Linjära avbildningar. Låt R n vara mängden av alla vektorer med n komponenter, d.v.s. x 1 x 2. x = R n = x n

Relevanta dokument
Vektorgeometri. En vektor v kan representeras genom pilar från en fotpunkt A till en spets B.

SF1624 Algebra och geometri

Veckoblad 3, Linjär algebra IT, VT2010

Vektorgeometri för gymnasister

ax + y + 2z = 3 ay = b 3 (b 3) z = 0 har (a) entydig lösning, (b) oändligt många lösningar och (c) ingen lösning.

x 1 x 2 x 3 x 4 mera allmänt, om A är en (m n)-matris, då ger matrismultiplikationen en avbildning T A : R n R m.

Exempel :: Spegling i godtycklig linje.

1 Ortogonalitet. 1.1 Skalär produkt. Man kan tala om vinkel mellan vektorer.

Exempel :: Spegling i godtycklig linje.

Vektorgeometri för gymnasister

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Svar till tentan. Del A. Prov i matematik Linj. alg. o geom

6. Matriser Definition av matriser 62 6 MATRISER. En matris är ett rektangulärt schema av tal: a 11 a 12 a 13 a 1n a 21 a 22 a 23 a 2n A =

LINJÄRA AVBILDNINGAR

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna

SF1624 Algebra och geometri Tentamen med lösningsförslag onsdag, 11 januari 2017

16.7. Nollrum, värderum och dimensionssatsen

16.7. Nollrum, värderum och dimensionssatsen

5 Linjär algebra. 5.1 Addition av matriser 5 LINJÄR ALGEBRA

Detta cosinusvärde för vinklar i [0, π] motsvarar α = π 4.

ax + y + 4z = a x + y + (a 1)z = 1. 2x + 2y + az = 2 Ange dessutom samtliga lösningar då det finns oändligt många.

17. Övningar ÖVNINGAR Låt F och G vara avbildningar på rummet, som i basen e = {e 1,e 2,e 3 } ges av. x 1 x 2 2x 2 + 3x 3 2x 1 x 3

Chalmers tekniska högskola Datum: kl Telefonvakt: Linnea Hietala MVE480 Linjär algebra S

Föreläsning 13 Linjär Algebra och Geometri I

e = (e 1, e 2, e 3 ), kan en godtycklig linjär

Vektorgeometri för gymnasister

A = (3 p) (b) Bestäm alla lösningar till Ax = [ 5 3 ] T.. (3 p)

Analys o Linjär algebra. Lektion 7.. p.1/65

19. Spektralsatsen Spektralsatsen SPEKTRALSATSEN

c d Z = och W = b a d c för några reella tal a, b, c och d. Vi har att a + c (b + d) b + d a + c ac bd ( ad bc)

{ 1, om i = j, e i e j = 0, om i j.

Föreläsning 3, Linjär algebra IT VT Skalärprodukt

Modul 1: Komplexa tal och Polynomekvationer

Mer om geometriska transformationer

Linjär Algebra, Föreläsning 9

October 9, Innehållsregister

1 som går genom punkten (1, 3) och är parallell med vektorn.

Linjär Algebra M/TD Läsvecka 2

1 Linjära ekvationssystem. 2 Vektorer

Matriser. En m n-matris A har följande form. Vi skriver också A = (a ij ) m n. m n kallas för A:s storlek. 0 1, 0 0. Exempel 1

Vektorgeometri för gymnasister

SF1624 Algebra och geometri

Vektorer. Kapitel 1. Vektorbegreppet. 1.1 Låt u=(4,0, 1,3) och v=(2,1,4, 2). Beräkna vektorn 2u 3v.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

Veckoblad 1, Linjär algebra IT, VT2010

Egenvärden och egenvektorer

Veckoblad 4, Linjär algebra IT, VT2010

Vektorgeometri för gymnasister

Linjär algebra på några minuter

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförsag till modelltentamen


Övningar. MATEMATISKA INSTITUTIONEN STOCKHOLMS UNIVERSITET Avd. Matematik. Linjär algebra 2. Senast korrigerad:

Geometriska vektorer

Räta linjer i 3D-rummet: Låt L vara den räta linjen genom som är parallell med

SF1624 Algebra och geometri

Explorativ övning Vektorer

Linjära avbildningar. Definition 1 En avbildning mellan två vektorrum, F : V U, kallas linjär om. EX. Speglingar, rotationer, projektioner i R 3.

. b. x + 2 y 3 z = 1 3 x y + 2 z = a x 5 y + 8 z = 1 lösning?

Mer om analytisk geometri

Enhetsvektorer. Basvektorer i två dimensioner: 1 1 Basvektorer i tre dimensioner: Enhetsvektor i riktningen v: v v

Lösningar till utvalda uppgifter i kapitel 8

(a) Bestäm för vilka värden på den reella konstanten c som ekvationssystemet är lösbart. (b) Lös ekvationssystemet för dessa värden på c.

TMV166 Linjär algebra för M, vt 2016

Lösningar till MVE021 Linjär algebra för I

4x az = 0 2ax + y = 0 ax + y + z = 0

Linjär Algebra, Föreläsning 2

M = c c M = 1 3 1

2s + 3t + 5u = 1 5s + 3t + 2u = 1 3s 3u = 1

Lösningsförslag till skrivningen i Vektorgeometri (MAA702) måndagen den 30 maj 2005

Övningar. c) Om någon vektor i R n kan skrivas som linjär kombination av v 1,..., v m på precis ett sätt så. m = n.

LÖSNINGAR TILL LINJÄR ALGEBRA kl 8 13 LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA MATEMATIK. 1. Volymen med tecken ges av determinanten.

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag med bedömningskriterier till kontrollskrivning 2 Fredagen den 28 januari, 2011

. (2p) 2x + 2y + z = 4 y + 2z = 2 4x + 3y = 6

2x + y + 3z = 1 x 2y z = 2 x + y + 2z = 1

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

6.1 Skalärprodukt, norm och ortogonalitet. TMV141 Linjär algebra E VT 2011 Vecka 6. Lärmål 6.1. Skalärprodukt. Viktiga begrepp

14. Minsta kvadratmetoden

Lite Linjär Algebra 2017

Vi definierar addition av två vektorer och multiplikation med en reell skalär (tal) λλ enligt nedan

29 november, 2016, Föreläsning 21. Ortonormala baser (ON-baser) Gram-Schmidt s ortogonaliseringsprocess

Självkoll: Ser du att de två uttrycken är ekvivalenta?

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

(d) Mängden av alla x som uppfyller x = s u + t v + (1, 0, 0), där s, t R. (e) Mängden av alla x som uppfyller x = s u där s är ickenegativ, s 0.

LYCKA TILL! kl 8 13

KTH, Matematik. Övningar till Kapitel , 6.6 och Matrisframställningen A γ av en rotation R γ : R 2 R 2 med vinkeln γ är

Vektorgeometri för gymnasister

1 basen B = {f 1, f 2 } där f 1 och f 2 skall uttryckas i koordinater i standardbasen.

MA2004 Tillämpad Matematik II, 7.5hp,

Matematiska Institutionen KTH. Lösning till tentamensskrivning på kursen Linjär algebra II, SF1604, den 9 juni 2011 kl

November 24, Egenvärde och egenvektor. (en likformig expansion med faktor 2) (en rotation 30 grader moturs)

= ( 1) ( 1) = 4 0.

LÖSNINGAR TILL LINJÄR ALGEBRA kl LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA MATEMATIK

Crash Course Algebra och geometri. Ambjörn Karlsson c januari 2016

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

SKRIVNING I VEKTORGEOMETRI

Vektorgeometri för gymnasister

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförslag till tentamen DEL A

MVE520 Linjär algebra LMA515 Matematik, del C

x 1 x 2 T (X) = T ( x 3 x 4 x 5

Linjär algebra och geometri I

Transkript:

Linjära avbildningar Låt R n vara mängden av alla vektorer med n komponenter, d.v.s. R n = { x = x x. x n } x, x,..., x n R. Vi räknar med vektorer x, y likandant som i planet och i rymden. vektorsumma: x + y x + y x + y =. x n + y n x y x för x =., y = y., x n y n

produkt av en vektor med en skalär: kx x kx x k x = för k R och x =.., kx n x n skalärprodukt: x y = x y + x y +... + x n y n norm: x = x + x +... + x n = x x Två vektorer kallas för ortogonala om x y = 0.

En avbildning T från R n till R m är en regel som avbildar varje x i R n på ett element T ( x) i R m : T : R n R m x T ( x) En avbildning kan vara given genom en beskrivning av hur T verkar på x en formel för T ( x) ekvationer som ger sambandet mellan komponenterna av x och T ( x)

Exempel Låt T : R R vara den avbildning som roterar varje vektor med 90 moturs. T ( x) x x x π x x Då beskrivs T genom följande formel: x x T = x x eller genom ekvationerna w = x w = x

Exempel a) Ekvationerna w = x + x w = x x w 3 = x x definierar en avbildning T : R R 3 som avbildar varje w x + x x på w x = x x. Man skriver w 3 x x b) Ekvationerna x T = x x + x x x x x w = x + x w = x w 3 = x x ger T : R R 3. x + x x Observera att T = x x = 0 x x x x

Låt A vara en m n-matris. Matrisen kan användas för att definiera en avbildning T A : R n R m genom att sätta T A ( x) = A x. Exempel Enhetsmatrisen I n definierar identitetsavbildningen I : R n R n som avbildar varje vektor x R n på sig själv, I ( x) = I n x = x. Exempel Nollmatrisen av storlek m n definierar nollavbildningen 0 : R n R m som avbildar varje vektor x R n på nollvektorn i R m, 0( x) = 0 x = 0 R m.

En avbildning T kallas för linjär om man kan uttrycka T ( x) genom matrismultiplikation med en lämplig matris [T ]: för alla x R n. T ( x) = [T ] x I så fall kallas [T ] för standardmatrisen till T. Exempel (forts.) T är linjär eftersom 0 x T ( x) = 0 x 0 och [T ] = är standardmatrisen till T. 0 Exempel (forts.) T är linjär med [T ] = 0.

Exempel 3 argument! Vilka av följande avbildningar är linjära? Ge ett T : R 3 R, T x = x + x + x 3 x 3 T : R R x, T (x) = x T 3 : R 3 R, T 3 x 0 = x x x 3 3 x Lösning T, T 3 är linjära eftersom x T x = ( ) x, T 3 x 3 Hur är det med T? x x 3 x x x 3 = 0 0 0 0 x x. x 3

Observation: En linjär avbildning T uppfyller () T ( x + y) = T ( x) + T ( y), () T (k x) = k T ( x) för alla vektorer x, y R n och alla tal k R. Det är anmärkningsvärd att omvändningen också gäller: Sats: En avbildning T är linjär om och endast om den uppfyller båda () och (). Följd: T linjär = T ( 0) = 0. Bevis: T ( 0) = T ( 0 0) = T ( 0) T ( 0) = 0 Exempel Om f : R R uppfyller () så gäller f (x) = a x med ett lämpligt tal a ty f (x) = f (x ) () = x f () }{{} =:a

Exempel 3 (forts.) T är inte linjär eftersom 0 0 0 T = 0 0 Exempel (forts.) men ( T + 0 T är inte linjär eftersom ( 0 ) ) = T = 0 0 T + T 0 = 0 + 0 = 0 0 (Problemet är termen x x!)

Exempel 4 Avbildningen T : R n R n där T. =. är linjär med 0 [T ] =. 0... x x n x n x

Exempel 5 a) Låt T vara en linjär avbildning med T ( 0 ) T = 3. Bestäm T. 3 = 0 3 och 0 Lösning Observera att = + ( 3). 3 0 Eftersom T är linjär får vi ( 0 ) T = T + ( 3) 3 0 0 = T + ( 3)T 0 ( ) = 3 + ( 3) 3 3 = 9

b) Givna är standardenhetsvektorerna e = vektorerna v =, v =, w 3 =, e 0 =, w = 0 och. Låt T vara en linjär avbildning med T v = w och T v = w. Bestäm T e och T e. Lösning För att skriva båda e och e som en linjär kombination av v, v löser vi det linjära ekvatiossystemet λ v + λ v = b { λ λ = b λ + 3λ = b för en allmän höger sida b = ( b b ).

Gausseliminationen ger b 3 b 3 b b ( 3 b 3 b 0 7 b b 0 7 (b b ) ), alltså λ = 7 (3b + b ), λ = 7 (b b ). Som resultat får vi för standardenhetsvektorerna som högra sidor e = 3 7 v 7 v (b =, b = 0), e = 7 v + 7 v (b = 0, b = ).

Eftersom T är linjär får vi T e = T 3 7 v 7 v = 3 7 T ( v ) 7 T ( v ) = 3 7 w 7 w = 3 7 7 = 7 5 T e = T 7 v + 7 v = 7 T ( v ) + 7 T ( v ) = 7 w + 7 w = 7 + 7 = 3 7 3 Observera att vi har visat följande formel för T : ( x 7 T = x 3 7 x ) (x ) 3 x 5 7 x + 3 7 x = 7 5 3 x

Hur hittar man standardmatrisen [T ] till en given linjär avbildning T? Betrakta fallet T : R 3 R 3 : Först observerar vi att varje vektor x i R 3 kan skrivas x x = y = x ı + y j + z k. z ( = T ( x) = T x ı + y j + z ) k T linjär = xt ( ı) + yt ( j) + zt ( k) ( = T ( ı) T ( j) T ( ) x k) y }{{} z standardmatrisen till T

Sats: Om T : R n R m är en linjär avbildning är standardmatrisen till T given genom ( ) [T ] = T ( e ) T ( e )... T ( e n ) där e, e,..., e n R n betecknar standardenhetsvektorerna, d.v.s. 0 0 e =.,..., e n =. 0. 0 Observera att [T ] är en m n-matris.

Exempel 6 a) Hitta standardmatrisen till den linjära avbildningen T : R R 3 med b) Bestäm T T ( e ) = 3, T ( e ) =. 0. Lösning a) [T ] = 3. 0 b) T = T e + e = T ( e ) + T ( e ) 4 = 3 + =. 0

Exempel 5 (forts.) Hitta standardmatriserna till avbildningarna i Exempel 5! 3 a) [T ] =. 3 3 3 Observera att T = = 3 3 3 9 3 b) [T ] = 7. 5 3

Exempel 7 Låt T vara en linjär avbildning med 4 T =, T =. 4 5 Ange [T ]. Lösning = 0 3 3 = T = 0 3 4 0 0 = = T = = 0 4 = [T ] = 3 3 4 = 5. 3,

Exempel 8 Hitta standardmatrisen till den avbildning R θ som roterar varje vektor med vinkeln θ moturs. Lösning Vi kollar vad som händer med enhetsvektorerna. (0, ) ( cos(θ), sin(θ) ) R θ ( e ) = cos(θ) sin(θ) θ (, 0) (0, ) ( sin(θ), cos(θ) ) R θ ( e ) = θ (, 0) sin(θ) cos(θ) cos(θ) sin(θ) = [R θ ] = sin(θ) cos(θ)

Exempel 9 y = x. Lösning proj x = Hitta standardmatrisen till projektionen P på linjen ( x x ) + = ( x + x ) x + x = ( ) (x ) x = [P] = ( Alternativt: för d = P( e ) får vi ) = d + ( ) d = ) P( e ) = P( e ) = (. }{{} enhetsvektor i rätt riktning (0, ) y = x P( e ) (, 0)

Några viktiga avbildningar från R till R : avbildning T [T ] utvidning/ förkortning < k x 0 < k < x k 0 0 rotation med vinkeln θ moturs θ x ( cos(θ) ) sin(θ) sin(θ) cos(θ) Anmärkning: Förflyttningen T ( x) = x + x 0 med x 0 0 är inte en linjär avbildning!

avbildning T [T ] spegling i -> y-axeln x ( ) 0 0 -> x-axeln x ( ) 0 0 -> linjen y = x x 0 0 -> origo x 0 0

avbildning T [T ] projek- ortogonala tionen på -> x-axeln x ( ) 0 0 0 -> y-axeln x 0 0 0 -> linjen y = x x ( )

Exempel a) Skjuvning av R i x-riktningen med faktor k. x x + ky k T =, [T ] = y y 0 k = : (0, ) 000000000000 000000000000 000000000000 000000000000 000000000000 000000000000 000000000000 000000000000 (, 0) b) Skjuvning av R i y-riktningen med faktor k. T x x =, [T ] = y y + kx 0 k

Sammansättning av linjära avbildningar: Låt T : R n R k och T : R k R m vara linjära avbildningar. T T R n R k R m Sammansättningen av T med T är den avbildning som erhålls genom att först använda T och sedan T. Vi skriver T T. T T är alltså en avbildning från R n till R m. Observera att den är igen linjär! Vi har T T }{{} avbildning ( x) = T T ( x). }{{} vektor i R k

Exempel 0 genom T För T : R 3 R och T : R R som är givna x x = x x 3, T (x) = x 3 x x är x x (T T ) x = T (T x ) x x = T (x x 3 ) = 3. x x 3 x 3 x 3 Däremot är T T inte definierad.

Sats: [T T ] = [T ] [T ] Bevis: T T ( x) = T T ( x) }{{} T linjär = [T ] y =: y T linjär y = [T ] x = [T ] ( [T ] x ) = ( [T ] [T ] ) x }{{} standardmatris till T T Anmärkning: Sammansättningen är inte kommutativ!

Exempel 0 (forts.) [T ] = ( 0 ), [T ] = = [T T ] = [T ][T ] = 0 0 = 0

Exempel Låt T vara speglingen i linjen y = x och T projektionen på y-axeln. 0 0 0 y = x = [T ] =, [T 0 ] =. 0 Alltså [T T ] = [T T ] = 0 0 0 0 0 0 Vi ser: T T T T. T ( x) T T ( x) x T T ( x) T ( x) y = x x

Det gäller dock att rotationer i planet kommuterar: Sats: Låt R θ : R R beteckna rotationen med vinkeln θ moturs. Då är R θ R θ = R θ +θ. Bevis: (med matrisräkning) [R θ R θ ] = [R θ ] [R θ ] cos(θ ) sin(θ = ) cos(θ ) sin(θ ) sin(θ ) cos(θ ) sin(θ ) cos(θ ) }{{} ( cos(θ ) cos(θ ) sin(θ ) sin(θ ) cos(θ ) sin(θ ) sin(θ ) cos(θ ) = sin(θ ) cos(θ ) + cos(θ ) sin(θ ) sin(θ ) sin(θ ) + cos(θ ) cos(θ ) Additionsteorem = ( cos(θ + θ ) ) sin(θ + θ ) sin(θ + θ ) cos(θ + θ ) = [R θ +θ ] )

Inverterbara avbildningar En linjär avbildning T : R n R n kallas för inverterbar om det finns en avbildning S : R n R n sådan att T S = S T = I där I är identitetsavbildningen, d.v.s. I : R n R n med I ( x) = x för alla x R n. Om inversa avbildningen S finns, så är den entydig bestämt och själv en linjär avbildning. Vi skriver S =: T. ( T.ex. S( x + y) = S } T{{ S} =I ) ( x) + T S( y) ( ) T linjär = S}{{ T} S( x) + S( y) = S( x) + S( y). =I

Sambandet mellan avbildningar och deras standardmatriser ger Sats: Om T är en inverterbar linjär avbildning, då är standardmatrisen [T ] till T en inverterbar matris och det gäller [T ] = [T ]. Följd: En linjär avbildning T är inverterbar om och endast om det([t ]) 0.

Exempel Rotationen R θ med vinkeln θ moturs är inverterbar och (R θ ) = R θ. Exempel 3 eftersom Projektionen P på y-axeln är inte inverterbar 0 0 det[p] = det = 0. 0 Exempel 4 Visa att avbildningen T som ges genom ekvationerna w = x w = x + x är inverterbar och bestäm den inversa avbildningen. Lösning 0 [T ] =. Eftersom det[t ] = 0 är T inverterbar och [T ] = [T ] =. 0 = T w = w ( w + w w ).

Exempel 5 Låt T vara avbildningen som roterar 45 medurs och T avbildningen som speglar i linjen y = x. a) Bestäm standardmatriserna ill T och T. b) Bestäm standardmatrisen till den sammansatta avbildningen T T. Tolka avbildningen geometriskt! c) Är T T inverterbar? Bestäm den inversa avbildningen i så fallet. d) Kommuterar T och T? Lösning a) [T ] = T ( e ) = T ( e ) =

[T ] = ( 0 ) 0 T ( e ) = e T ( e ) = e y = x b) [T T ( ] = [T ][T ) ] =. y = x y = x T T är speglingen i linjen y = x. T T ( e ) T T ( e )

c) Eftersom det[t T ] = 0 är T T inverterbar och vi får [(T T ) ] = = [T T ]. Avbildningen är självinvers. Observera att speglingar alltid är självinversa. d) [T T ] = [T ][T ] =. Eftersom [T T ] [T T ] kommuterar avbildningarna T och T inte.