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Chapter 3 线性映射

Youmans Yu原创线性代数学习笔记Linear Algebra大约 9 分钟

线性代数学习笔记第三章,参考教材为《Linear Algebra Done Right》。

3.A 向量空间的线性映射

  • 线性映射的定义
    从VV到WW的线性映射是具有如下性质的函数:

    • 加性:∀u,v∈V\forall u,v\in V, T(u+v)=Tu+TvT(u+v)=Tu+Tv
    • 齐性:$\forall \lambda \in F,\ v\in V,\ T(\lambda v)=\lambda (Tv) $

    将从VV到WW的所有线性映射构成的集合记做L(V,W)\mathcal L(V,W)

  • 线性映射和定义域的基
    设v1,...,vnv_1,...,v_n是VV的基,w1,...,wn∈Ww_1,...,w_n\in W.则存在唯一一个线性映射T:V→WT:V\rightarrow W,s.t.∀j=1,...,n\forall j=1,...,n都有:

Tvj=wj Tv_j=w_j

  • L(V,W)\mathcal L(V,W)上的代数运算
    • 加法和标量乘法
      设S,T∈L(V,W), λ∈FS,T\in\mathcal L(V,W),\ \lambda\in \bf F,定义:和S+TS+T和积λT\lambda T是VV到WW的线性映射:∀v∈V\forall v\in V

    (S+T)(v)=Sv+Tv (S+T)(v)=Sv+Tv

    (λT)(v)=λ(Tv) (\lambda T)(v)=\lambda (Tv)

    由此可以得到:L(V,W)\mathcal L(V,W)是一个向量空间
    • 线性映射的乘积
      若T∈L(U,V), S∈L(V,W)T\in \mathcal L(U,V),\ S\in \mathcal L(V,W),则定义成绩ST∈L(U,W)ST\in\mathcal L(U,W)如下:

    ∀u∈U, (ST)(u)=S(Tu) \forall u\in U,\ (ST)(u)=S(Tu)

    此乘积具有结合性、单位元和分配性质,线性映射的乘法不是交换的.
    • T∈L(V,W), T(0)=0T\in\mathcal L(V,W),\ T(0)=0

3.B 零空间与值域

  • 零空间与单值性
    • 零空间的定义
      对于T∈L(V,W)T\in \mathcal L(V,W), TT的零空间(记做null T\mathrm{null}\ T)是指那VV中那些被TT映成00的向量构成的子集:

    null T={v∈V:Tv=0} \mathrm{null}\ T=\{v\in V:Tv=0\}

    零空间null T\mathrm{null}\ T是VV的子空间
    • 单的
      如果Tu=TvTu=Tv则必有u=vu=v,则称映射T:V→WT:V\rightarrow W是单的, TT是单射当且仅当null T={0}\mathrm{null}\ T=\{0\}.
  • 值域和满射性
    • 值域的定义
      对于VV到WW的映射TT,TT的值域是WW中形如Tv(v∈V)Tv(v\in V)的向量组成的子集:

    range T={Tv:v∈V} \mathrm{range}\ T=\{Tv:v\in V\}

    值域range T\mathrm{range}\ T是WW的子空间
    • 满的
      若函数T:V→WT:V\rightarrow W的值域等于WW,则称TT是满的.
  • 线性映射基本定理
    • 线性映射基本定理
      设VV是有限维的, T∈L(V,W)T\in \mathcal{L}(V,W), 则range T\mathrm{range}\ T是有限维且:

    dim V=dim null T+dim range T \boxed{\mathrm{dim}\ V=\mathrm{dim\ null}\ T+\mathrm{dim\ range}\ T}

    • 到更小维数向量空间的线性映射不是单的
      如果VV和WW都是有限维向量空间并且dim V>dim W\mathrm{dim}\ V>\mathrm{dim}\ W,那么VV到WW的线性映射一定不是单的
    • 到更大维数向量空间的线性映射不是满的
      如果VV和WW都是有限维向量空间并且dim V<dim W\mathrm{dim}\ V<\mathrm{dim}\ W,那么VV到WW的线性映射一定不是满的
    • 齐次线性方程组
      当变量数多于方程数时,齐次线性方程组必有非零解
    • 非齐次线性方程组
      当方程数多于变量数,必有一组常数项使得相应的非齐次线性方程组无解

3.C 矩阵

  • 用矩阵表示线性映射
    • Matrix,Ai,jA_{i,j}
      设m,nm,n都是正整数.m×nm\times n矩阵AA是由F\bf F的元素构成的mm行nn列的矩形阵列:

    A=(A1,1...A1,n⋮⋮Am,1...Am,n) A=\begin{pmatrix}A_{1,1}&...&A_{1,n}\\\vdots&&\vdots\\A_{m,1}&...&A_{m,n}\end{pmatrix}

    记号Aj,kA_{j,k}表示位于AA的第jj行第kk列处的元素.也就是说,第一个下标代表行,第二个下标代表列.
    • 线性映射的矩阵
      设T∈L(V,W)T\in\mathcal L(V,W),并设v1,...,vnv_1,...,v_n是VV的基,w1,...,wmw_1,...,w_m是WW的基.规定TT关于这些基的矩阵为m×nm\times n的矩阵M(T)\mathcal M(T),其中Aj,kA_{j,k}满足:

    Tvk=A1,kw1+..+Am,kwm Tv_k=A_{1,k}w_1+..+A_{m,k}w_m

    如果这些基不是上下文自明的,采用记号M(T,(v1,...,vn),(w1,...,wm))\mathcal M(T,(v_1,...,v_n),(w_1,...,w_m))
  • 矩阵的加法和标量乘法
    • 矩阵加法
      规定两个相同大小的矩阵的和是吧矩阵中相对应的元素相加所得到的矩阵
    • 线性映射的和的矩阵
      设S,T∈L(V,W)S,T\in \mathcal L(V,W),则M(S+T)=M(S)+M(T)\mathcal M(S+T)=\mathcal M(S)+\mathcal M(T)
    • 矩阵的标量乘法
      标量与矩阵的乘积就是用该标量乘以矩阵的每个元素
    • 标量乘以线性映射的矩阵
      设λ∈F, T∈L(V,W)\lambda\in\bf F,\ T\in \mathcal L(V,W),则M(λT)=λM(T)\mathcal M(\lambda T)=\lambda \mathcal{M}(T)
    • 对于正整数m,nm,n.元素取自F\bf F的所有m×nm\times n矩阵的集合记做Fm,n\bf F^{m,n}.

    dimFm,n=mn \mathrm{dim} \bf F^{m,n}=mn

  • 矩阵的乘法
    • 设M(S)=A,M(T)=C\mathcal M(S)=A,\mathcal M(T)=C

    (ST)uk=S(∑r=1nCr,kvr)=∑r=1nCr,kSvr=∑r=1nCr,k∑j=1mAj,rwj=∑j=1m(∑r=1nAj,rCr,k)wj \begin{align}(ST)u_k&=S(\sum_{r=1}^{n}C_{r,k}v_r)\\&=\sum_{r=1}^nC_{r,k}Sv_r\\&=\sum_{r=1}^nC_{r,k}\sum_{j=1}^mA_{j,r}w_j\\&=\sum_{j=1}^m(\sum_{r=1}^nA_{j,r}C_{r,k})w_j\end{align}

    因此M(ST)\mathcal M(ST)是m×pm\times p矩阵,其第jj行第kk列的元素等于:

    ∑r=1nAj,rCr,k \sum_{r=1}^nA_{j,r}C_{r,k}

    • 矩阵乘法的定义:
      设AA是m×nm\times n矩阵,CC是n×pn\times p矩阵.ACAC定义为m×pm\times p矩阵,其第jj行第kk列元素是:

    ∑r=1nAj,rCr,k \sum_{r=1}^nA_{j,r}C_{r,k}

    也就是说,把AA的第jj行和CC的第kk列的对应元素相乘再求和,就得到ACAC的第jj行第kk列元素.
    • 线性映射乘积的矩阵
      若T∈L(U,V), S∈L(V,W)T\in \mathcal L(U,V),\ S\in \mathcal L(V,W), 则M(ST)=M(S)M(T)\mathcal M(ST)=\mathcal M(S) \mathcal M(T)
    • 设AA是m×nm\times n的矩阵
      • 若1≤j≤m1\leq j\leq m,则Aj,⋅A_{j,\cdot}表示AA的第jj行组成的1×n1\times n矩阵
      • 若1≤k≤n1\leq k\leq n,则A⋅,kA_{\cdot,k}表示AA的第kk行组成的m×1m\times 1矩阵
    • 列的线性组合
      设AA是m×nm\times n矩阵,c=(c1⋮cn)c=\begin{pmatrix}c_1\\\vdots\\c_n\end{pmatrix}是n×1n\times 1矩阵,则:

    Ac=c1A⋅,1+⋯+cnA⋅,n Ac=c_1A_{\cdot,1}+\cdots+c_nA_{\cdot,n}

3.D 可逆性和同构的向量空间

  • 可逆的线性映射
    • 可逆和逆
      • 线性映射T∈L(V,W)T\in\mathcal L(V,W)成为可逆的,若存在线性映射S∈L(W,V)S\in\mathcal L(W,V)使得STST等于VV上的恒等映射且TSTS等于WW上的恒等映射
      • 满足ST=IST=I和TS=ITS=I的线性映射SS称为TT的逆,这样的SS是唯一的,记做T−1T^{-1}
    • 可逆性等价于单性和满性
      一个线性映射是可逆的当且仅当它既是单的又是满的
  • 同构的向量空间
    • 同构,同构的
      同构就是可逆的线性映射
      若两个向量空间之间存在一个同构,则称这两个向量空间是同构的.
      F\bf F上的两个有限维向量空间同构当且仅当其维数相同
      L(V,W)\mathcal L(V,W)与Fm,n\bf F^{m,n}同构
      由此dim L(V,W)=(dim V)(dim W)\mathrm{dim}\ \mathcal L(V,W)=(\mathrm{dim}\ V)(\mathrm{dim}\ W)
  • 将线性映射视为矩阵乘法
    • 向量的矩阵
      设v∈Vv\in V,并设v1,...,vnv_1,...,v_n是VV的基,则规定vv关于这个基的矩阵是n×1n\times 1矩阵:

    (c1⋮cn) \begin{pmatrix}c_1\\\vdots\\c_n\end{pmatrix}

    其中c1,...,cnc_1,...,c_n是使得下式成立的标量:

    v=c1v1+...+cnvn v=c_1v_1+...+c_nv_n

    • M(T)⋅,k=M(Tvk)\mathcal M(T)_{\cdot,k}=\mathcal M(Tv_k)
    • 线性映射的作用类似于矩阵乘
      设T∈L(V,W),v∈VT\in\mathcal L(V,W),v\in V.设v1,...,vnv_1,...,v_n是VV的基,w1,...,wmw_1,...,w_m是WW的基.则:

    M(Tv)=M(T)M(v) \mathcal M(Tv)=\mathcal M(T)\mathcal M(v)

  • 算子
    • 算子的定义和L(V)\mathcal L(V)
      向量空间到其自身的线性映射称为算子.记号L(V)\mathcal L(V)表示VV上全体算子的集合,即L(V)=L(V,V)\mathcal L(V)=\mathcal L(V,V)
    • 在有限维的情形中,单性等价于满性
      设VV是有限维的,并设T∈L(V)T\in \mathcal L(V),则如下叙述等价:
      • TT是可逆的
      • TT是单的
      • TT是满的

3.F 对偶

  • 对偶空间和对偶映射
    • 线性泛函
      VV上的线性泛函是从VV到F\bf F的线性映射.也就是说,线性泛函是L(V,F)\mathcal L(V,\bf F)中的元素.
    • 对偶空间
      VV上的所有线性泛函构成的向量空间称为VV的对偶空间,记做V′V^{\prime}.也就是说V′=L(V,F)V^{\prime}=\mathcal L(V,\bf F)
    • dimV′=dimV\mathrm{dim} V^{\prime}=\mathrm{dim} V
    • 对偶基
      设v1,...,vnv_1,...,v_n是VV的基,则v1,...,vnv_1,...,v_n的对偶基是V′V^{\prime}中的元素组ϕ1,...,ϕn\phi_1,...,\phi_n,其中每个ϕj\phi_j都是VV上的线性泛函,使得:

    ϕj(vk)={1,k=j0,k≠j \phi_j(v_k)=\begin{cases}1,&k=j\\0,&k\neq j\end{cases}

    其确实是对偶空间的基
    • 对偶映射
      若T∈L(V,W)T\in\mathcal L(V,W),则TT的对偶映射T′∈L(W′,V′)T^{\prime}\in\mathcal L(W^{\prime},V^{\prime}):
      对于ϕ∈W′,T′(ϕ)=ϕ∘T\phi\in W^{\prime},T^{\prime}(\phi)=\phi\circ T
      • 对偶映射的代数性质
        • 对所有S,T∈L(V,W)S,T\in\mathcal L(V,W)有(S+T)′=S′+T′(S+T)^{\prime}=S^{\prime}+T^\prime
        • 对所有λ∈F\lambda\in \bf F和所有T∈L(V,W)T\in\mathcal L(V,W)有(λT)′=λT′(\lambda T)^{\prime}=\lambda T^{\prime}
        • (ST)′=T′S′(ST)^{\prime}=T^{\prime}S^\prime
  • 线性映射的对偶的空间和值域
    • 零化子
      对于U⊂V,UU\subset V,U的零化子(记为U0U^0)定义如下:

    U0={ϕ∈V′:∀u∈U, ϕ(u)=0}. U^0=\{\phi \in V^\prime:\forall u\in U,\ \phi(u)=0\}.

    其是V′V^\prime的子空间
    • 零化子的维数

    dimU+dimU0=dimV. \mathrm {dim}U+\mathrm{dim} U^0=\mathrm{dim} V.

    • T′T^\prime的零空间
      设VV和WW均为有限维,T∈L(V,W)T\in \mathcal L(V,W).则:

      • nullT′=(rangeT)0\mathrm{null} T^{\prime}=(\mathrm{range}T)^0
      • dim null T′=dim null T+dim W−dim V\mathrm{dim\ null}\ T^{\prime}=\mathrm{dim\ null}\ T+\mathrm{dim}\ W-\mathrm{dim}\ V

      ⇒T\Rightarrow T是满的等价于T′T^\prime是单的

    • T′T^\prime的值域

      • dim range T′=dim range T\mathrm{dim\ range}\ T^{\prime}=\mathrm{dim\ range}\ T
      • range T′=(null T)0\mathrm{range}\ T^{\prime}=(\mathrm{null}\ T)^0

      ⇒T\Rightarrow T是单的等价于T′T^\prime是满的

  • 对偶映射的矩阵
    • 转置
      矩阵AA的转置(记做AtA^t)是通过互换AA的行和列的角色得到的矩阵.确切地说,若AA是m×nm\times n矩阵,则AtA^t是n×mn\times m矩阵,其元素由下式给出:

    (At)k,j=Aj,k (A^t)_{k,j}=A_{j,k}

    • 性质
      • (A+C)t=At+Ct(A+C)^t=A^t+C^t
      • (λA)t=λAt(\lambda A)^t=\lambda A^t
      • (AC)t=CtAt(AC)^t=C^tA^t
      • 设T∈L(V,W)T\in \mathcal L(V,W),则M(T′)=(M(T))t\mathcal M(T^\prime)=(\mathcal M(T))^t
  • 矩阵的秩
    • 行秩和列秩
      设AA是属于F\bf F的m×nm\times n矩阵.

      • AA的行秩是AA的诸行在F1,n\bf F^{1,n}中张成空间的维数
      • AA的列秩是AA的诸列在Fm,1\bf F^{m,1}中张成空间的维数

      由此range T\mathrm{range}\ T的维数等于M(T)\mathcal M(T)的列秩

    • 行秩等于列秩

    • 由此定义矩阵AA的秩为AA的列秩

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贡献者: Youmans Yu