background image

 

1

Lecture 10

LINEAR TRANSFORMATIONS

Just to confuse you, a linear transformation is also 
called a linear function, or a linear map, or a 
linear operator, or a linear transform.  
However, the terms operator and transform are 
usually used when the vectors are functions. 

background image

 

2

Definition
The transformation   f : U  V , where U  and V are linear spaces 

over the same field K, is called a linear transformation if the 
following equivalence holds for arbitrary vectors  v

1

, v

2

  U and   

arbitrary constant c  R

f( v

1

 + v

) = f(v

1

) + f(v

2

)     - addivity

f(c v) = c f(v)  -  homogeneity

                                               

             

Examples :

1.  f: R → R,     f(x) = 6x
2.  f: R

2

 → R

2

,  f(x, y) = (x+y, 2x) 

3.  f: R

3

 → R

2

,  f(x, y, z) = (x+4y, x+z)

3.  f: R

2

 → R

3

,  f(x, y) = (x+y, x, 2y) 

           The two above conditions are equivalent 
to one

f(c

1

 v

1

 +  c

v

2

) = c

1

 f(v

1

) + c

2

 f(v

2

).

background image

 

3

Let f be a linear transformation of V, then

f (0) = f (0 v) = 0 f(v)    thus   f (0) = 0 

Hence, the image of the vector 0 is 0

Image of the 
vector 0.

f(0) = 0

Proof

background image

 

4

Examples of Some Linear Transformations

 

background image

 

5

Rotation around a centre 
(point) of rotation (0,0)

Projection on line P(v)

)

cos

y

sin

x

,

sin

y

cos

x

(

)

y

,

x

(

Q

)

y

,

x

(

u 

1.

2.

background image

 

6

Rotation around the centre 

background image

 

7

background image

 

8

Homothety 

Homothety,  dilationcentral similarity are all interchangeable 
terms used to describe a geometric transformation defined by a 
point O called the center of homothety and a real number k, 
known as its coefficient or ratio.

3.

 Homothety with centre (0,0) and ratio k,  then  f: R

2

 → R

2

, f(x,y) = (kx,ky)

background image

 

9

Reflection about the xy-plane

x

y

z

4.

R(x,y,z) = (x,y,-z)

background image

 

10

3. There is a fixed scale, a level of magnification, for 
any given line.  If a centimeter of line is expanded to a 
kilometer under the transformation, then every cm of 
that line expands to a km.  Of course other lines 
(independent vectors) may expand by a different 
amount, or they may be squashed down to a point 
(expanded by 0). 

2. Since the image of k times a vector is k times the 
image of the vector, a linear transformation maps 
lines to lines in real space or to zero i.e. squashes 
them into the origin.  
  

1. The linear transformation does not change the 
proportionality of vectors. If  y = cx then (y) = c f(x), 
which means that the images of proportional vectors 
are proportional with the same proportionality 
constant. 

Similarity Transformations 

background image

 

11

Matrix of Linear Transformation

background image

 

12

Let the basis B

1

 of linear space  U  be composed of vectors:  e

1

, e

2

, ..., e

n

and the basis  B

2

  of V  be composed of:  h

1

, h

2

, ..., h

m

.

The basis vectors  of  U are transformed into:      f (e

1

) = w

1

,  f (e

2

) = w

2

 , ...,  f (e

n

) = w

n

.

n

n

e

v

e

v

e

v

v

2

2

1

1

The coordinates of  w

j

  relative to B

2

 are denoted by  [ w

1j

, w

2j

, ..., w

mj

 ]

MATRIX OF LINEAR TRANSFORMATION f: U  V

.

h

w

h

w

h

w

w

m

mj

j

j

j

2

2

1

1

 

 

 

n

n

n

n

w

v

w

v

w

v

e

f

v

e

f

v

e

f

v

)

v

(

f

2

2

1

1

2

2

1

1

 



m

i

i

n

j

j

ij

m

i

i

ij

n

j

j

.

h

v

w

h

w

v

1

1

1

1

then  v  is carried into

An arbitrary vector   v  U  is expressed as a linear combination of  the 

basis vectors B

1

:

background image

 

13

So the coordinates of  f ( v ) relative to the basis  B

2

 of space 

V

 are

,

v

v

w

w

w

w

n

mn

m

n

1

1

1

11

where the coordinates of vectors  w

1

, w

2

, ..., w

n 

 relative to 

B

2

 , are written in columns.

mn

m

n

f

w

w

w

w

A

1

1

11

is called the transformation matrix of  f.

DEFINITION

background image

 

14

Theorem

The rank of the transformation matrix  A

f

 is equal to 

the dimension  of   Im(f ):       
                                          Rank A

f  

= dim Im( f ).

mn

m

n

f

w

w

w

w

A

1

1

11

If the bases of linear spaces are not specified it means that the unit bases are used.

 

background image

 

15

n

f

v

v

A

v

f

1

)

(

where [ v

1

, v

2

, ..., v

n

 ] are the coordinates of v relative to the B

1

 basis.

How to build the transformation matrix. 
Let  f denote the linear transformation.

Step 1. Find the images of the basis vectors from B

1

f (e

1

) = w

1

, f (e

2

) = w

2

 , ..., f (e

n

) = w

n

.

Step 2.  Find the coordinates of w

1

, w

2,

 ...,w

n

  relative to the 

basis vectors from B

2

Step 3. The matrix A

f

  is formed by writing the coordinates of  

w

i

  

in the  i-th column of the matrix. 

Then the coordinates of vector f ( v ) relative to the  B

2

  basis are

background image

 

16

The linear transformation is uniquely defined by the 
matrix relative to given bases of  U and  V.
 

The properties of a linear transformation can be interpreted in 
terms of the matrix of the transformation. 

If A is a real  (m x n) matrix, then the rule  f(x) = Ax  describes a 
linear transformation  R

n

 → R

m

 

One linear transformation may be represented by many 
matrices.
This is because the values of the elements of the matrix depend 
on the bases that are chosen. 

background image

 

17

Examples:
1. Unit bases
2. Arbitrary bases

background image

 

18

Some special cases of linear transformations of 
two-dimensional space R

2

:

rotation by 90 degrees counterclockwise:

• 

  

 

             

reflection against the x axis: 

  

 

             

scaling by 2 in all directions: 

  

 

           

projection onto the y axis:     

background image

 

19

Kernel and Range

background image

 

20

Definition

Kernel of a linear transformation
The kernel (null-space) of a linear transformation  f: V 
→ W is the set of all vectors v such that f(v) = 0:
                                   Ker(f) = {v    
V :  f(v) = 0} 

Fact

The kernel is a subspace of V

Since f(0) = 0, the kernel is not empty. 
If u an v are in the kernel, then 
                        f(r u + s v) = r f(u) + s f(v) = r 0 + s 0 
0 
So, r u + s v is in the kernel. Hence the kernel is a 
subspace of V. 

background image

 

21

Definition
The image
 (or range) of a transformation f : V → W: 
                          Im (f) = {f(v): v   V}

Fact

The image is a linear subspace of W. 

background image

 

22

Projection on a space

background image

 

23

The projection of a vector on the subspace spanned by vectors  

 

 v

1

, ..., v

k

   R

n

.

Let  v

1

, ..., v

n

  be the basis of R

n

  and  c

1

, c

2

, ..., c

n

 be the coordinates of  

u relative to this basis. The projection on  lin { v

1

, ..., v

k

  } has the 

following form:

                                        f(u) = c

1

v

1

  + c

2

v

2

 + ... + c

k

v

k

.

The transformation matrix relative to the basis  { e

1

, e

2

, e

3

}  has the following form: 

.

A

f

0

0

0

0

1

0

0

0

1

Definition

Example
The projection of   R

3

  on   Lin {e

1

,e

2

}.  

Then   v

1

 = e

1

 = (1, 0, 0),   v

2

 = e

2

 = (0, 1, 0),   any vector   v = (a, b, c) 

is mapped as
                                      f( v) = a e

1

 + b e

2

 = (a, b, 0).

background image

 

24

Sum and Product

background image

 

25

Linear transformations can be added to one another 
and composed. 

Definition
If  f, g : U  V  are linear transformations, then their sum is 

defined as follows: 
                                     ( f + g )(u) = f(u) + g(u).         for    uU

Definition
If  f : U  V  and  g : V W  are linear transformations, then their 

composition  is defined as follows: 

                                       f  g ( u ) = g( f ( u ))            for  uU.

Fact

The sum and composition of linear transformations is 
a linear transformation.

 

background image

 

26

MORE EXAMPLES

background image

 

27

(3,2)

(0,0)

(0,3)

Pixel Coordinates

y

x

x = 
-0.5

y = 4.5

y = -03.5

x = 4.5

background image

 

28

Examples in 2D 
graphics

Rotation
For rotation by an angle θ counterclockwise about 
the origin, the functional form is x' = cosθ − 
sinθ    and   y' = sinθ + cosθ. Written in matrix 
form, this becomes:

  

 

                           

Scaling
For scaling (that is, enlarging or shrinking), we have  
x’ = s

x

 x  and y’ = s

y

 y. The matrix form is

background image

 

29

Shearing

For shearing there are two possibilities. A shear 
parallel to the x axis has x' = x + ky and y' = y; the 
matrix form:

A shear parallel to the y axis has  x' = x  and  y' = y + kx
which has matrix form:

background image

 

30

Orthogonal projection

To project a vector orthogonally onto a line that goes 
through the origin, let

  (

u

x

u

y

) be a unit vector in the 

direction of the line. Then use the transformation 
matrix

A reflection about a line that does not go through the 
origin is not a linear transformation; it is an affine 
transformation

.

background image

 

31

y

x

y

x

(a, b)

This is not a linear transformation.  The origin 
moves.

f(x, y) = (x + a, y 
+ b)

Caution !!!

Translation

background image

 

32

As with reflections, the orthogonal projection onto a 
line that does not pass through the origin translation 
is 

not linear

.

Perspective projections are also 

not linear

.

background image

 

33

x

x

y

z

y

Embed the xy-plane in R

at z 

= 1.

(x, y)  (x, y, 1)

How do we manage to represent the above transformations
 by a matrix?? 

NEW COORDINATES

   (homogeneous coordinates)

background image

 

34

2D Linear Transformations as 3D 
Matrices

11

12

11

12

21

22

21

22

a

a

a x a y

x

a

a

a x a y

y

+

��

=

��

+

��

Any 2D linear transformation can be represented by a 2x2
matrix.

11

12

11

12

21

22

21

22

0
0

0

0 1 1

1

a

a

x

a x a y

a

a

y

a x a y

+

��� �

��� �

=

+

��� �

��� �

��� �

or a 3x3 matrix

we use a „dummy dimension” 

background image

 

35

2D Linear Translations 

as 3D Matrices

Any 2D translation can be represented by a 3x3 matrix.

1 0
0 1
0 0 1 1

1

a x

x a

b y

y b

+

��� �

��� �

=

+

��� �

��� �

��� �

This is a 3D shear that acts as a translation on the plane 
z = 1.

background image

 

36

y

x

(a, b)

(x, y)(x+a, 

y+b)

Translation

background image

 

37

Translation as a Shear

x

x

y

z

y

background image

 

38

Summary
To represent not linear (affine transformations ) with matrices, 
we must use homogeneous coordinates. This means representing 
a 2-vector (xy) as a 3-vector (xy, 1), and similarly for higher 
dimensions. Using this system, translation can be expressed with 
matrix multiplication. The functional form x' = x + t

x

y' = y + t

y

 

becomes:

                           

All ordinary linear transformations can be converted into affine 
transformations by expanding their matrices by one row and 
column, filling the extra space with zeros except for the lower-
right corner, which must be set to 1. For example, the rotation 
matrix from above becomes:

                      

Using this system, translations can be intermixed with all other 
types of transformations, using the same matrix multiplication as 
before.

Translation in real space can be represented as a shear in real 
projective space.)

a "dummy dimension"

background image

 

39

MERRY CHRISTMAS AND A HAPPY NEW YEAR !


Document Outline