טרנספורמציות לינאריות
Transcription
טרנספורמציות לינאריות
טרנספורמציות לינאריות גרסת 19.4.2015 משפט הבסיסים התקניים להצגת טרנספורמציה לינארית :תהי ׂ Tטרנספורמציה לינארית ממרחב n־מימדי Vלמרחב .Wהגרעין ) Ker (Tשל Tזאת הקבוצה }.{v ∈ V | T v = 0 הדרגה של ,Tשנסמנה ב־ ,rהיא מימד התמונה ) Im (Tשל .Tקיים בסיס ) (v1 , . . . , vn ל־ Vכך ש־ ) (T v1 , . . . , T vrהיא סדרת ווקטורים בלתי תלויה ב־ Wו־ ) (vr+1 , . . . , vn היא בסיס ל־) .Ker (Tבמיוחד ,המימד של ) Ker (Tהוא .n − r הסידרה הבלתי תלויה ) (T v1 , . . . , T vrפורשת את ) ,Im (Tולכן היא בסיס ל־) .Im (T אפשר ,כמובן ,להשלים סידרה זאת לבסיס של .U הוכחה .יהי kמימד ) ,Ker (Tויהי ) (vn−k+1 , . . . , vnבסיס ל־) .Ker (Tנשלים את הסידרה הזאת לבסיס ) (v1 , . . . , vnשל .Vברור כי הסדרה ) (T v1 , . . . , T vnפורשת את ) ,Im (Tומכיוון ש־ ) vn−k+1 , . . . , vn ∈ Ker (Tקיים T vn−k+1 = . . . = T vn = 0ולכן גם הסדרה ) (T v1 , . . . , T vn−kפורשת את ) .Im (Tנוכיח עתה שסדרה זאת היא בלתי Pn−k i=1ונוכיחPכי תלויה .לשם כך יהיו a1 , . . . , an−k ∈ Fכך ש־ ai T vi = 0 n−k ,Tוזה אומר .a1 = . . . = an−k = 0לאור לינאריות Tקיים = 0 i=1 ai vi Pn−k ש־ ) . i=1 ai vi ∈ Ker (Tמכיוון ש־ ) (vn−k+1 , . . . , vnבסיס ל־) Ker (Tקיימים Pn−k Pn bn−k+1 , . . . , bn ∈ Fכך ש־ i=1 ai vi = n−k+1 bi viולכן Pn−k Pn , i=1 ai vi +ומכיוון ש־ ) (v1 , . . . , vnהיא בסיס לכן n−k+1 (−bi ) vi = 0 .a1 = . . . = an−k = −bn−k+1 = . . . = −bn = 0כך ראינו שהסדרה ) (T v1 , . . . , T vn−k היא בסיס ל־) ,Im (Tולכן n − k = rומכאן .k = n − r מסקנה .יהי) (v1 , . . . , vnבסיס של מרחב Vותהי T : V → Wטרנספורמציה לינארית .הסדרה ) (T v1 , . . . , T vnהיא בלתי תלויה אםם } ,Ker (T ) = {0אםם Tהיא חד חד ערכית. הוכחה .אם הסדרה ) (T v1 , . . . , T vnהיא בלתי תלויה אז דרגת ,Tשהיא מימד ) ,Im (T היא nולכן מימד ) Ker (Tהוא , 0כלומר } .Ker (T ) = {0מצד שני אם }Ker (T ) = {0 אז מימד ) Ker (Tהוא 0ולכן דרגת ,Tשהיא דרגת הסדרה ) (T v1 , . . . , T vnהפורשת את ) ,Im (Tהיא nולכן סדרה זאת בלתי תלויה .לכל טרנספורמציה לינארית Tקיים כפי שקל לראות ,ש־ Tהיא חד חד ערכית אםם }.Ker (T ) = {0 משפט החפיפה של טרנספורמציות לינאריות ממרחב למרחב .א .יהיו Vמרחב ווקטורי n־מימדי ו־ Wמרחב m־מימדי ,שניהם מעל השדה ,Fותהיינה Tו־ T 0טרנספורמציות לינאריות מ־ Vל־ .Wאז אם Tו־ T 0הן בעלות אותה דרגה rאז קיימים אוטומורפיזמים F : V → Vו־ G : W → Wכך שלכל .GT v = T 0 F v v ∈ Vזה אומר שאם "נחפוף" את Vעל עצמו באמצעות Fואת Wעל עצמו באמצעות Gאז הטרנספורמציה הלינארית Tתחפוף ל־ T 0כי לכל T v ∈ Vמעתיקה את vל־ T vו־ T 0מעתיקה את ,F vש־ vמותאם לו ,ל־ ,GT v = T 0 F vש־ T vמותאם לו. הרעיון העומד בבסיס משפט זה הוא שאם אנחנו מסתכלים על כל טרנספורמציה מדרגה rמ־ Vל־ Wמזווית מתאימה ,כלומר מבסיס המתאים לטרנספורמציה ,אז ,לאור המשפט הקודם ,אנו רואים אותו דבר והוא rוקטורי בסיס העוברים לווקטורים בלתי תלויים ,ויתר ווקטורי הבסיס עוברים ל־.0 ב .אם V, W, T, T 0הם כמו בא' פרט לכך שאיננו מניחים דבר על הדרגות של Tושל T 0 וקיימים אוטומורפיזמים Fו־ Gכמו ב־א' ,כלומר שאפשר לחפוף את Vואת Wעל עצמם 1 כך שהטרנספורמציה הלינארית Tתחפוף ל־ ,T 0אז Tו־ T 0הן בעלות אותה דרגה. Tv G T →− ↓ GT v v F T0 →− ↓ Fv הוכחה .א .נבחר ל־ Vבסיסים v1 , . . . , vnו־ v10 , . . . , vn0כך ש־ T v1 , . . . , T vr בסיס ל־ ) vr+1 , . . . , vn ,Im (Tבסיס ל־ ) T 0 v10 , . . . , T 0 vr0 ,Ker (Tבסיס ל־) Im (T 0 0 נשלים את T v1 , . . . , T vrלבסיס vr+1בסיס ל־) .Ker (T 0 , . . . , vn0 ו־ 0 0 0 לבסיס T v1 , . . . , T vr ואת W של T v1 , . . . , T vr , wr+1 , . . . , wm 0 , . . . , wn0 T 0 v10 , . . . , T 0 vr0 , wr+1של .Wנגדיר את F : V → Vע"י F vi = vi0עבור 0 0 0 ,1 ≤ i ≤ nואת G : W → Wע"י G (T vi ) = T viעבור 1 ≤ i ≤ rו־ Gwi = wiעבור .r + 1 ≤ i ≤ Nלפי הגדרות Gו־ Fקיים לכל GT vi = T 0 vi0 = T F vi 1 ≤ i ≤ r ולכל .GT vi = G0 = 0 = T 0 vi0 = T 0 F vi r + 1 ≤ i ≤ nמכיוון ש־ GTו־ T 0 Fהן טרנספרמציות לינארית המקבלות את אותם הערכים לכל איברי הבסיס v1 , . . . , vnשל V הן מקבלות את אותם הערכים לכל ,v ∈ Vולכן לכל v ∈ Vקיים .GT v = T 0 F v ב .נניח שקיימים איזומורפיזמים Fו־ Gכמו ב־א' כך שלכל v ∈ Vקיים GT v = T 0 F v ולכן ).Dim (Im (GT )) = Dim (Im (T 0 F )) (1 מכיוון ש־ Gהוא איזומורפיזם הוא שומר על המימדים של תתי המרחב של Wומכיוון שתמונת Gשל ) Im (Tהיא ) Im (GTלכן ).Dim (Im (GT )) = Dim (Im (T)) (2 מכיוון ש־ Im (F ) = Vקיים ) ,Im (T 0 F ) = Im (T 0ולכן ).Dim (Im (T0 F)) = Dim (Im (T 0 )) (3 מ־) (2) ,(1ו־) (3נובע )) ,Dim (Im (T 0 )) = Dim (Im (Tכלומר דרגת T 0שווה לדרגת .T הגדרת הדימיון של טרנספורמציות לינאריות ממרחב לעצמו .תהיינה Tו־ T 0טרנספורמציות לינאריות ממרחב וקטורי n V־מימדי מעל Fלתוך עצמו .נאמר ש־ T 0דומה ל־ ,Tאם קיימת "חפיפה" Fשל Vעל עצמו ,כלומר אוטומורפיזם Fשל ,Vהמעתיקה את Tעל T 0במובן שלכל v, w ∈ Vאם T v = wאז ,T 0 F v = F wכלומר לכל ,T 0 F v = F T v v ∈ Vכלומר ,T 0 F = F Tכלומר .T 0 = F T F −1 T →− w = Tv F ↓ v F T0 →− Fw = FTv ↓ Fv דוגמאות .לטרנספורמצית הזהות 1של Vדומה רק 1עצמה ,כי אם T 0דומה ל־1 באמצעות האוטומורפיזם Fאז לכל v ∈ Vמכיוון ש־ 1מעתיקה את vל־ vאז T 0מעתיקה 2 את F vל־ ,F vולכן T 0היא העתקת הזהות על ) ,Im (Fומכיוון ש־ Im (F ) = Vלכן T 0 היא טרנספורמצית הזהות של .V אם Tטרנספורמצית השיקוף של ) F(2ביחס לציר ה־ xו־ T 0טרנספורמצית השיקוף של )F(2 ביחס לציר ה־ T 0 .yדומה ל־ Tבאמצעות האוטומורפיזם Fהמחליף את צירי ה־ xוה־,y כלומר הנתון ע"י ) ,F (a, b) = (b, aכי לכל )(a, b) ∈ F(2 0 ) F T (a, b) = F (a, −b) = (−b, aו־ ).T F (a, b) = T 0 (b, a) = (−b, a אם Tהיא כמו לעיל ,ו־ T 0היא טרנספורמצית "הסיבוב ב־ 90oבכיוון מתמטי חיובי" אז T 0אינה דומה ל־ ,Tכי לכל וקטור vעל ציר ה־ xקיים T v = vואז אם T 0היתה דומה ל־ Tבאמצעות Fאז T 0היתה צריכה להעתיק את F vלעצמו כלומר ) T 0 F v = F vכי ,(T 0 F v = F T v = F vאבל הווקטור היחיד ש־ Tמעתיקה לעצמו הוא ווקטור ה־.0 משפט .יחס הדימיון של הטרנספורמציות הלינאריות ממרחב Vלעצמו הוא יחס שקילות. הוכחה .א .רפלקסיביות .יהיה Iאוטומורפיזם הזהות של Vאז קיים IT = T Iו־ T דומה לעצמה באמצעות .I סימטריה .אם T 0דומה ל־ Tאז קיים אוטמורפיזם Fשל Vכך ש־ ,T 0 F = F Tואז ,F −1 T 0 = F −1 T 0 F F −1 = F −1 F T F −1 = T F −1ו־ Tדומה ל־ T 0באמצעות .F −1 טרנזיטיביות .אם T 0דומה ל־ Tבאמצעות Fו־ T 0דומה ל־” Tבאמצעות Gאז F T = T 0 F ו־ GT 0 = T ”Gולכן ,GF T = GT 0 F = T ”GFו־” Tדומה ל־ Tבאמצעות .GF הגדרת תת מרחב אינבאריאנטי .תהי T : V → Vטרנספורמצה לינארית .תת מרחב W של Vנקרא תת מרחב אינבאריאנטי של Tאם הוא סגור תחת ,Fכלומר אם לכל v ∈ W .T v ∈ W דוגמאות .המרחב Vעצמו ,ותת מרחב האפס } {0הם כמובן תתי מרחב אינבאריאנטיים של כל טרנספורמציה ,Tוהם נקראים תתי המרחב הטריביאליים .כמו כן ,הגרעין של Tהוא תת מרחב אינבאריאנטי של .Tאם F Tהיא טרנספורמצית השיקוף של ) F(2ביחס לציר ה־x אז תתי המרחב האינבאריאנטיים הלא טריביאליים שלה הם ציר ה־ {(a, 0) | a ∈ F} xוציר ה־ ,{(0, b) | b ∈ F} yואלו הם היחידים ,כי אם תת מרחב אינבאריאנטי כלשהו מכיל את הווקטור ) (a, bעם a, b 6= 0אז הוא מכיל גם את ) T (a, b) = (a, −bומכיוון ששני וקטורים אלו הם בלתי תלויים הם פורשים את כל ) F(2ותת המרחב הוא ) F(2עצמו .אם Tהיא טרנספורמצית הסיבוב ב־ 90oבכיוון מתמטי חיובי ב־ ) <(2נראה שאין ל־ Tתתי מרחבים אינבאריאנטיים פרט לטריביאליים ,ע"י שנראה שאם תת מרחב אינבאריאנטי של Tמכיל וקטור שאינו 0אז הוא ) <(2כולו .יהי Wתת מרחב אינבאריאנטי ל־ Tויהי ,(a, b) ∈ W ) .(a, b) 6= (0, 0קיים T (a, b) = (−b, a) ∈ Wוהווקטורים ) (a, bו־) (−b, aהם בלתי תלויים )כי אם ) (−b, a) = t (a, bאז −b = taו־ a = tbולכן ,−b = t2 bוזה לא יתכן כי ,(b 6= 0ושני ווקטורים אלו פורשים את ).<(2 3 משפט .אם T : V → Vטרנספורמציה לינארית ו־) (v1 , . . . , vnבסיס של Vאז הווקטורים vk , . . . , vlפורשים תת מרחב אינבאריאנטי של Tאםם במטריצה של Tביחס לבסיס זה בעמודות kעד lכל הרכיבים הם 0פרט לאלו הנמצאים בשורות kעד ,lכלומר, a11 ... 0 ... 0 ... a1n . . . . . . . . . ak−1,1 . . . 0 . . . 0 a k−1,n ak1 . . . a . . . a . . . a kk kl kn . . . . . . . . . צורת המטריצה היא . . . ... . al1 . . . alk . . . all . . . aln al+1,1 . . . 0 . . . 0 . . . ai+1,n . . . . . . . . . . . . an,1 ... 0 ... 0 ... ann משפט .אם T : V → Vטרנספורמציה לינארית ו־ W1 , . . . , Wkתתי מרחבים אינבאריאנטיים של Tאז גם סכומם W1 + . . . + Wkהוא תת מרחב אינבאריאנטי של .T משפט .אם T, T 0 : V → Vו־ T 0דומה ל־ Tבאמצעות האוטומורפיזם Fשל Vאז כל תת מרחב Wשל Vאינבאריאנטי ל־ Tאםם תמונת Fשלו היא תת מרחב אינבאריאנטי ל־ .T 0 אם Wהוא תת מרחב אינבאריאנטי ל־ Tאז T (W ) ⊆ Wולכן הוכחה. ) ,T 0 (F (W )) = (T 0 F ) (W ) = (F T ) (W ) = F (T (W )) ⊆ F (WכלומרF (W ) , אינבאריאנטי ל־ .T 0בכיוון השני ,אם ) F (Wאינבאריאנטי ל־ T 0אז מכיוון ש־ Tדומה ל־ T 0באמצעות W = F −1 (F (W )) F −1אינבאריאנטי ל־ .T מוסר השכל .ראינו לעיל ששתי טרנספרמציות לינאריות ממרחב Vלמרחב Wהשונה ממנו הן דומות אם הן מאותה דרגה ,וכעת ראינו שכאשר מדובר בטרנספורמציות לינאריות מ־ Vל־ Vעצמו אז שוויון הדרגה אינו מבטיח דימיון כי בדוגמאות דלעיל ראינו שבכל מרחב ווקטורי טרנספורמצית הזהות 1דומה רק לעצמה ,וגם ראינו שתי טרנספרמציות לינאריות מ־ ) <(2ל־ ) ,<(2שתיהן מדרגה ,2שלאחת יש תת מרחב אינבאריאנטי לא טריביאלי ולשניה אין ,ולכן הן אינן דומות. וקטורים עצמיים וערכים עצמיים .הגדרה ומשפט .אם T : V → Vטרנספורמציה לינארית ו־ Wתת מרחב אינבאריאנטי של Tחד־מימדי אז כל ווקטור 0 6= w ∈ Wפורש את ,Wומכיוון ש־ T w ∈ Wלכן קיים a ∈ Fכך ש־ .T w = awלכל v ∈ Wקיים b ∈ F כך ש־ v = bwולכן .T v = T (bw) = bT w = baw = avלכן הפעולה של Tעל כל איברי Wהיא פעולת "מתיחה" באותו גורם .aואם ל־ 0 6= v ∈ Vו־ a ∈ Fקיים T v = av אנו אומרים ש־ vוקטור עצמי של Tעם ערך עצמי .aלכל ערך עצמי aשל Tקבוצת כל איברי Vעם ערך עצמי זה ,בתוספת ווקטור ה־ ,0היא תת מרחב של ,Vהנקרא תת המרחב העצמי של .aברור כי המרחב העצמי של הערך 0הוא הגרעין ) Ker (Tשל .T משפט .תהי T : V → Vטרנספורמציה לינארית .התנאים הבאים שקולים זה לזה. א .הווקטורים העצמיים של Tפורשים את .V ב .ל־ Vיש בסיס כך שהמטריצה של Tביחס לבסיס זה היא אלכסונית. משפט .אם T, T 0 : V → Vו־ T 0דומה ל־ Tבאמצעות האוטומורפיזם Fשל Vאז v ∈ Vהוא וקטור עצמי של Tעם ערך עצמי aאםם F vהוא ערך עצמי של T 0עם אותו ערך עצמי. הוכחה .מכיוון ש־ T 0דומה ל־ Tבאמצעות Fאז לכל u ∈ Vקיים .F T u = T 0 F uאם 4 v ∈ Vהוא ערך עצמי של Tעם ערך עצמי aאז T v = avולכן = T 0 F v = F T v = F av ,aF vכלומר F vהוא ערך עצמי של T 0עם הערך העצמי .aבכוון השני :אם F vהוא ערך עצמי של T 0עם הערך העצמי aאז F T v = T 0 F v = aF v = F avולכן ,F T v = F av ומכיוון ש־ Fחד חד ערכית .T V = aV משפט .תהי T : V → Vטרנספורמציה לינארית .נסמן ב־ 1את העתקת הזהות של .V aהוא ערך עצמי של Tאםם הטרנספורמציה a1 − Tהיא סינגולרית ,כלומר מימד הטווח שלה קטן ממימד .V הוכחה .אם aערך עצמי של Tאז קיים 0 6= v ∈ Vכך ש־ T v = av = a1vולכן (a1 − T) v = a1v − T v = 0ומכיוון ש־ a1 − T v 6= 0היא טרנספורמציה סינגולרית. בכוון ההפוך ,אם a1−Tהיא טרנספורמציה סינגולרית אז קיים v 6= 0שטרנספורמציה זאת מעבירה ל־ ,0כלומר ,(a1 − T ) v = 0 ,ולכן av − T v = a1v − T v = (a1 − T) v = 0 ומכאן .T v = av כתיבת סדרת וקטורים כמטריצת שורה או עמוד .כדי לכתוב נוסחאות בצורה יותר נוחה שורה או עמוד ונשתמש בהן בכפל מטריצות לטיפול נכתוב סדרות של ווקטורים כמטריצות a1 Pn כאילו שהן מטריצות .כך ,[v1 , . . . , vn ] ... = i=1 ai viוכן an a1m Pn Pn . . .[v1 . . . . , vn ] ...החישוב המוכיח ] = [ i=1 ai1 vi , . . . , i=1 aim vi ... . an1 . . . anm שכפל מטריצות הוא אסוציאטיבי הוא תקף גם כאשר במקום אחת המטריצות מופיעה מטריצת וקטורים ,וכך .[v1 , . . . , vn ] (AB) = ([v1 , . . . , vn ]) Bלטרנספורמציה Tנכתוב גם ] T [v1 , . . . , vnעבור ] .[T v1 , . . . , T vn מטריצה של טרנספורמציה לינארית .יהיו ) v = (v1 , . . . , vnבסיס למרחב V Wיכול גם להיות Vעצמו ,כאשר הבסיס w ו־ ) w = (w1 . . . , wnבסיס למרחב .W שלו אינו בהכרח .vתהי Tטרנספורמציה לינארית מ־ Vל־ .Wהמטריצה של Tביחס לבסיסים אלו היא המטריצה Aבת mשורות ו־ nעמודות שהעמודה ה־ iשלה היא m־ית מקדמי T viבהצגה לפי ) ,(w1 , . . . , wmכלומר ... a11 T [v1 , . . . , vn ] = [w1 , . . . , wm ] A. מכיוון ש־ wהוא בסיס אז לכל 1 ≤ i ≤ nהצגת viלפי בסיס זה היא יחידה ,ולכן העמודה ה־ iהיא יחידה ,והמטריצה Aהיא יחידה. בכוון ההפוך ,בהינתן מטריצה Aבת mשורות ו־ nעמודות כלשהי אז הנוסחה T [v1 , . . . , vn ] = [w1 , . . . , wm ] Aמגדירה את ערכי הפונקציה Tלכל איברי הבסיס vשל Vולכן קיימת טרנספרמציה לינארית Tיחידה מ־ Vל־ Wהמקיימת את הנוסחה הזאת. נוסחת הטרנספורמציה לווקטור כלשהו ב־ Vהיא b1 b1 Pn T ( i=1 bi vi ) = T [v1 , . . . , vn ] ... = T [v1 , . . . , vn ] ... bn bn b1 = [w1 , . . . , wm ] A ... bn 5 את משפט הבסיסים התיקניים להצגת טרנספורמציה לינארית אפשר לתרגם לשפת המטריצות כך :אם Tטרנספורמציה לינארית שדרגתה rממרחב n־מימדי Vלמרחב m־ מימדי Wאז יש ל־ Vול Wבסיסים ) (v1 , . . . , vnו־) (w1 , . . . , wmכך שהמטריה של T ביחס לבסיסים אלו היא המטריצה Irשכל רכיביה הם 0פרט ל־ rהרכיבים הראשונים לאורך האלכסון הראשי שהם .1 1 0 ... 0 . . . . . 0 .. . . .. . . . . 1 0 ... 0 Ir = . . 0 . 0 0 0 . . . . . . . .. . . . 0 ... 0 0 מטריצת המעבר מבסיס לבסיס .יהיו ) v = (v1 , . . . , vnו־ ) w = (w1 . . . , wnבסיסים למרחב .Vמטריצת המעבר מ־ vל־ wהיא המטריצת של טרנספורמצית הזהות של Vעם הבסיס vעל Vעצמו עם הבסיס .wזאת היא המטריצה היחידה Aבת nשורות ו־n עמודות שהעמודה ה־ iשלה היא עמודת מקדמי viבהצגה לפי ,wכלומר [v1 , . . . , vn ] = [w1 , . . . , wm ] A .שינוי הקואורדינטות של וקטור כללי הוא b1 . . . = [w1 , . . . , wm ] A bn b1 . . . .[v1 , . . . , vn ] bn פעולות על טרנספורמציות ומטריצות .משפט .א .יהי ) (v1 , . . . , vnבסיס למרחב וקטורי Vו־ ) (w1 , . . . , wmבסיס למרחב .Wתהיינה S, T : V → Wטרנספורמציות לינאריות שהמטריצות שלהן ביחס לבסיסים אלו הם .A, Bאז המטריצה של S + Tביחס לבסיסים אלו היא .A + B ב .יהי ) (v1 , . . . , vnבסיס למרחב וקטורי Vו־ ) (w1 , . . . , wmבסיס למרחב .Wתהי T : V → Wטרנספורמציה לינארית שהמטריצה שלה ביחס לבסיסים אלו היא .Aאז לכל סקלר cהמטריצה של cTביחס לבסיסים אלו היא .cA ג .יהי ) (v1 , . . . , vnבסיס למרחב (u1 , . . . , um ) ,Vבסיס למרחב Uו־) (w1 , . . . , wlבסיס למרחב .Wיהיו S : V → Uו־ T : U → Wטרנספורמציות לינאריות ותהינה A המטריצה של Sו־ Bהמטריצה של Tביחס לבסיסים אלו .אז המטריצה של T S : V → W ביחס לבסיסים ) (v1 , . . . , vnו־ ) (w1 , . . . , wlהיא .BA ד .יהיו ) v = (v1 , . . . , vnו־ ) w = (w1 . . . , wnבסיסים למרחב Vותהי Aמטריצת המעבר מן הבסיס vלבסיס wאז מטריצת המעבר מן הבסיס wלבסיס vהיא .A−1 הוכחה .ג .לפי הגדרת מושג המטריצה של טרנספרמציה לינארית קיים (T S) [v1 , . . . , vn ] = T (S [v1 , . . . , vn ]) = T ([u1 . . . . , um ] A) = (T [u1 , . . . , um ]) A )= ([w1 , . . . , wl ] B) A = [w1 , . . . , wl ] (BA 6 וכך BAהיא המטריצה של הטרנספורמציה .T S ד .תהי Bמטריצת המעבר מן הבסיס wלבסיס vואז ) .[w1 , . . . , wn ] = [v1 , . . . , vn ] B = ([w1 , . . . , wn ] A) B = [w1 , . . . , wn ] (ABזה אומר שמטריצת המעבר מ־vל־ vהיא .ABאבל גם מטריצת היחידה Iהיא מטריצת המעבר מ־ wל־ wאז לאור יחידות מטריצת המעבר קיים AB = Iולכן .B = A−1 וקטורים עצמיים וערכים עצמיים מנקודת הראות של המטריצה .יהי vוקטור עצמי של העצמי λותהי Aהמטריצה של Tביחס לבסיס ) .(v1 , . . . , vn הערך T : V → Vעם b1 b1 ל־ vישנה הצורה ,[v1 , . . . , vn ] ... כאשר העמודה . . . אינה עמודת אפסים. bb b n b1 כפי שראינו לעיל .T v = [v1 , . . . , vn ] A ... ,מכיוון ש־ vהוא ווקטור עצמי של Tעם b n b1 .. ערך עצמי λלכן T v = λv = λ [v1 , . . . , vn ] . לכן ,כאשר אנו מסמנים ב־ Iאת bn מטריצת היחידה ,מתקבל b1 . . . − [v1 , . . . , vn ] A bn b1 . . . 0 = T v − T v = λ [v1 , . . . , vn ] bn b1 . . . = [v1 , . . . , vn ] (λI − A) bn בסיס לכן מקדמי הצגת ווקטור האפס לפיו כולם אפסים ומן (vהוא מכיוון ש־ ) 1 , . . . , vn b1 0 הביטוי האחרון נובע .(λI − A) ... = ... את כל הצעדים שעשינו כאן עובדים bn 0 0 b1 גם ,ללא כל בעיות ,בכיוון ההפוך ולכן אם (λI − A) ... = ... אז הווקטור 0 b1 . . . bn v = [v1 , . . . , vn ] הוא ווקטור עצמי של Tעם ערך עצמי .λזה מוביל להגדרה bn הבאה. 7 וערך עצמי של מטריצה .תהי Aמטריצה .n × nעמודת סקלרים ווקטור עצמי b1 0 ... 6= 0 נקראת ווקטור עצמי של Aעם ערך עצמי λאם 0 bn b1 b1 0 b1 ,A ... = λ ... וזה שקול ל־ .(λI − A) ... = ... קבוצת הווקטורים bn bn 0 bn העצמיים עם ערך עצמי ,λבתוספת ווקטור האפס ,נקראת המרחב העצמי של .λכפי שראינו G : F(n) →הנתון ע"י האיזומורפיזםV זה עתהההגבלה של b1 b1 G ... = [v1 , . . . , vn ] ... למרחב העצמי של λב־ ) F(nהוא איזומורפיזם של bn bn מרחב זה על המרחב העצמי של λב־ .Vלכן הערכים העצמיים של הטרנספורמציה Tב־ֱ V הם בדיוק אלו של המטריצה Aשל ,Tולכן ניגש עתה למציאת ערכים עצמיים אלו. הוא ערך עצמי של Aאםם קיימת הסקלר λ מטריצה .כפי שראינו , האופייני של הפולינום b1 0 b1 0 עמודה ... 6= ... כך ש־ .(λI − A) ... = ... קיימת עמודה כזאת bn 0 bn 0 בדיוק אז כאשר המטריצה λI − Aסינגולרית וזה קיים בדיוק אז כאשר .|λI − A| = 0 המקיימים = ||xI − A לכן הערכים העצמיים של Aהם בדיוק הערכים של המשתנה x x − a11 −a12 ... −a1n −a21 x − a . . . −a2n 22 וזה בברור פולינום 0הדטרמיננטה | |xI − Aהיא . . . . . . . . . . . . −an1 −an2 . . . x − ann מתוקן ממעלה nבמשתנה .x פולינום זה נקרא הפולינום האופייני של .Aלכן כדי למצוא את הערכים העצמיים של המטריצה Aעלינו למצוא את השורשים של הפולינום האופייני שלה .בשדה הממשיים יש שורש לכל פולינום ממעלה איזוגית ,לכן אם המספר nשל שורות ועמודי Aהוא איזוגי אז יש ל־ Aלפחות ערך עצמי אחד .בשדה המרוכבים יש שורש לכל פולינום ממעלה ≤ 1ולכן יש ל־ ְ Aתמיד לפחות ערך עצמי אחד .נראה עתה דוגמה למציאת הערכים והווקטורים העצמיים. a c =A מציאת הערכים העצמיים והווקטורים העצמיים למטריצות . 2 × 2תהי b d x−a −b ויהי )= x2 − (a + d) x + (ad − bc = ) p(xהפולינום האופייני שלה. −c x−d קיימות האפשרויות הבאות: היא בעלת הצורה ) .(x − s)(x − tהווקטורים אז )p(x .s שורש אפשרות א .ל־) p(xיש b1 המקיימות במרחב העצמי של sהם העמודות b2 s−a −c b1 0 .מכיוון ש־ sהוא ערך עצמי דרגת המטריצה = −b s − d b2 0 s−a −c היא קטנה מ־ .2אם דרגת המטריצה הזאת היא 0אז היא מטריצת −b s−d 8 ) F(2כולו ,וקיים המרחב של Aהוא המרחב העצמי אפסים ולכן s−a −c b1 a c b1 b1 .אם דרגת המטריצה לכל עמודה =s −b s−d b2 b d b2 b2 כפולה שלה היא 1אז לפחות אחת משורותיה אינה שורת אפסים והשורה האחרת היא b1 בסקלר .אם השורה הראשונה של מטריצה זאת אינה שורת אפסים אז העמודות b2 c s−a −c b1 0 והמרחב הן בדיוק הכפולות של = המקיימות s−a −b s−d b2 0 תת המרחב הנפרש ע"י עמודה זאת .אם השורה הראשונה של המטריצה העצמי של sהוא s−a −c היא שורת אפסים אז השורה השניה שלה אינה שורת אפסים והמרחב −b s−d s−d . העצמי של sהוא תת המרחב הנפרש ע"י b אם שלו . אם t = sאז sהוא הערך העצמי היחיד של ,Aוחישבנו את המרחב העצמי b1 t 6= sאז גם tהוא ערך עצמי של Aהווקטורים במרחב העצמי של tהם העמודות b2 t − a −c b1 0 ואלו הן הכפולות בסקלר של העמודה = המקיימות −b t − d b 0 2 t−d c אחרת. ,אם עמודה זאת אינה עמודת אפסים ,ו־ b t−a לדוגמה ,בשדה הממשיים המטריצה של הסיבוב עצמיים. ערכים אין למטריצה ב. אפשרות 0 −1 והפולינום האופייני שלה הוא x2 + 1שאין ב־ 90oבכוון מתמטי חיובי היא 1 0 שורשים iו־ .−iהמטריצה פחות iI שני שדה המרוכבים יש לפולינום זה שורשים .מעל לו 1 −i −1 ,והוא פורש את המרחב העצמי והווקטור המאפס אותה הוא היא −i 1 −i 1 פורש את המרחב העצמי של .−i של .iבאותו אופן i המטריצות השונות של טרנספררמציה לינארית ממרחב לעצמו .משפט :תהי Aהמטריצה של טרנספורמציה T : V → Vביחס לבסיס ) (v1 , . . . , vnשל .Vיהי ) (w1 , . . . , wnבסיס כלשהו של Vכך שמטריצת המעבר מ־ ) (v1 , . . . , vnל־ ) (w1 , . . . , wnהיא ,Dאז המטריצה של Tביחס לבסיס ) (w1 , . . . , wnהיא .DAD−1בכוון הפוך ,אם Dהיא מטריצה n × n הפיכה כלשהי אז DAD−1היא המטריצה של Tביחס לבסיס ) (w1 , . . . , wnמסויים. הוכחה .מכיוון ש־ Dהיא מטריצת המעבר מ־ ) (v1 , . . . , vnל־ ) (w1 , . . . , wnלכן [v1 , . . . , vn ] = [w1 , . . . , wn ] D )(1 מכיוון ש־ Aהיא המטריצה של Tביחס לבסיס ) (v1 , . . . , vnאז T [v1 , . . . , vn ] = [v1 , . . . , vn ] A )(2 נציב ב־ ) [w1 , . . . , wn ] D (2עבור ] [v1 , . . . , vnונקבל T ([w1 , . . . , wn ] D) = ([w1 . . . . , wn ] D) A )(3 .T ([w1 , . . . , wn ] D) = (T [w1 , . . . , wn ]) D )(4 מכיוון ש־ Tלינארית קיים ומכיוון שמכפלת "מטריצה" של ווקטורים במטריצות סקלרים היא אסוציאטיבית קיים )([w1 , . . . , wn ] D) A = [w1 , . . . , wn ] (DA )(5 )(T [w1 . . . , wn ]) D = [w1 , . . . , wn ] (DA )(6 הצבת ) (4ו־) (5ב־) (3נותנת −1 כפל מטריצות נותן וכפל מימין ב־ Dושימוש באסוציאטביות −1 T [w1 . . . , wn ] = [w1 , . . . , wn ] DAD )(7 וזה אומר שהמטריצה של Tביחס לבסיס ) (w1 , . . . , wnהיא .DAD−1 9 בכוון ההפוך ,אם Dהיא מטריצה הפיכה אז [w1 , . . . , wn ] = [v1 , . . . , vn ] D−1ולכן ] .[w1 , . . . , wn ] D = [v1 , . . . , vnזה אומר שהסידרה ) (w1 , . . . , wnפורשת את Vולכן סידרה זאת היא בסיס ל־ Vומטריצת המעבר מ־) (v1 , . . . , vnל־) (w1 , . . . , wnהיא .D לכן ,כפי שראינו לעיל ,המטריצה של Tביחס לבסיס ־) (w1 , . . . , wnהיא .DAD−1 דימיון מטריצות ריבועיות .הגדרה :המטריצה B n × nדומה למטריצה Aְ n × nאם קיימת מטריצה n × nהפיכה Dכך ש־ .B = DAD−1 יחס הדימיון הוא יחס שקילות. רפלקסיביות A :דומה לעצמה כי A = IAI −1היכן ש־ Iהיא מטריצת היחידה ,כי .T 0 = F T F −1 .I −1 = I −1 סימטריה :אם Bדומה ל־ Aאז ,B = DADואז −1 D−1 B D−1ולכן Aדומה ל־ Bבאמצעות = D−1 BD = D−1 DAD−1 D = A המטריצה ההפיכה .D−1 טרנזיטיביות .אם Cדומה ל־ Bו־ Bדומה ל־ Aאז קיימות מטריות הפיכות Dו־ Eכך ש־ B = DAD−1ו־ ,C = EBE −1ולכן −1 −1 −1 C = E DADו־ Cדומה ל־.A )E = (ED) A D−1 E −1 = (ED) A (ED ההתאמה בין מחלקות הדימיון של הטרנספורמציות והמטריצות .ראינו לעיל כי אם A היא המטריצה של הטרנספורמציה Tביחס לבסיס מסויים של Tאז המטריצה של Tביחס לכל בסיס אחר של Vהיא דומה ל־ ,Aובכוון הפוך ,כל מטריצה הדומה ל־ Aהיא המטריצה של Tביחס לבסיס מסויים של .Vלכן קבוצת המטריצות של Tביחס לכל הבסיסים של V היא מחלקת דימיון ,כלומר מחלקת שקילות של יחס הדימיון. לעיל הגדרנו כי טרנספורמציה T 0 : V → Vדומה לטרנספורמציה T : V → Vאםם קיים אוטומורפיזם Fשל Vכך ש־ .T 0 = F T F −1תהיינה Aו־ A0המטריצות של T ו־ T 0ביחס לבסיס כלשהו ) (v1 , . . . , vnשל .Vתהיינה Dו־ Eהמטריצות של Fו־ F −1אז DEהיא המטריצה של F F −1שהיא טרמספורמצית הזהות ,שהמטריצה שלה היא מטריצת היחידה .Iלכן D ,DE = Iהפיכה והמטריצה של F −1היא .D−1 = Eמכיוון ש־ T 0 = F T F −1לכן המטריצה של T 0היא DAD−1הדומה ל־ .Aקבוצת כל המטריצות של T 0ביחס לכל הבסיסים של Vהיא מחלקת הדימיון של ,DAD−1שהיא מחלקת הדימיון של Aכי DAD−1דומה ל־ .Aכך ראינו כי לטרנספורמציות דומות מתאימה אותה מחלקת דימיון של מטריצות. בכיוון ההפוך ,תהיינה Tו־ T 0שתי טרנספורמציות לינאריות שקבוצות המטריצות שלהן שוות ,ונוכיח כי T 0דומה ל־ ,Tולכן למחלקת דימיון של מטריצות מתאימה מחלקת דימיון של טרנספורמציות .יהי ) (v1 , . . . , vnבסיס כלשהו של Vותהיינה Aו־ A0המטריצות של T ו־ T 0ביחס ל־) .(v1 , . . . , vnמכיוון שלפי הנתון A0נמצאת בקבוצת המטריצות של A0 T דומה ל־ Aולכן קיימת מטריצה הפיכה Dכך ש־ .A0 = DAD−1תהי Fהטרנספורמציה הלינארית של Vשהמטריצה שלה ביחס ל־) (v1 , . . . , vnהיא .Dמכיוון ש־ Dהפיכה Fהיא אוטומורפיזם של .Vתהי Sהטרנספורמציה F T F −1של .Vהמטריצה שלה ביחס ל־) (v1 , . . . , vnהיא מכפלת המטריצות של F, T, F −1כלומר DAD−1שהיא .A0כך ל־ T 0ול־ F T F −1ישנה אותה מטריצה ביחס ל־) (v1 , . . . , vnולכן ,T 0 = F T F −1וזה אומר ש־ T 0דומה ל־ .Tכך קבלנו שבכל מחלקת דימיון של מטריצות קבוצת הטרנספורמציות המתאימה לכל אחת מהן היא שווה והיא מחלקת דימיון של טרנספורמציות ,וההתאמה בין הטרנספורמציות והמטריצות ,ללא קשר לבסיסים ,היא התאמה חד חד ערכית של מחלקות הדימיון של הטרנספורמציות למחלקות הדימיון של המטריצות. הפולינום האופייני של טרנספורמציה .ראינו לעיל כי אם Aהיא המטריצה של טרנספורמציה Tאז יש ל־ Aול־ Tבדיוק אותם ערכים עצמיים .הערכים העצמיים של Aהם השורשים של הפולינום האופייני של ,Aומתעוררת השאלה כיצד תלוי הפולינום האופייני של Aבבחירת 10 המטריצה המסויימת של .T משפט :אם Aו־ Bמטריצות דומות אז הפולינומים האופייניים שלהן שווים .לכן בהינתן טרנספורמציה לינארית Tנגדיר את הפולינום האופייני שלה כפולינום האופייני של מטריצה Aכלשהי של ,Tוכפי שאמרנו פולינום שה אינו תלוי בבחירת .Aבפוילנום האופייני של A המקדם של xn−1הוא העיקבה של ,Aכלומר סכום איברי האלכסון הראשי של ,Aולכן העיקבה של Aהיא שווה לכל הפולינומים האופייניים של ,Tונקרא לה העיקבה של .T הוכחה .יהיו | f (x) = |Ix − Aו־ | g(x) = |Ix − Bהפולינומים האופייניים של A ו־ .Bמכיוון ש־ Bדומה ל־ Aקיימת מטריצה הפיכה Dכך ש־ .B = DAD−1לכן −1 −1 −1 Ix − B = Ixולכן = DIxD−1 − DAD − DAD −1 ) −1 = D (Ix − A D−1 g(x) = |Ix − B| = D (Ix − A) D = |D| |Ix − A| D = |Ix − A| |D| D −1 )= |Ix − A| DD = |Ix − A| |I| = |Ix − A| · 1 = f (x . 11