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线性空间(第35、36、38讲)


关键考点总览(三讲速记)

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  1. ⭐ 线性空间的8条定义公理(4条加法 + 4条数乘)
  2. ⭐ 线性子空间的判定条件:非空(或 0∈S0\in S)+ 加法封闭 + 数乘封闭
  3. ⭐ 基、维数、坐标的定义与唯一性
  4. ⭐ 同构映射的定义及其保持的性质
  5. ⭐ 过渡矩阵的定义与性质(可逆)
  6. ⭐ 坐标变换公式:x=Cyx = Cy 或 y=C−1xy = C^{-1}x
  7. ⭐ 线性变换的定义(可加性 + 齐次性)
  8. ⭐ 线性变换的矩阵表示及其唯一性
  9. ⭐ 线性变换在不同基下的矩阵相似:B=C−1ACB = C^{-1}AC
  10. ⭐ 秩-零度定理:dim⁡(Im(σ))+dim⁡(Ker(σ))=dim⁡(V)\dim(\text{Im}(\sigma)) + \dim(\text{Ker}(\sigma)) = \dim(V)
  11. 常见反例:全体“次数恰为 nn”的多项式、非齐次方程组解集(b≠0b\neq 0)、实数对复数域不构成线性空间

第35讲:线性空间概念 - 知识集锦

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  • 数域:设 PP 是一个数集,PP 包含 00 与 11,且对加、减、乘法封闭;对除法封闭指:对任意 a,b∈Pa,b\in P 且 b≠0b\neq 0,都有 a/b∈Pa/b\in P。则称 PP 是一个数域。[来源:p2]

  • 常见数域:全体有理数 Q\mathbb{Q},全体实数 R\mathbb{R},全体复数 C\mathbb{C}。[来源:p2]

  • 例:P={a+b2∣a,b∈Q}P = \{a + b\sqrt{2} \mid a, b \in \mathbb{Q}\} 是一个数域。[来源:p2]


二、线性空间的概念

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  • 线性空间:设 VV 是一个非空集合,PP 是一个数域,VV 中定义了两种运算:加法与数乘。同时满足以下8条公理,则称 VV 是数域 PP 上的线性空间。[来源:p3-4]

加法公理(4条):

  1. 加法交换律:α+β=β+α\alpha + \beta = \beta + \alpha [来源:p3,红框标注]
  2. 加法结合律:(α+β)+γ=α+(β+γ)(\alpha + \beta) + \gamma = \alpha + (\beta + \gamma) [来源:p3,红框标注]
  3. 零元素存在:在 VV 中存在一个元素,记为 00,称作零元素,对所定义的加法满足:对任意 α∈V\alpha \in V,α+0=α\alpha + 0 = \alpha [来源:p3,红框标注]
  4. 负元素存在:对任意 α∈V\alpha \in V,都存在 β∈V\beta \in V,使得 α+β=0\alpha + \beta = 0,记 β=−α\beta = -\alpha,称 β\beta 为 α\alpha 的负元素 [来源:p3]

数乘公理(4条): 5. 数乘单位元:对任意 α∈V\alpha \in V,有 1⋅α=α1 \cdot \alpha = \alpha [来源:p4] 6. 数乘结合律:对任意 α∈V\alpha \in V,k,l∈Pk, l \in P,有 k⋅(l⋅α)=(kl)⋅αk \cdot (l \cdot \alpha) = (kl) \cdot \alpha [来源:p4] 7. 数乘对向量加法的分配律:对任意 α,β∈V\alpha, \beta \in V,k∈Pk \in P,有 k(α+β)=k⋅α+k⋅βk(\alpha + \beta) = k \cdot \alpha + k \cdot \beta [来源:p4] 8. 数乘对数加法的分配律:对任意 α∈V\alpha \in V,k,l∈Pk, l \in P,有 (k+l)α=k⋅α+l⋅α(k + l)\alpha = k \cdot \alpha + l \cdot \alpha [来源:p4]

(2) 定理/命题(性质)

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  • 线性空间的性质:[来源:p12]
    • 零元素是唯一的
    • 每个元素的负元素是唯一的
    • 0⋅α=00 \cdot \alpha = 0(数0乘任何向量等于零向量)
    • (−1)⋅α=−α(-1) \cdot \alpha = -\alpha
    • k⋅0=0k \cdot 0 = 0(任何数乘零向量等于零向量)
    • ⭐ 若 k⋅α=0k \cdot \alpha = 0,则 k=0k = 0 或 α=0\alpha = 0

(3) 常见线性空间实例

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  • 全体 nn 维实向量的集合 VV 对于通常定义的加法与数乘运算构成实数域 R\mathbb{R} 上的线性空间 Rn\mathbb{R}^n。[来源:p5,黄色标注]
  • 全体 m×nm \times n 阶实矩阵的集合 VV 对于通常定义的加法与数乘运算构成实数域 R\mathbb{R} 上的线性空间 Rm×n\mathbb{R}^{m \times n}。[来源:p5,黄色标注]
  • 全体次数不超过 n−1n-1 次的变量 xx 的实系数多项式和零多项式的集合 VV 对于通常定义的函数加法与数乘运算构成实数域 R\mathbb{R} 上的线性空间 R[x]n\mathbb{R}[x]_n。[来源:p5,黄色标注]
  • 闭区间 [a,b][a, b] 上全体连续的实函数的集合 VV 对于通常定义的函数的加法与数乘函数运算构成实数域 R\mathbb{R} 上的线性空间 C[a,b]C[a,b]。[来源:p6]
  • ⭐ 实系数的齐次线性方程组的解的全体的集合 VV 构成实数域上的线性空间。[来源:p6,黄色标注]
  • 仅由 nn 维零向量构成的集合 VV,也构成实数域上的线性空间。[来源:p6]

(4) 非常规运算定义的线性空间

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  • 例:令 V=R+V = \mathbb{R}^+(正实数集),P=RP = \mathbb{R}。定义加法运算为 a⊕b=defa⋅ba \oplus b \stackrel{\text{def}}{=} a \cdot b,数乘运算为 k∘a=defakk \circ a \stackrel{\text{def}}{=} a^k。则 R+\mathbb{R}^+ 在上述定义的加法和数乘运算下构成 R\mathbb{R} 上的线性空间。[来源:p7]
    • 加法运算的零元素为 11(因为 a⊕1=a⋅1=aa \oplus 1 = a \cdot 1 = a)
    • 加法运算的负元素:对 ∀a∈R+\forall a \in \mathbb{R}^+,有 1a∈R+\frac{1}{a} \in \mathbb{R}^+,且 a⊕1a=a⋅1a=1a \oplus \frac{1}{a} = a \cdot \frac{1}{a} = 1
  • ⭐ 全体“次数恰为 nn”的多项式(不含零多项式)不构成线性空间:例如 xnx^n 与 −xn-x^n 都在其中,但相加得 00(次数不再是 nn),加法不封闭;且集合也不含零多项式。[来源:p8,"No."反例]

  • ⭐ 全体实数的集合 VV,对于 P=CP = \mathbb{C}(复数域)不构成线性空间:因为数乘不封闭(复数乘实数可能不再是实数,如 i⋅1=i∉Ri \cdot 1 = i \notin \mathbb{R})。[来源:p9,"No."反例]

  • ⭐ 当 b≠0b\neq 0 时,非齐次线性方程组 Ax=bAx = b 的所有解的集合不构成线性空间:例如若 x1,x2x_1,x_2 为解,则 A(x1+x2)=2b≠bA(x_1+x_2)=2b\neq b,加法不封闭;且一般也不满足数乘封闭(A(kx1)=kb≠bA(kx_1)=kb\neq b)。[来源:p10,"No."反例]

  • 数乘不满足 1⋅α=α1 \cdot \alpha = \alpha 的反例:设 V=R2={(x1,x2)∣xi∈R,i=1,2}V = \mathbb{R}^2 = \{(x_1, x_2) \mid x_i \in \mathbb{R}, i = 1, 2\},定义加法为通常意义下的加法,定义数乘为 k∘(x1,x2)=(kx1,0)k \circ (x_1, x_2) = (kx_1, 0)。则 VV 不构成线性空间,因为对 α=(x1,x2)∈V\alpha = (x_1, x_2) \in V 且 x2≠0x_2 \neq 0,有 1∘(x1,x2)=(x1,0)≠(x1,x2)1 \circ (x_1, x_2) = (x_1, 0) \neq (x_1, x_2)。[来源:p11]


  • 线性子空间:设 VV 是数域 PP 上的线性空间,S⊆VS \subseteq V 且 S≠∅S \neq \emptyset。若 SS 对于 VV 中的加法与数乘运算也构成数域 PP 上的线性空间,则称 SS 是 VV 的一个线性子空间(简称子空间)。[来源:p13-14]

(2) 定理/命题(判定定理)

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  • ⭐ 子空间判定定理:S⊆VS \subseteq V 且 S≠∅S \neq \emptyset,是 VV 的线性子空间 当且仅当 SS 对于 VV 中的加法与数乘运算封闭。[来源:p14,黄色标注]
    • 即:∀α,β∈S\forall \alpha, \beta \in S,有 α+β∈S\alpha + \beta \in S
    • 且:∀α∈S,k∈P\forall \alpha \in S, k \in P,有 kα∈Sk\alpha \in S

(3) 常见子空间实例

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  • 设 AA 是 m×nm \times n 阶矩阵,Ax=0Ax = 0 的实数解向量的全体 ⊆Rn\subseteq \mathbb{R}^n 构成线性子空间。[来源:p15]
  • V1={(0,a2,a3,⋯ ,an)∣ai∈R,i=2,3,⋯ ,n}⊆RnV_1 = \{(0, a_2, a_3, \cdots, a_n) \mid a_i \in \mathbb{R}, i = 2, 3, \cdots, n\} \subseteq \mathbb{R}^n 构成线性子空间。[来源:p15]
  • V3={An×n∣An×n∈Rn×n,AT=A}⊆Rn×nV_3 = \{A_{n \times n} \mid A_{n \times n} \in \mathbb{R}^{n \times n}, A^T = A\} \subseteq \mathbb{R}^{n \times n}(全体对称矩阵)构成线性子空间。[来源:p15]
  • 验证子空间的步骤:验证加法和数乘封闭即可。[来源:p16,标注"容易验证:加法和数乘封闭"]

四、线性空间的基、维数与坐标

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  • 线性空间中的向量:线性空间的元素也称为"向量"。可以仿照 nn 维实向量空间中有限个向量的线性组合、线性相关与线性无关的概念。[来源:p20]

  • 基:线性空间 VV 的一组基是 VV 中的一个向量组 BB,它线性无关且能生成 VV(等价地:BB 是 VV 的极大线性无关组)。[来源:p27,红字标注]

  • 维数:线性空间 VV 的维数记为 dim⁡(V)\dim(V),定义为任一组基所含向量的个数(该数与所取基无关)。在有限维情形下,也可表述为:dim⁡(V)\dim(V) 等于 VV 中任一极大线性无关组的向量个数(即“秩”)。[来源:p27,红字标注]

  • 坐标:就是向量在基下的表示系数,具有唯一性。[来源:p28,红字标注]

  • 向量在基下的坐标是唯一的。[来源:p28]

  • 向量的线性表示可以用矩阵形式表示:若 β1,β2,⋯ ,βt\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_t 可由 α1,α2,⋯ ,αm\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_m 线性表出,可以记作

(β1,β2,⋯ ,βt)=(α1,α2,⋯ ,αm)B(\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_t) = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_m)B

其中 BB 是 m×tm \times t 矩阵。[来源:p23]

(3) 推论/二级结论(基的性质)

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  • 对同一向量组而言,极大线性无关组一般不唯一,但其秩(即极大线性无关组所含向量的个数)是唯一确定的。[来源:p33]
  • 极大线性无关组固定后,每个向量的表示系数唯一。[来源:p33]
  • 对某向量组 SS(秩为 r(S)r(S)):若从 SS 中取出 r(S)r(S) 个向量且它们线性无关,则该子组就是 SS 的一个极大线性无关组。[来源:p33]
  • 对某向量组 SS(秩为 r(S)r(S)):任何包含向量个数超过 r(S)r(S) 的子组必线性相关。[来源:p33]
  • 若向量组 TT 与向量组 SS 等价(互相可线性表示),且 TT 的向量个数等于 r(S)r(S),则 TT 必为 SS 的一个极大线性无关组(从而也是生成 ⟨S⟩\langle S\rangle 的一组基)。[来源:p33]

(4) 常见线性空间的基与维数

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  • R[x]n\mathbb{R}[x]_n(次数不超过 n−1n-1 次的多项式空间)的一组基为 1,x,x2,⋯ ,xn−11, x, x^2, \cdots, x^{n-1},维数为 nn。[来源:p24]

    • 任意多项式 f(x)=a0+a1x+⋯+an−1xn−1f(x) = a_0 + a_1 x + \cdots + a_{n-1}x^{n-1} 在这组基下的坐标为 (a0,a1,⋯ ,an−1)T(a_0, a_1, \cdots, a_{n-1})^T
  • R2×3\mathbb{R}^{2 \times 3}(全体 2×32 \times 3 阶实矩阵)的一组基为 E11,E12,E13,E21,E22,E23E_{11}, E_{12}, E_{13}, E_{21}, E_{22}, E_{23}(矩阵单位),维数为 66。[来源:p25-26]


  • 同构映射(线性同构):若映射 ϕ\phi 同时满足:①线性(保持加法与数乘);②一一对应(双射),则称 ϕ\phi 为同构(线性同构)。[来源:p41,红字标注]

  • 设 VV 是数域 PP 上的 nn 维线性空间,取定 VV 中一组基为 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n。对任何 α∈V\alpha \in V,设 α\alpha 在基 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 下坐标为 xx,即 α=(α1,α2,⋯ ,αn)x\alpha = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)x,而 x∈Pnx \in P^n 是一个 nn 维列向量。这样得到一个映射 ϕ:V→Pn\phi: V \to P^n,对任何 α∈V\alpha \in V,ϕ(α)=x\phi(\alpha) = x。[来源:p40-41]

  • 映射 ϕ:V→Pn\phi: V \to P^n 是一一对应,且有性质:

    • ϕ(α+β)=ϕ(α)+ϕ(β)\phi(\alpha + \beta) = \phi(\alpha) + \phi(\beta)(保持加法)[来源:p41]
    • ϕ(kα)=kϕ(α)\phi(k\alpha) = k\phi(\alpha)(保持数乘)[来源:p41]
  • 在确定了基以后,我们建立了 VV 中的元素与 PnP^n 中向量之间的一一对应关系,这种对应还保持了线性组合之间的对应,因而也保持了线性相关与线性无关的对应。称这样的两个线性空间为同构的线性空间。[来源:p42]

  • 研究抽象的线性空间 VV 中"向量"的线性关系可以转化为研究与其同构的 PnP^n 中的向量之间的线性关系。[来源:p42]

(3) 推论/二级结论(同构的具体结论)

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  • ⭐ 同构把线性相关的向量组变成线性相关的向量组。[来源:p43,红字标注]
  • ⭐ 同构把线性无关的向量组变成线性无关的向量组。[来源:p43,红字标注]
  • 同构把零元素变成零元素,负元素变成负元素。[来源:p43,红字标注]
  • 同构把一组基变成一组基。[来源:p43,红字标注]
  • 同构保持向量组的秩不变。[来源:p43,红字标注]
  • 同构保持线性空间的维数不变。[来源:p43,红字标注]

第36讲:基变换和坐标变换 - 知识集锦

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  • 过渡矩阵:设 VV 是数域 PP 上 nn 维线性空间,α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 和 β1,β2,⋯ ,βn\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n 是这个线性空间的两组基,β1,β2,⋯ ,βn\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n 可由 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 线性表示。[来源:p2-3]
(β1,β2,⋯ ,βn)=(α1,α2,⋯ ,αn)C(\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n) = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)C

称矩阵 CC 是由基 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 到基 β1,β2,⋯ ,βn\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n 的过渡矩阵。[来源:p3,黄色标注]

  • ⭐ 过渡矩阵是可逆矩阵。[来源:p3]

  • C−1C^{-1} 是由基 β1,β2,⋯ ,βn\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n 到基 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 的过渡矩阵:

(α1,α2,⋯ ,αn)=(β1,β2,⋯ ,βn)C−1(\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n) = (\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n)C^{-1}

[来源:p3]

  • 两组基是可以相互表示的。[来源:p2,红字标注]

二、坐标变换公式

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  • 设 ξ∈V\xi \in V 是 VV 中一个向量,设 ξ\xi 在基 (α1,α2,⋯ ,αn)(\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n) 下的坐标为 (x1,x2,⋯ ,xn)T(x_1, x_2, \cdots, x_n)^T,即 ξ=(α1,α2,⋯ ,αn)x\xi = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)x;ξ\xi 在基 (β1,β2,⋯ ,βn)(\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n) 下的坐标为 (y1,y2,⋯ ,yn)T(y_1, y_2, \cdots, y_n)^T,即 ξ=(β1,β2,⋯ ,βn)y\xi = (\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n)y。[来源:p4]

(2) 定理/命题(坐标变换公式)

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  • ⭐ 坐标变换公式:若 (β1,β2,⋯ ,βn)=(α1,α2,⋯ ,αn)C(\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n) = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)C,则 [来源:p4-5,黄色标注]
x=Cy或者y=C−1xx = Cy \quad \text{或者} \quad y = C^{-1}x

其中 xx 是向量在旧基下的坐标,yy 是向量在新基下的坐标。按本讲记号 (β1,⋯ ,βn)=(α1,⋯ ,αn)C(\beta_1, \cdots, \beta_n) = (\alpha_1, \cdots, \alpha_n)C,CC 的列是新基向量在旧基下的坐标,所以 CC 用于把新基坐标换算成旧基坐标(x=Cyx=Cy);反向换算用 C−1C^{-1}(y=C−1xy=C^{-1}x)。

  • 新基向量在旧基下的坐标:βj\beta_j 在基 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 下的坐标为过渡矩阵 CC 的第 jj 列。[来源:p6]

  • 旧基向量在新基下的坐标:由于 (α1,α2,⋯ ,αn)=(β1,β2,⋯ ,βn)C−1(\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n) = (\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n)C^{-1},αj\alpha_j 在基 β1,β2,⋯ ,βn\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n 下的坐标为 C−1C^{-1} 的第 jj 列。[来源:p6]

  • 求在两组基下有相同坐标的向量:设所求向量 α\alpha 在两组基下相同的坐标为 xx,则 x=Cxx = Cx,变为齐次线性方程组 (E−C)x=0(E - C)x = 0。得到基础解系 ξ1,ξ2,⋯\xi_1, \xi_2, \cdots,所求向量 α=(α1,α2,α3)(k1ξ1+k2ξ2+⋯ )\alpha = (\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3)(k_1\xi_1 + k_2\xi_2 + \cdots)。[来源:p8]

  • ⭐ 利用标准基作为桥梁:E11,E12,E21,E22E_{11}, E_{12}, E_{21}, E_{22} 等是"我们熟悉和擅长的基",是"研究其他基的桥梁"。[来源:p9,红字标注]

    • 设 E11,E12,E21,E22E_{11}, E_{12}, E_{21}, E_{22} 到 A1,A2,A3,A4A_1, A_2, A_3, A_4 的过渡矩阵为 CC
    • 设 E11,E12,E21,E22E_{11}, E_{12}, E_{21}, E_{22} 到 B1,B2,B3,B4B_1, B_2, B_3, B_4 的过渡矩阵为 DD
    • 则 (B1,B2,B3,B4)=(A1,A2,A3,A4)C−1D(B_1, B_2, B_3, B_4) = (A_1, A_2, A_3, A_4)C^{-1}D [来源:p9]

第38讲:线性变换 - 知识集锦

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一、线性变换的概念

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  • 变换:设 VV 是数域 PP 上的线性空间,若存在一个 VV 到自身的映射 σ\sigma,即对任意的 α∈V\alpha \in V,都有唯一的 σ(α)∈V\sigma(\alpha) \in V 与 α\alpha 对应,则称 σ\sigma 为 VV 的一个变换。σ(α)\sigma(\alpha) 称为 α\alpha 在变换 σ\sigma 下的像,α\alpha 称为 σ(α)\sigma(\alpha) 的一个原像。[来源:p2,红字标注]

  • ⭐ 线性变换:设 VV 是数域 PP 上线性空间,σ\sigma 为 VV 的一个变换。若对任意的 α,β∈V\alpha, \beta \in V 和 k∈Pk \in P 都有 [来源:p3,红字标注]

    • σ(α+β)=σ(α)+σ(β)\sigma(\alpha + \beta) = \sigma(\alpha) + \sigma(\beta)(可加性)
    • σ(kα)=kσ(α)\sigma(k\alpha) = k\sigma(\alpha)(齐次性)

    则称 σ\sigma 为 VV 的一个线性变换。

(2) 定理/命题(性质)

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  • 线性变换的性质:若 σ\sigma 为数域 PP 上线性空间 VV 的线性变换,则 [来源:p4]

    1. σ(0)=0\sigma(0) = 0,对任意 α∈V\alpha \in V,σ(−α)=−σ(α)\sigma(-\alpha) = -\sigma(\alpha)
    2. 线性变换保持线性关系不变:
    ∀α1,α2,⋯ ,αm∈V,k1,k2,⋯ ,km∈P\forall \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_m \in V, k_1, k_2, \cdots, k_m \in P σ(k1α1+k2α2+⋯+kmαm)=k1σ(α1)+k2σ(α2)+⋯+kmσ(αm)\sigma(k_1\alpha_1 + k_2\alpha_2 + \cdots + k_m\alpha_m) = k_1\sigma(\alpha_1) + k_2\sigma(\alpha_2) + \cdots + k_m\sigma(\alpha_m)
  • ⭐ 线性变换 σ\sigma 将 VV 中线性相关的向量组 α1,α2,⋯ ,αm\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_m 变换到线性相关的向量组 σ(α1),σ(α2),⋯ ,σ(αm)\sigma(\alpha_1), \sigma(\alpha_2), \cdots, \sigma(\alpha_m)。[来源:p5]

【整理自PPT】注意:线性变换不一定把线性无关的向量组变成线性无关的向量组。例如零变换 σ(α)=0\sigma(\alpha) = 0 把任何向量组都变成零向量组,而零向量组是线性相关的。


二、线性变换与矩阵

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  • ⭐ 线性变换在基下的矩阵:设 nn 维线性空间 VV 的一组基为 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n,线性变换 σ\sigma 在这组基下的像为 [来源:p11-13]
(σ(α1),σ(α2),⋯ ,σ(αn))=(α1,α2,⋯ ,αn)A(\sigma(\alpha_1), \sigma(\alpha_2), \cdots, \sigma(\alpha_n)) = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)A

称矩阵 AA 为线性变换 σ\sigma 在基 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 下的矩阵。

  • ⭐ 只要确定了线性变换 σ\sigma 在一组基下的像,就完全确定了 σ\sigma。[来源:p10,蓝字标注]

  • 线性变换在基下的矩阵是唯一的:由于 σ(αj)\sigma(\alpha_j) 在基 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 下的坐标是唯一的,所以线性变换 σ\sigma 在基 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 下的矩阵也是唯一的。[来源:p15]

  • 定理(存在性与唯一性):设 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 是数域 PP 上 nn 维线性空间 VV 的一组基,AA 是一个 nn 阶方阵。那么存在唯一的线性变换 σ\sigma,它在基 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 下的矩阵为 AA。[来源:p16]

  • ⭐ 一一对应关系:设 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 是 nn 维线性空间的一组基,则 VV 中所有线性变换与所有 nn 阶方阵之间存在一一对应关系,这种关系由 (σ(α1),σ(α2),⋯ ,σ(αn))=(α1,α2,⋯ ,αn)A(\sigma(\alpha_1), \sigma(\alpha_2), \cdots, \sigma(\alpha_n)) = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)A 确定。[来源:p17]

  • ⭐ 坐标变换定理:设 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 是数域 PP 上 nn 维线性空间 VV 的一组基。VV 中线性变换 σ\sigma 在这组基下的矩阵为 AA。若向量 α\alpha 在这组基下的坐标为 xx,那么 α\alpha 的像 σ(α)\sigma(\alpha) 在这组基下的坐标为 AxAx。[来源:p34,红字标注]

三、线性变换在不同基下的矩阵

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  • ⭐ 定理:设 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 和 β1,β2,⋯ ,βn\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n 是数域 PP 上 nn 维线性空间 VV 的两组基。VV 中线性变换 σ\sigma 在这两组基下的矩阵为 AA 和 BB。从 α1,α2,⋯ ,αn\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n 到 β1,β2,⋯ ,βn\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n 的过渡矩阵为 CC。那么,[来源:p36-37]
B=C−1ACB = C^{-1}AC

即矩阵 BB 和矩阵 AA 是相似矩阵。[来源:p36,红字标注]

  • ⭐ 核心结论:线性变换在不同基下的矩阵是相似的。[来源:p37,红字标注]

【整理自PPT】逆命题:若两个矩阵 AA 和 BB 相似,则存在某个线性变换,使得 AA 和 BB 分别是该线性变换在某两组基下的矩阵。


四、线性变换的值域、核

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  • 值域:Im(σ)={σ(α)∣α∈V}\text{Im}(\sigma) = \{\sigma(\alpha) \mid \alpha \in V\} 称为线性变换 σ\sigma 的值域,记作 Im(σ)\text{Im}(\sigma)。[来源:p41]

  • 核:Ker(σ)={α∈V∣σ(α)=0}\text{Ker}(\sigma) = \{\alpha \in V \mid \sigma(\alpha) = 0\} 称为线性变换的核,记作 Ker(σ)\text{Ker}(\sigma)。[来源:p41]

  • 秩:线性变换 σ\sigma 的值域的维数,称为线性变换 σ\sigma 的秩,记作 r(σ)r(\sigma)。[来源:p43]

  • 零度:线性变换 σ\sigma 的核的维数,称为线性变换 σ\sigma 的零度,可记作 dim⁡(Ker(σ))\dim(\text{Ker}(\sigma))(有些教材也写作 r(σ−1(0))r(\sigma^{-1}(0)))。[来源:p43]

  • σ\sigma 是线性空间 VV 上的线性变换,则 [来源:p42]

    1. 线性变换 σ\sigma 的值域是 VV 的子空间
    2. 线性变换 σ\sigma 的核是 VV 的子空间
  • ⭐ 秩-零度定理:σ\sigma 是 nn 维线性空间 VV 上的线性变换,则 [来源:p44]

dim⁡(Im(σ))+dim⁡(Ker(σ))=dim⁡(V)=n\dim(\text{Im}(\sigma)) + \dim(\text{Ker}(\sigma)) = \dim(V) = n

即线性变换 σ\sigma 的值域的维数 + 线性变换 σ\sigma 的核的维数 = 线性空间 VV 的维数。


附录:公式速查表

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公式/结论说明
α+0=α\alpha + 0 = \alpha零元素
α+(−α)=0\alpha + (-\alpha) = 0负元素
1⋅α=α1 \cdot \alpha = \alpha数乘单位元
0⋅α=00 \cdot \alpha = 0数0乘向量
k⋅0=0k \cdot 0 = 0数乘零向量
(−1)⋅α=−α(-1) \cdot \alpha = -\alpha负元素的另一表达
k⋅α=0⇒k=0k \cdot \alpha = 0 \Rightarrow k = 0 或 α=0\alpha = 0零因子性质

基变换与坐标变换

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公式说明
(β1,⋯ ,βn)=(α1,⋯ ,αn)C(\beta_1, \cdots, \beta_n) = (\alpha_1, \cdots, \alpha_n)C过渡矩阵定义
(α1,⋯ ,αn)=(β1,⋯ ,βn)C−1(\alpha_1, \cdots, \alpha_n) = (\beta_1, \cdots, \beta_n)C^{-1}逆过渡矩阵
x=Cyx = Cy坐标变换(旧基坐标 = 过渡矩阵 × 新基坐标)
y=C−1xy = C^{-1}x坐标变换的逆形式
公式说明
(σ(α1),⋯ ,σ(αn))=(α1,⋯ ,αn)A(\sigma(\alpha_1), \cdots, \sigma(\alpha_n)) = (\alpha_1, \cdots, \alpha_n)A线性变换的矩阵定义
若在同一组基下 α\alpha 的坐标为 xx,则 σ(α)\sigma(\alpha) 的坐标为 AxAx坐标与矩阵均相对于同一组基
B=C−1ACB = C^{-1}AC不同基下矩阵的相似关系
dim⁡(Im(σ))+dim⁡(Ker(σ))=n\dim(\text{Im}(\sigma)) + \dim(\text{Ker}(\sigma)) = n秩-零度定理

本知识集锦严格基于上海交通大学线性代数课程第35、36、38讲PPT内容整理