowym wektorem współrzędnych wektora u

1

-u

2

=0, czyli u

1

=u

2

Przekształcenie L jest zatem różnowartościowe, jego obrazem jest cała przestrzeo V. To oznacza, ze L jest odwracalne. 
9. Związek działao na odwzorowaniach z działaniami na macierzach  
1. Niech przekształcenie liniowe L

1

,L

2

:U->V mają w ustalonych bazach przestrzeni U i V odpowiednio macierze przekształceo A

L1

 i 

A

L2

. Wtedy macierz A

L1+L2

 sumy L

1

+L

2

 tych przekształceo ma w tych samych bazach przestrzeni U i V postad:  A

L1+L2

= A

L1

 + A

L2 

2. Niech przekształcenie liniowe L:U->V ma w ustalonych bazach przestrzeni U i V macierz przekształcenia A

L

 oraz niech αϵR. Wtedy 

macierz A

αL

 iloczynu liczby α i przekształcenia L ma w tych samych bazach przestrzeniu U i V postad: A

αL

=αA

L

 

3. Niech przekształcenia liniowe L: U->V oraz K: V->W mają w ustalonych bazach przestrzeni U, V i W odpowiednio macierze A

L

 i A

K

Wtedy macierz A

K○L

 złożenia K○L tych przekształceo ma w tych samych bazach przestrzeni U,V i W postad: A

K○L

=A

K

*AL. 

4. Niech przekształcenie liniowe L: U->V ma przekształcenie odwrotne L

-1

:V->U. Ponadto niech A

L

 i A

L

-1

 oznaczają odpowiednio 

macierze przekształceo L i L

-1

 w ustalonych bazach przestrzeni U i V. Wtedy: A

L

-1

=(A

L

)

-1

 

10. Wartości i wektory własne odwzorowania liniowego i macierzy 
Niech A będzie macierzą przekształcenia liniowego L: V->V w bazie B={v

1

,v

2

…,v

n

} przestrzeni liniowej V ( rzeczywistej i zespolonej). 

Wówczas: 
1. λ jest wartością włąsną przekształcenia L , gdy: det(A- λI)=0 
2. wektor v jest wektorem własnym przekształcenia L odpowiadającym wartości własnej λ , gdy jego współrzędne {x

1

,x

2

,….,x

n

} w 

bazie B są niezerowym rozwiązaniem układu równao:(A – λI) 
11. Twierdzenie o liniowej niezależności wektorów własnych 
Wektory własne odpowiadające różnym wartościom własnym przekształcenia liniowego są liniowo niezależne. 
DOWÓD: 
Załóżmy nie wprost, że wektory v

1

,v

2

….,v

n

 są liniowo zależne. Niech 1≤L≤k oznacza największą liczbę, dla której wektory v

1

,v

2

….,v

n

 

są liniowo niezależne. Z założenia 1≤L≤k z określenia liczby l wynika, że wektory v

1

,v

2

,…v

L

,v

L+1

 są liniowo zależne. Oznacza to 

istnienie liczb α

1

2

,…,α

L

L+1

, nie wszystkich równych zeru i takich, że: α

1

v

1

2

v

2

+….+ α

L

v

L

+ α

L+1

v

L+1

=0 

Po nałożeniu na obie strony tej równości przekształcenia L i i wykorzystaniu def. Wektora własnego otrzymujemy zależnośd: 
L(α

1

v

1

2

v

2

+….+ α

L

v

L

+ α

L+1

v

L+1

)= α

1

L(v

1

)+α

2

L(v

2

)+….+ α

L

L(v

L

)+ α

L+1

L(v

L+1

)= α

1

λ

1

v

1

2

λ

2

v

2

+….+ α

L

λ

L

v

L

+ α

L+1

λ

L+1

v

L+1

=L(0)=0 

Z drugiej strony: 
λ

L+1

1

v

1

2

v

2

+….+ α

L

v

L

+ α

L+1

v

L+1

)= λ

L+1

*0=0 

Zatem: 
α

1

1

L+1

)v

1

+ α

2

2

L+1

)v

2

+…+ α

L

L

L+1

)v

L

=(α

1

λ

1

v

1

+ α

2

λ

2

v

2

+…+ α

L

λ

L

v

L

)- (α

1

λ

L+1

v

1

+ α

2

λ

L+1

v

2

+…+ α

L

λ

L+1

v

L

)= -α

L+1

λ

L+1

v

L+1

+ α

L+ 1

λ

L+1

v

L+1

=0 

Z liniowej niezależności wektorów v

1

,v

2

….,v

L

 wynika, że: 

α

1

1

L+1

)=0, α

2

1

L+1

)=0, …., α

L

L

L+1

)=0 

Ale wartości własne λ

1

2

,…,λ

k

 są parami różne, więc α

1

=0, α

2

=0, …., α

L

=0 

Równośd definiująca liczby α

1

2

,…,α

L

L+1

 wygląda następująco: 

0*v

1

+0*v

2

+…+0*v

L

L+1

v

L+1

= α

L+1

 v

L+1

=0 

Ale v

L+1

≠0, więc α

L+1

=0. Otrzymaliśmy sprzecznośd z liniową zależnością wektorów v

1

,v

2

,…v

L

,v

L+1

. Stąd wniosek, że wektory v

1

,v

2

,…v

k

 

są liniowo niezależne. 
12. Krotnośd algebraiczna wartości własnej 
Krotnością algebraiczną wartości własnej λ nazywamy jej wielokrotnośd, jako pierwiastka wielomianu charakterystycznego 
(oznaczenie K

a

(λ)). 

Krotnośd geometryczna wartości własnej 
Krotnością geometryczną wartości własnej λ nazywamy dimV

λ

 (oznaczenie K

g

(λ)) 

13. Twierdzenie o warunkach diagonalizowalności macierzy 
Niech A będzie macierzą rzeczywistą (zespoloną) stopnia n. Wówczas następujące warunki są równoważne: 
1. macierz A jest diagonalizowalna 
2. wektory własne macierzy A tworzą bazę przestrzeni R

n

(C

n

3. A=PBP

-1

, gdzie B jest macierzą diagonalną, której główną przekątną tworzą kolejne wartości własne macierzy A, zaś 

odpowiadające im wektory własne tworzą kolejne kolumny macierzy P. 
14. Wielomian charakterystyczny macierzy 
Niech A będzie macierzą rzeczywistą (zespoloną). Wielomianem charakterystycznym macierzy A nazywamy wielomian rzeczywisty 
( zespolony) określony wzorem: W

A

(λ)=det(A-λI)