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線形写像

線形写像.  線形写像. U,V:R上のベクトル空間. T:UからVへの写像. (1)T( u + v)= T( u )+T( v )  ( u,v ∈ U),. (2)T(c u )=cT( u )  ( u ∈ U, c ∈ R). T:線形写像. T( 0 U )=T(0・ 0 U )=0・T( 0 U )= 0 V. Uの零ベクトルをVの零ベクトルにうつす. U. V. u. T( u ). 写像T. v. T( v ). u + v. T( u + v ). R n から R m への写像 T A.

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線形写像

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  1. 線形写像  線形写像 U,V:R上のベクトル空間 T:UからVへの写像 (1)T(u+v)=T(u)+T(v)  (u,v∈U), (2)T(cu)=cT(u)  (u∈U, c∈R) T:線形写像 T(0U)=T(0・0U)=0・T(0U)=0V Uの零ベクトルをVの零ベクトルにうつす

  2. V u T(u) 写像T v T(v ) u + v T(u + v ) RnからRmへの写像TA TA(x)=Ax (x∈Rn)    A:m×n行列 TA(x+y)=A(x+y)= A(x)+A(y)= TA(x)+TA(y) (x,y∈Rn) TA(cx)=A(cx)= cA(x)= cTA(x) (x∈Rn,c ∈R)

  3.   線形写像の像と核 T:ベクトル空間UからVへの線形写像 Im(T):Tの像  (T(U)とも書く) Im(T)={T(u)|u∈U} Ker(T):Tの核  Ker(T)={u∈U|T(u)=0v } 定理5.1.1 T:ベクトル空間UからVへの線形写像 (1)Tの像 Im(T)はVの部分空間である。 (2)Tの核Ker(T)はUの部分空間である。

  4. V Im(T) 写像T U V 写像T Ker(T) 0

  5.  線形写像の階数と退化次数 T:UからVへの線形写像 rank(T):Tの階数 rank(T)=dim(Im(T)) null(T):Tの退化次数  null(T)=dim(Ker(T)) 定理5.1.2 U,V:ベクトル空間 T:UからVへの線形写像 null(T)+rank(T)=dim(U).

  6. RnからRmへの写像TA TA(x)=Ax (x∈Rn)    A:m×n行列 Ker(TA) ={x ∈Rn| Ax =0} 解空間 A=[ a1 a2・・・an] Im( TA )={ Ax| x ∈Rn} ={ x1a1+x2a2+・・・+xnan|x1, ・・・,xn∈R} 列ベクトルで生成されるRmの部分空間

  7. 線形写像の表現行列  表現行列 T:UからVへの線形写像 {u1,・・・,un}:Uの基 {v1,・・・,vm}:Vの基 (T(u1),・・・,T(un))=(v1,・・・,vm)A (A:m×n行列) 行列A:Uの基{u1,・・・,un},Vの基{v1,・・・,vm}          に関するTの表現行列

  8. V v1 u1 T(u1) ui 写像T vi T(ui) vm un T(un) (T( u1),・・・,T(un))=( v1,・・・, vm)A

  9. 例) T:U=R2からV=R3への線形写像 • 1 • 0 • 3 T(x)=      x 標準基 100 010 001 10 01 e1=   ,e2= e’1=   , e’2= , e’3= • 1 • 0 • 3 (T(e1),T(e2))=(e’1,e’2,e’3) • 1 • 0 • 3 標準基に関するTの表現行列  A=  

  10.  表現行列と基の変換行列 T:UからVへの線形写像 {u1,・・・,un}, {u’1,・・・,u’n} :Uの基 {v1,・・・,vm}, {v’1,・・・,v’m} :Vの基 (u’1,・・・,u’n)=(u1,・・・,un)P (v’1,・・・,v’m)=(v1,・・・,vm)Q (P,Q:正則行列) 行列P,Q:基の変換行列

  11. V e’1 e1 T(e1) ei 写像T e’i T(ei) e’m en 表現行列A T(en) 変換行列P 変換行列Q U V v1 u1 T(u1) ui 写像T vi T(ui) vm un T(un) 表現行列B

  12. 定理5.2.1 T:ベクトル空間UからVへの線形写像          B=Q-1AP. A:{u1,・・・,un},{v1,・・・,vm}に関する表現行列 B:{u’1,・・・,u’n},{v’1,・・・,v’m}に関する表現行列 線形変換:ベクトル空間から自分自身への線形写像 定理5.2.2          B=P-1AP. {u1,・・・,un}, {u’1,・・・,u’n} :Uの基 (u’1,・・・,u’n)=(u1,・・・,un)P (P:変換行列) A:{u1,・・・,un}に関する表現行列 B:{u’1,・・・,u’n}に関する表現行列

  13. P=[pij]nxn (T(u’1),・・・,T(u’n)) =(T(p11u1+・・・+pn1un),・・・,T(p1nu1+・・・+pnnun)) =(p11T(u1)+・・・+pn1T(un),・・・,p1nT(u1)+・・・+pnnT(un)) =(T(u1),・・・,T(un))P =(v1,・・・,vm)AP (T(u’1),・・・,T(u’n))P= (v’1,・・・,v’m)B=(v1,・・・,vm)QB (v1,・・・,vm)AP=(v1,・・・,vm)QB B=Q-1AP

  14. 3 0 0 1 T(x)=      x  (x∈R2) T(e2)=e2 e2 T e1 T(e1)=3e1

  15. 固有値と固有ベクトル 固有値と固有ベクトル T:ベクトル空間Vの線形変換 T(u)=λu   (u∈V,u≠0, λ∈R) λ:Tの固有値 u:(固有値λに属する)Tの固有ベクトル 例) 7 -6 3 -2 T(x)=      x  (x∈R2) 21 21 8 4 u=   とすると T(u)=    = 4   =4u 

  16.  固有空間 T:ベクトル空間Vの線形変換 W(λ;T)={u∈V|T(u)=λu}   固有多項式 gA(t)=|tE-A|    A:正方行列 行列Aの固有値:gA(t)=0 の根(複素根も含む) TA(x)=Ax    Ax=λx  Ax=λEx (λE-A)x=0 x(≠0)が存在する必要十分条件: λE-Aが正則行列でない

  17. 定理5.3.1 λがTAの固有値    gA(λ)=0 一般に多項式 f(t)=amtm+am-1tm-1+・・・+a1t+a0 と正方行列Aに対して f(A)=amAm+am-1Am-1+・・・+a1A+a0E と定義する。 定理5.3.2(ケーレー・ハミルトンの定理) gA(t)が正方行列Aの固有多項式ならば      gA(A)=0

  18. 一般の場合の固有値と固有空間の計算 T:n次元のベクトル空間Vの線形変換 {u1,・・・,un}:Vの1組の基 A:Tの{u1,・・・,un}に関する表現行列 gT(t):Tの固有多項式(=Aの固有多項式) gT(t)=gA(t)=|tE-A| gB(t)=|tE-B|= |tP-1EP-P-1AP|    = |P-1(tE-A)P|= |tE-A|=gA(t) 定理5.3.3 T:ベクトル空間Vの線形変換 λがTの固有値    gT(λ)=0

  19. 行列の対角化  同値な行列 A,B:n次正方行列 B=P-1AP となる正則行列Pが存在する A,Bは同値である。 行列の対角化 A:正方行列 B=P-1AP:対角行列 行列Aの対角化:正則行列Pと対角行列Bを求める

  20. 定理5.4.1 T:ベクトル空間Vの線形変換 λ1, ・・・λr:Tの相異なる固有値 Σdim(W(λi;T))≦dim(V) r i=1 定理5.4.2 A:n次実正方行列 λ1, ・・・λr:Aの相異なる実固有値の全体 AがR上対角化される必要十分条件 Σdim(W(λi;TA))=n. r i=1

  21. ui1,・・・uini:W(λi;TA)の基 P=[u11・・u1n1・・・ur1・・urnr] T(uik)=Auik=λiuik λ1 n1 ・ 0 ・ λ1 AP=PB,   B= ・ ・ λr nr ・ B=P-1AP 0 ・ λr

  22. 内積空間   内 積 u,v:R上のベクトル空間Vのベクトル 2つのベクトルu,vに対して実数(u,v)を対応させる対応( , )が次の4条件を満たす (1) (u+u’,v)= (u,v)+ (u’,v) (2) (cu,v)= c(u,v) (3) (v,u)= (u,v) (4) u≠0 ならば  (u,u)>0

  23. 例) a1 an b1 bn ・ ・ a= ,b= a,b∈V(=Rn) ・ ・ (a,b)=tab=a1b1+・・・+anbn Rnの標準的な内積 (1) (a+a’,b)= t(a+a’)b=tab+ta’b = (a,b)+ (a’,b) (2) (ca,b)= t(ca)b=ctab=c(a,b) (3) (a,b)=tab=t(tab)=tba=(b,a) (4) a≠0 ならば  (a,a)=taa>0

  24.  ベクトルのノルム ∥u∥= √(u,u) u のノルム または 長さ 例) 3 -2 V=Rn,  u= ∥u∥= √32 + (-2)2 = √ 13

  25. 定理6.1.1  内積空間Vのノルムについて次が成り立つ                (u,v∈V,c∈R) (1)∥cu∥=c∥u∥ (2) |(u,v)|≦ ∥u∥ ・∥v∥      (シュヴァルツの不等式) (3) ∥u+v∥ ≦ ∥u∥ +∥v∥  (三角不等式) n n n (2) (Σuivi)2≦ (Σui2) (Σvi2) i=1 i=1 i=1

  26.  ベクトルの直交 (u,v)=0 定理6.1.2  零ベクトルでないベクトル u1,・・・,ur が互いに 直交すれば1次独立である。 c1u1+・・・+crur=0  とおく。 r 0=(ui,c1u1+・・・+crur)= Σ cj(ui,uj)=ci(ui,ui)   j=1 (ui,ui) ≠0 だから  ci=0  (1≦i≦r)

  27. 正規直交基と直交行列  正規直交基 {u1,・・・,un}:Vの基 (ui,uj)=δij   (1 ≦i,j≦n) 定理6.2.1 (シュミットの直交化) {v1,・・・,vn}:Vの1組の基 となる、正規直交基{u1,・・・,un} が存在する。 <u1,・・・,ur>R =<v1,・・・,vr>R(1≦r≦n)

  28. u1=v1/ ∥v1 ∥∥u1 ∥=1 v’2=v2-(v2,u1)u1,   u2=v’2/ ∥v2 ∥ (u1,u2)=0 ,  ∥u2 ∥=1 <u1,u2>R= <u1,v2>R= <v1,v2>R r v’r+1=vr+1- Σ (vr+1,ui)ui, i=1 ur+1=v’r+1/ ∥vr+1 ∥ (ur+1,ui)=0  (v’r+1,ui)=0 (1≦i≦r) だから  <u1,・・・,ur,ur+1>R= <u1,・・・,ur,vr+1>R = <v1,・・・,vr,vr+1>R

  29. 110 131 2 -1 1 v1=   , v2= , v3= 110 110 1 1 u1==            正規化 ||v1 || √ 2 110 131 -1 1 1 4 1 v’2=v2-(v2,u1)u1 = - =     √ √ 2 2 直交化 -1 1 1 1 1 u 2=v’2=            正規化 || v’2 || √ 3 1 -1 2 5 v’3=v3-(v3,u1)u1 - (v3,u2)u2=     6 直交化

  30. 定理6.2.2 {u1,・・・,un}:内積空間Vの正規直交基  u=a1u1+・・・ +anun, v=b1u1+・・・ +bnun  と書くと   (u,v)=a1b1 +・・・ +anbn n n   (u,v)= Σ Σaibj (ui,vj)=a1b1 +・・・ +anbn i=1 j=1  直交変換 (T(u) ,T(v))= (u,v)    (u,v∈V) 定理6.2.3 {u1,・・・,un}:内積空間Vの正規直交基 Tは直交変換    (T(u1) ,・・・,T(un))                 はVの正規直交基

  31.  直交行列 tPP=En   (P:n次の実正方行列) 定理6.2.4 A:n次の実正方行列   TA(x)=Ax    (TA:Rn→Rn)  と定義する。 Aが直交行列   TA が直交変換 定理6.2.5 A:n次の実正方行列   A={a1,・・・,an} Aは直交行列    {a1,・・・,an}はRn                  の正規直交基

  32. 複素共役 複素数α=a+bi (i=√-1) α=a-bi : αの複素共役 定理6.3.1  実対称行列の固有値は全て実数である。 行列の(上)三角化 A:正方行列 P-1AP:上三角行列 行列Aの(上)三角化:正則行列Pと上三角行列               P-1APを求める

  33. 定理6.3.2 n次実正方行列Aの固有値が全て実数ならばA は直交行列を用いて上三角化できる。 λ1 * ・ P-1AP= ,  det(P)=1 ・ 0 λn 定理6.3.3 Aがn次実対称行列ならば、次の直交行列Pが存 在する。 λ1 0 ・ P-1AP= ,  det(P)=1 ・ 0 λn

  34. 1 2 -1 A= 2 -2 2 -1 2 1 t-1 -2 1 gA(t)=|tE-A|= =(t-1)2(t+2)+8 -2 t+2 -2 1 -2 t-1 - {(t+2)+8(t-1)} =(t-1)2(t+2)-9t+14 =t3-12t+16 =(t-2)2(t+4) λ=2,-4 (λE-A)x=0 λ=2のとき 1 -2 1 1 -2 1 x=0 x=0 簡約化 -2 4 -2 0 0 0 1 -2 1 0 0 0

  35. x 1 x 2 x 3 1. - - = 0 2 x 3 x x 2 -3 -1 x = 1 2 3 A= 1 2 -3 + = 0 - x 2 x 3 x 1 2 3 W={ x∈R3|Ax =0} (i) x =0 を代入。 A0=0だから 0 ∈W (ii) x,y∈W とすると  A(x + y) =Ax +Ay =0+0 =0 だから x+y∈W  (iii)x∈W,c∈R とすると  A(cx) =c(Ax)=c0=0 だから cx∈W

  36. c 1 c 2 c 3 2. 231 312 5 -3 4 312 231 5 -3 4 c1+c2 + c3 = 0 321 132 -3 5 4 231 312 5 -3 4 = 0 1 3 -3 0 -7 14 0 -5 10 解が一意に定まらない。 1 3 -3 0 1 -2 c1 = c2 =c3 = 0 以外の解を持つから1次従属 0 1 -2 1 0 3 0 1 -2 0 0 0

  37. x1 x2 x3 x4 x5 3. = c1 とする。 1 2 3 1 -5 = c2 x x 4 5 2 0 -1 3 4 3 1 4 -7 10 x1+3c2 = 0 x1 =ー3c2 1 2 3 1 -5 x2 = ー5c1 +7c2 x2+5c1ー7c2 = 0 0 -4 -7 1 14 x3 =3c1 ー2c2 x3ー3c1 +2c2 = 0 0 -5 -5 -10 25 = c1 x 1 2 3 1 -5 4 = c2 x 0 1 1 2 -5 5 0 -5 3 1 0 -3 7 -2 0 1 0 -4 -7 1 14 2次元 1 0 1 -3 5 1組の基 0 1 1 2 -5 x = c1+c2 0 -5 3 1 0 -3 7 -2 0 1 0 0 -3 9 -6 1 0 0 0 3 0 1 0 5 -7 0 0 1 -3 2 , c1 c2

  38. 4. = c1 とする。 = c2 x x x1 x2 x3 x4 2 4 1 2 1 0 x1+2c1ーc2 = 0 x1 =ー2c1+c2 0 0 1 1 = c1 2 4 3 1 x 2 1 2 1 0 x3 =ーc2 x3+c2 = 0 0 0 1 1 = c2 x 0 0 1 1 4 -2 1 0 0 1 0 -1 1 1 2 0 -1 x = c1+c2 0 0 1 1 0 0 0 0 c1 c2 (ii) rank(T)=2 (i) null(T)=2 -2 1 0 0 1 0 -1 1 201 311 Ker(T)の1組の基 Im(T)の1組の基 , ,

  39. 5. 13 -30 A= 5 -12 t-13 30 gT(t)=|tE-A|= = t2-t-6 =(t-3)(t+2) (i) -5t+12 (ii) λ=3,-2 (λE-A)x=0 (iii) 31 -10 30 λ=3のとき x=0 W(3;T)={c c∈R}  -5 15 21 -15 30 λ=-2のとき x=0 W(-2;T)={c c∈R}  -5 10 3 2 3 0 P= B=P-1AP = 1 1 0 -2

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