background image

 

 

Przekształcenia liniowe

Niech  

V

   i   

W

  będą przestrzeniami 

liniowymi określonymi nad tym samym 
ciałem  

K

 . Przekształcenie  

:

V

  

W

  

nazywa się liniowe, gdy

dla każdych wektorów  u, v  

V

   i 

wszystkich skalarów  a  

K  

 jest 

(u+v) = 

(u

(v

(v) =  

(v

background image

 

 

                          f 

(u+v) = 

(u

(v

                              

(v) =  

(v

• Warunkiem koniecznym i dostatecznym na to, by 

  

było przekształceniem liniowym jest, by

• dla każdych wektorów  u, v  

V

   i wszystkich 

skalarów  a,  b  

K  

 było 

 f 

(u + v ) =  a · 

(u+ b · 

(v

Dowód konieczności. Jeżeli spełnione są warunki  , to       

   

(u + v ) = 

( u

(b· v) =   

(u+ b· 

(v) . 

Dowód dostateczności. Jeśli w warunku 

  

podstawimy    

     a = 1,  b = 1, to otrzymamy pierwszy z warunków  , 

a jeśli podstawimy a = 1,  b = 0, to otrzymamy drugi.

Przekształceni
e liniowe 
: V 
 W

Przekształceni
e liniowe 

: V 

 W

Funkcja addytywna, to taka, 
która spełnia pierwszy z tych 
warunków :

Funkcja addytywna, to taka, 
która spełnia pierwszy z tych 
warunków :

background image

 

 

Przekształcenie wyznaczone przez 

macierz

• Niech  

A

  będzie macierzą o 

m

 wierszach i  

n

  kolumnach. Przekształcenie o macierzy 

A

 

  to funkcja K

 

 

    

K

m

 dana wzorem 

v

   

A

 

v

 . 

• Jest to przekształcenie liniowe, bo z 

praw rachunku na macierzach mamy 

(

+

 

v

) = 

u  

+

 

,

   

a

) = 

v

Przykład:

y

x

y

x

y

x

2

3

2

2

1

3

2

background image

 

 

Przekształcenie liniowe przekształca 

odcinki równoległe na odcinki 
równoległe

Przekształcenie liniowe o 

macierzy{{1,1},{0,2}}

background image

 

 

Macierze na giełdzie

A study of the London 

stock market, using the 
London Financial Times 
over a period of 1097 
trading days was found 
to fit the following 
transition matrix

 P: 

Macierz przejścia

background image

 

 

Jak działają przekształcenia 

liniowe?

• Przekształcenie o macierzy

-4

-2

2

4

1

2

3

4

5

1

1

1

1

background image

 

 

Przekształcenie o macierzy

• „złożenie”

2

1

1

2

background image

 

 

Przekształcenie o macierzy

• Symetria względem prostej y = x

0

1

1

0

background image

 

 

                             Jak działają prz. 

liniowe?

                     

 1

0

0

1

0

1

1

0

Symetria 
względem osi 
x

Obrót o +90 
stopni

background image

 

 

Jednokładność (homotetia) o 

skali a

 

• Na płaszczyźnie:  f x, y) = (ax , ay) . 
• Ogólnie:   x

1

, x

2

, ..., x

n

) = (ax

1

ax

2

, ..., ax

n

) . 

10

20

30

40

2

4

6

8

10

12

-20

-10

10

-8

-6

-4

-2

2

4

Jednokładność o 
skali 3

Jednokładność o skali -2

Macierz jednokładności

 
a

 0 0 ....  0

 0 

a

 0 ....  0

 0 0 

a

 ....  0

 ................
 0 0 0 ..... 

a

background image

 

 

Przekształcenie 

„nożycowe”

• (

x

,

y

) = (

x

 + a 

y

y

)

       

2

4

6

8

10

12

14

1

2

3

4

2.5

5

7.5

10

12.5

1

2

3

4

a = 
0,5

a = 2

a = 
-1

5

10

15

20

1

2

3

4

Nie zmienia 
się 
współrzędna 

        y

background image

 

 

Obrót płaszczyzny o 

kąt 

• Macierz obrotu                                

  płaszczyzny o kąt   

cos

sin

sin

cos

-2.5

2.5

5

7.5

10

12.5

2

4

6

8

10

12

Obrót o 60 stopni

Obraz wektora [1,0] 
ma współrzędne [cos 
 , sin ]. 

Obraz wektora [0,1] ma 
współrzędne [-sin 
, cos ]

background image

 

 

Własności przekształceń 

liniowych

• (0) = 0 ; f   zachowuje proste i środki 

odcinków. 

• Obrazem podprzestrzeni jest podprzestrzeń.
• Najważniejsza własność: Przekształcenie 

liniowe jest wyznaczone przez swoje 
wartości na bazie przestrzeni. 

• Niech v

1

v

2

v

3

, ..., v

n

 będą bazą,  

v

  

dowolnym wektorem przestrzeni. Wtedy 

• v

 = 

a

1

 

v

1

a

2

 

v

a

3

 

v

+ ... + 

a

n

v

n  

• Zatem   f 

v

 ) = (

a

1

 

v

1

a

2

 

v

a

3

 

v

+ ... 

a

n

v

n

 ) = 

a

v

) + 

a

2

 

v

)

 

a

3

 

v

)

 

+ ... + 

a

n

 

v

) .

 

background image

 

 

Macierz przekształcenia liniowego w bazie 

(bazach)

• Niech   

  będzie przekształceniem liniowym 

f

 : 

V

  

W

•Niech  v

1

v

2

v

3

, ..., v

n  

będzie 

bazą 

V

 ,

 

•Niech   w

1

w

2

w

3

, ..., w

m  

będzie 

bazą 

W

Macierz przekształcenia liniowego 

ma w kolumnach współrzędne 
obrazów wektorów  bazy

.

background image

 

 

W  kolumnach  macierzy są współrzędne obrazów wektorów  

bazy.

Niech  v = [

1

,

2

],  w = [

2

,

1

] . Wyznaczamy 

ich obrazy.

f

 (v) = [1· 

1

 + 2· 

2

 , – 2· 

1

 – 3· 

2

] = 

[ 5, –8 ] , 

f

 (w) = [1· 

2

 + 2 · 

1

 , – 2 · 

2

 – 3 · 

1

] =   

[ 4, –7 ] .

Teraz musimy wyrazić wektory 

[ 5, –8 ] 

[ 4, –

7 ] 

przez wektory bazy 

v = [1,2],  w = [2,1] . 

[ 5, –8 ] = 

a

 [1,2] 

[2,1]

                  

a

 = 

– 7

b

 

6

[ 4, –7 ] = 

[1,2] 

[2,1]

                  

– 6

=

5

W  kolumnach  macierzy są współrzędne obrazów wektorów  bazy.

  

-7   

-6 

  6    
5

  

-7   

-6 

  6    
5

background image

 

 

Obrazem  [1,0]  jest 

[1,  2],

  pierwsza 

kolumna macierzy

 

[ 1,  2] 

–1

·  [1,0] + 

2

 · [1, – 

1] 

[–1,   1]

 =   

0

 · [1,0] 

–1

 · [1, – 

1] 

Zatem macierzą przekształcenia w tej 
bazie jest 

Macierzą f  w bazie standardowej jest  
{{1,2}, {-2,-3}}  = 

Macierzą f  w bazie standardowej jest  
{{1,2}, {-2,-3}}  = 

 1    2

-2   -3

 1    2

-2   -3

Obrazem [1,-1] jest

[-1,1]

background image

 

 

Jak sobie wyobrazić działanie 

tego przekształcenia ?

• A

 = 

•                                          

Posłużmy się tym, że w bazie    

        [1, 0] [1,  –1]  ma ono 

„niezłą” macierz. Obrazem   

[1, 0]  jest   [1, – 2] , obrazem 

 [1, – 1]  jest   [– 1, 1]. 

  

1    

2

–2 – 
3

  

1    

2

–2 – 
3

background image

 

 

Obraz płaszczyzny przy 

przekształceniu o zerowym 

wyznaczniku

• Zadanie. Wyznaczyć obraz 

płaszczyzny przy przekształceniu 
liniowym o macierzy 

6

2

3

1

background image

 

 

Jedno zadanie – potrójna 

treść

 Znaleźć liniową zależność między funkcjami 

f(x) = x

2

 + 2+1, g(x) = x

+ 3+1, h(x) = x

2

 – x + 1

 Znaleźć liniową zależność między wektorami

  = [

1, 2,  1

] ,     = [

1,  3,  1

] ,      = [

1, – 1, 1

 Wyznaczyć obraz przestrzeni R

3                                         

                       

 przy przekształceniu o macierzy           

                                                                                    
          

Odpowiedź: obrazem jest płaszczyzna o 
równaniu 4x – 3y – z = 0 

Rozwiązanie: szukamy zależności między 
wektorami                                        

                

[

1,2,1

], [

1,3,1

], [

1,-1,1

] .

Znajdujemy: 

4 [

1,2,1

] – 3 [

1,3,1

] – 1[

1,-1,1

]  = 0.

 

background image

 

 

Mnożenie macierzy a składanie 

przekształceń

Macierz złożenia 

Macierz złożenia 

przekształceń to 

przekształceń to 

iloczyn ich macierzy

iloczyn ich macierzy

.

.

Tożsamość ma macierz 

Tożsamość ma macierz 

jednostkową.

jednostkową.

Zatem przekształcenie 

Zatem przekształcenie 

odwrotne ma macierz 

odwrotne ma macierz 

odwrotną.

odwrotną.

background image

 

 

Jak wybrać najlepszą bazę (jeśli 

się da) ?

•      Niech    f    będzie przekształceniem 

płaszczyzny o macierzy   {{3,2}  ,{–1, –0}}   

w bazie standardowej. Wyznaczymy macierz 

w bazie         

 = 

[–2 , 3]    

,

 

 

=

  

[–1, 1]

  

. 

 3   2

-1   0

 3   2

-1   0





1

1

.

1

3

2

4

3

2

.

1

3

2

4





2

2

3

2

1   0

0   2

1   0

0   2

background image

 

 

Jak wybrać najlepszą bazę 

(przykład 2) ?

•      Niech    f    będzie przekształceniem 

płaszczyzny o macierzy   {{2,1}  ,{1, 2}}   w 

bazie standardowej. Wyznaczymy macierz w 

bazie         

 = 

[1 , 1]    

,

 

 

=

  

[–1, 1]

  

. 

 2   
1

 1   
2

 2   
1

 1   
2



1

1

.

2

1

1

2

1

1

.

2

1

1

2



1

1

3

3

3   0

0   1

3   0

0   1

background image

 

 

To samo przekształcenie 

liniowe  

f

  w różnych 

bazach

W bazie

 

[1,0]

, 

[0,1]

  

 

2   

1

 1   
2

 

2   

1

 1   
2

3   

0

0   

1

3   

0

0   

1

W bazie  

 = 

[1 , 1] 

,

 

 

=

  

[–1, 1]

5

10

15

20

25

5

10

15

20

-1

1

2

3

1

2

3

4

Powinowactwo osiowe: w kierunku wektora  

 = 

[1 , 1] 

rozciągnięcie (jednokładność) ze 

współczynnikiem 3,
W kierunku wektora  

 

=

  

[–1, 1]

   bez zmian

Wektory 

 

oraz 

 nazywają się wektorami 

własnymi dla 

f

 .

background image

 

 

                                   

     Wyznaczanie 

wartości i        

wektorów własnych

Niech 

A

 będzie macierzą przekształcenia. Wektor własny 

v

  odpowiadający wartości własnej  

   spełnia równanie 

Av =   v,

   tj. 

(

(

A

A

 

 

I)

I)

v = 

v = 

0

0

 ,  

I

I

  = 

jednostkowa. 

A zatem macierz 

(

(

A

A

 

 

I) 

I) 

ma zerowy wyznacznik, swój

wielomian charakterystyczny

Równaniem, z którego wyznaczamy wartości własne jest

          

          

det (

det (

A

A

 

 

I) = 0

I) = 0

 

 

Wartość własna, 

wektor własny: 

f

 

(v) = 

v

, gdzie 

 jest liczbą, a 

v

 nie 

jest zerowy.

Wartość własna, 

wektor własny: 

f

 

(v) = 

v

, gdzie 

 jest liczbą, a 

v

 nie 

jest zerowy.

det (

det (

A

A

 

 

I) = 0

I) = 0

 

 

background image

 

 

Wyznaczyć wartości, wektory i 

podprzestrzenie własne

• Obliczamy wielomian 

charakterystyczny:

1

1

1

)

1

(

2

)

1

(

)

1

(

2

2

Po przyrównaniu tego wielomianu do zera otrzymujemy 
równanie charakterystyczne, z którego wyznaczamy wartości 
własne. Jest tylko jedna wartość własna  

 = 1.

 

Szukamy odpowiadających jej wektorów własnych.

1  1  0  
1

-1 0 0 
0

0 0  1  
1

0 0  0 1

1  1  0  
1

-1 0 0 
0

0 0  1  
1

0 0  0 1

background image

 

 

Wyznaczanie wartości, wektorów i 

podprzestrzeni własnych

• Wyznaczamy wartości własne.

Jest tylko jedna wartość własna  

 = 

1.

 

Szukamy odpowiadających wektorów 
własnych.
Odpowiednim równaniem jest

1  1  0  
1

-1 0 0 
0

0 0  1  
1

0 0  0 1

1  1  0  
1

-1 0 0 
0

0 0  1  
1

0 0  0 1

background image

 

 

Wyznaczanie wartości, wektorów i 

podprzestrzeni własnych

• Wyznaczamy wartości własne.

Są dwie wartości własne  

 = 1,   = 

4

Szukamy odpowiadających wektorów 
własnych.
Odpowiednim układem równań dla  

 

= 4

  

jest

2  1  1

1  2  1

1  1  2

2  1  1

1  2  1

1  1  2

background image

 

 

Macierze na giełdzie

A study of the London 

stock market, using the 
London Financial Times 
over a period of 1097 
trading days was found 
to fit the following 
transition matrix

 

P

 : 

Zbadać, czy 

istnieje stan 
stabilny, tj. czy 
macierz 

P

 ma 

wektory 
własne o 
dodatnich 
współrzędnych.

  P x = x

[0,157, 0,154, 0,689]


Document Outline