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七线性变换习题课
七、线性变换习题课
1.复习线性变换的概念
例1 将C看成R上的线性空间,变换是线性的,看成C上的线性空间则不是。
证明:R上:有==
??????????? 又
??????????? 故A是R上线性空间C的线性变换。
????? C上:取及,有,而? ,故A不是C上线性空间C的线性变换。
由上例,变换A是否为线性变换与所讨论的数域有关。
2.利用运算的意义,运算律推证线性变换的等式,利用线性变换与n阶方阵代数同构解决有关问题。
????
??????
例2 设A,B是线性变换,如果证明:
?????????? ,(k0)
证明: 由已知,对k=1结论成立,故考虑用数学归纳法.
???? 对k用归纳法.当k=1时结论成立. K=2时,由已知
牋牋 0)=AB=(BA+E)A+A-BA2
牋牋牋牋牋牋 =BA2+A+A-BA2法.
??=2A? 结论成立.
???? 设当k时结论成立,即,也即.
???? 当k+1时,
???????????????????????? =ABAk+AkAk-1-BAk+1=(BA+E)Ak+kAk-BAk+1
???????????????????????? =BAk+1+Ak+kAk-BAk+1=(k+1)Ak
???? 所以结论对k+1也成立,从而对一切k1成立.?????????
例3 设V是数域P上n维线性空间,证明:V的与全体线性变换交换的线性变换是数乘变换.
证明: 需要表达出线性变换,联系到某基下的矩阵.
???? 设令A,B在某基下的矩阵分别为A,B.?????????????????????
????因为,所以由得AB=BA.由的任意性,也是任意的,从而存在某个k使得A=kE为数量阵(P.204,ch.4.ex.7.3),于是为数量变换.
有了变换乘积,进一步可考虑可逆变换.
3. 系统小结可逆线性变换的的等价条件,并举例说明一些基本论证方法.
? A可逆10 存在使=E.
??????? ?A是双射.
??????? ?A在基下的矩阵A可逆—有限维
? 例4 设是线性空间V的一组基,A是V上的线性变换,证明:可逆当且仅当线性无关.
证明:证法一:
“” ,,若=0,有B()=0,即=0, =0,即线性无关.
“” 线性无关,
???? 因dimV=n,故使得
???? =A()
???? 令使=()
???? 易见,且,即
???? 又任给设=
???? 有()==
故,从A可逆.
证法二:利用双射
“” A是双射,则0==A()
???? 得0=(0对应0)
???? 故,线性无关.
“” 由dimV=n,V的任一向量可由唯一表示,即V中任一向量有唯一(要证明)原像(显然).故A是双射.
证法三:利用矩阵
A可逆A在下的矩阵A可逆
?????
牋牋?A可逆()A也是一组基=n
????? 线性无关???????????????????????????
例5 设,W1,W2是V的子空间,且,则可逆.
证明:由,有V,可设W1的一组基为, W2的一组基为,则为V的一组基.
“” A可逆,故线性无关,1,2的秩为r,n-r,
?和分别为1和2的基,故.
“” ,有dimV=dim,=(),故为AV的一组基,即线性无关,A可逆.
4.小结:线性变换矩阵的求法,进一步掌握矩阵的概念.
?? 为V的一组基,
?? () =()A, ()=()X为另一组基,有
?? ()=()
例6 在空间P[x]n中,是线性变换,求在基
,下的矩阵.
证明: 首先由ex.1.5)知,是线性变换,是线性变换,故是线性变换.
???? 其次,只要求出,用表示,就可得A.
?? ??=(1)=1-1=0,
牋牋 ?,=-
牋牋牋牋 ==0,
牋牋牋 牋===0,
所以, (,)=(,), 所求矩阵为.
例7 设三维线性空间V上的线性变换A在基下的矩阵为,
1).求在基()下的矩阵;
2).求在基()下的矩阵,其中k;
3).求在基()下的矩阵.
证明:1).? =
牋牋牋牋 ?? 线性=
牋牋牋 牋??? 线= =
()=()
所求矩阵为。
又可()=()=()
故所求矩阵为A
2)= ()
又()=()
故所求矩阵为A=A
3). =
牋牋牋牋牋 = 牋
牋牋牋 牋牋 ? 牋
牋牋牋 牋牋? 牋
?所求矩阵为
又()=()
故所求矩阵为
A ? 故燗 故
例8 ,在任一组基下矩阵都相同,则是数乘变换.
证明: 要证在任一组基下矩阵是数量阵.
???? 设在基下下的矩阵为A,对任一n阶非退化方阵X,()=()X为V的另一组基,在此基下的矩阵为即,由的任意性, A为数量阵.
事实上
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