הבדלים בין גרסאות בדף "88-112 לינארית 1 תיכוניסטים קיץ תשעא/מערך תרגול/8"

מתוך Math-Wiki
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
(←‏משפט)
(←‏דוגמאות)
שורה 104: שורה 104:
 
T(a+bx+cx^{2})=aT(1)+bT(x)+cT(x^{2}) = \\
 
T(a+bx+cx^{2})=aT(1)+bT(x)+cT(x^{2}) = \\
 
=a(x+2)+b(1)+c(-2x+1)=(2a+b+c)+(a-2c)x</math>
 
=a(x+2)+b(1)+c(-2x+1)=(2a+b+c)+(a-2c)x</math>
 +
 +
2.
 +
יהיו <math>\begin{pmatrix} 1\\ 2 \\ 3 \end{pmarix}</math>
  
 
== הגדרות==
 
== הגדרות==

גרסה מ־14:39, 21 ביולי 2015

העתקות לינאריות (ה"ל)

הגדרה: יהיו V,W שני מ"ו מעל אותו שדה \mathbb{F}. ה"ל היא פונקציה T:V\to W אם

  1. \forall v_1,v_2\in V : \; T(v_1+v_2)=T(v_1)+T(v_2)
  2. \forall \alpha\in \mathbb{F}, v\in V : \; T(\alpha v)=\alpha T(v)

(או באופן שקול: אם לכל v_{1},v_{2}\in V,\,\alpha\in\mathbb{F} מתקיים T(\alpha v_{1}+v_{2})=\alpha T(v_{1})+T(v_{2}))


תכונות בסיסיות:

.1 T(\alpha_{1}v_{1}+\alpha_{2}v_{2}+\cdots+\alpha_{n}v_{n})=\alpha_{1}T(v_{1})+\alpha_{2}T(v_{2})+\cdots+\alpha_{n}T(v_{n})


.2 T(0_{V})=0_{W}


דוגמאות

1. יהיו V=\mathbb{F}^{n},\,W=\mathbb{F}^{m} שניהם מעל \mathbb{F}. תהאA\in\mathbb{F}^{m\times n} אזי העתקה L_{A}:V\to W המוגדרת v\mapsto Av היא ה"ל.

הוכחה: לכל v_{1},v_{2}\in V,\,\alpha\in\mathbb{F} מתקיים

L_{A}(\alpha v_{1}+v_{2})=A(\alpha v_{1}+v_{2})=\alpha Av_{1}+Av_{2}=\alpha L_{A}(v_{1})+L_{A}(v_{2})


2. V=\mathbb{F}^{n\times n},\,W=\mathbb{F} שניהם מעל \mathbb{F}. אזי העתקה trace:V\to W המגודרת A\mapsto tr(A) היא ה"ל.

הוכחה: לכל \alpha \in \mathbb{F}, A,B\in \mathbb{F}^{n\times n}

tr(\alpha A+B)=\alpha tr(A)+tr(B)


3. V=\mathbb{R}_{n}[x],\,W=\mathbb{R}_{n-1}[x] שניהם מעל \mathbb{R}. אזי העתקה D:V\to W המגודרת p(x)\mapsto\frac{d}{dx}p(x)=p'(x) היא ה"ל.

הוכחה:

D[\alpha p_{1}(x)+p_{2}(x)]=[\alpha p_{1}(x)+p_{2}(x)]'=\alpha p_{1}'(x)+p_{2}'(x)=\alpha D[p_{1}(x)]+D[p_{2}(x)]


4. העתקת הזהות I:V\to V המוגדרת v\mapsto v היא ה"ל.

5. העתקת האפס 0:V\to W המוגדרת v\mapsto 0 היא ה"ל.

6. יהי V מ"ו מעל \mathbb{F} מימד n ויהי B בסיס אזי הפונקציה T:V\to \mathbb{F}^n המוגדרת v\mapsto [v]_B היא ה"ל.

דוגמאות נגדיות

1. יהיו V=\mathbb{R}^{2}=W. אזי העתקה f:V\to W המוגדרת \begin{pmatrix} a \\ b \end{pmatrix}\mapsto \begin{pmatrix} a^2 \\ b \end{pmatrix}v אינה ה"ל.

כי למשל

f( 3\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix}) = f( \begin{pmatrix} 3 \\ 3 \end{pmatrix} )= \begin{pmatrix} 9 \\ 3 \end{pmatrix}

שלא שווה ל

3 f(\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix} ) = 3\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 \\ 3 \end{pmatrix}

תרגיל

יהיו T,S:V\to W שתי ה"ל. B=\{v_{1},\dots,v_{n}\} בסיס ל V. נניח T(v_{i})=S(v_{i}) לכל 1\leq i\leq n

הוכח: T=S. כלומר לכל v\in V מתקיים T(v)=S(v)

הוכחה: יהי v\in V אזי v=\sum\limits _{i=1}^{n}\alpha_{i}v_{i} כי B בסיס ובפרט פורשת. ואז

עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת תחביר): T(v)=T(\alpha_{1}v_{1}+\alpha_{2}v_{2}+\cdots+\alpha_{n}v_{n})=\alpha_{1}T(v_{1})+\alpha_{2}T(v_{2})+\cdots+\alpha_{n}T(v_{n}) = \\ = \alpha_{1}S(v_{1})+\alpha_{2}S(v_{2})+\cdots+\alpha_{n}S(v_{n})=S(\alpha_{1}v_{1}+\alpha_{2}v_{2}+\cdots+\alpha_{n}v_{n})=S(v)


משפט ההגדרה

יהיו V,W שני מ"ו מעל \mathbb{F}. יהי B=\{v_{1},\dots,v_{n}\} בסיס ל V ויהיו w_{1},\dots,w_{n}\in W וקטורים כלשהם.

אזי קימת ה"ל יחידה T:V\to W כך ש T(v_{i})=w_{i} לכל i

מסקנה ניתן להגדיר ה"ל יחידה ע"י קביעה לאן ישלח בסיס ל V

דוגמאות

1. V=\mathbb{R}_{2}[x] מצא את הה"ל T:V\to V המקימת T(1)=x+2,\,T(x)=1,\,T(x^{2})=-2x+1. כתוב את העתקה מפורשות, כלומר לאן T שולחת פולינום כללי a+bx+cx^{2}

פתרון: עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת תחביר): T(a+bx+cx^{2})=aT(1)+bT(x)+cT(x^{2}) = \\ =a(x+2)+b(1)+c(-2x+1)=(2a+b+c)+(a-2c)x


2. יהיו עיבוד הנוסחה נכשל (פונקציה \end לא מוכרת): \begin{pmatrix} 1\\ 2 \\ 3 \end{pmarix}


הגדרות

תהא T:V\to W ה"ל.

  1. הגרעין של T מוגדר kerT=\{v\in V\,|\,T(v)=0\}\subset V
  2. התמונה של T מוגדרת ImgT=\{T(v)\,|\,v\in V\}\subset W
  3. הדרגה של T מוגדרת rank(T)=dim(ImgT)

דוגמאות

1. יהיו V=\mathbb{F}^{n},\,W=\mathbb{F}^{m}. תהאA\in\mathbb{F}^{m\times n}ונסתכל על העתקה L_{A}:V\to W המוגדרת v\mapsto Av. אזי

  1. kerT=N(A)
  2. ImT=C(A)

2. יהי V מ"ו מעל \mathbb{F} מימד n ויהי B בסיס והעל הלינארית T:V\to \mathbb{F}^n המוגדרת v\mapsto [v]_B.

אזי

  1. kerT=\{0\}
  2. ImT=\mathbb{F}^n

משפט

תהא T:V\to W ה"ל.

אזי T חח"ע \Leftrightarrow מתקיים כי kerT=\{0\}

תרגיל:

תהא T:V\to W ה"ל. ויהיו \{v_1,\dots, v_n\} וקטורים ב V אזי

  1. אם \{Tv_1,\dots, Tv_n\} בת"ל אז \{v_1,\dots, v_n\} בת"ל
  2. אם T חח"ע אז גם הכיוון ההפוך נכון. כלומר אם \{v_1,\dots, v_n\} בת"ל אז \{Tv_1,\dots, Tv_n\}

הוכחה

  1. נניח \sum_{i=1}^n\alpha_iv_i = 0. נפעיל T על שני האגפים ונקבל מלינאריות של T כי \sum_{i=1}^n\alpha_iTv_i = 0. כיוון שנתון ש \{Tv_1,\dots, Tv_n\} בת"ל נקבל כי \forall i \alpha_i=0 כנדרש.
  2. נניח כי \sum_{i=1}^n\alpha_iTv_i = 0. מלינאריות נקבל כי T(\sum_{i=1}^n\alpha_iv_i)_ = 0 כיוון ש T חח"ע נקבל כי \sum_{i=1}^n\alpha_iv_i = 0. כיוון ש \sum_{i=1}^n\alpha_iv_i = 0 בת"ל נקבל כי \forall i \alpha_i=0 כנדרש.

תרגיל

V=\mathbb{R}_{2}[x],\,W=\mathbb{R}^{2} האם קימת T:V\to W ה"ל חח"ע?

פתרון: נניח בשלילה כי T חח"ע אזי כיוון ש 1,x,x^2 בתל גם T(1),T(x),T(x^2) בת"ל אבל T(1),T(x),T(x^2) שייכים למרחב וקטורי מימד 2 ולכן הקבוצה הבת"ל המקס' היא מגודל 2.

תרגיל

V=\mathbb{R}^3,\,W=\mathbb{R}^{4} האם קימת T:V\to W ה"ל על?

פתרון: נניח בשלילה כי T על אזי יש מקור ל e_1,e_2,e_3,e_4. נסמן את המקורות בv_i כלומר Tv_i=e_i. כיוון ש e_1,e_2,e_3,e_4 בת"ל גם v_1,v_2,v_3,v_4 בת"ל אבל v_1,v_2,v_3,v_4 שייכים למרחב וקטורי מימד 3 ולכן הקבוצה הבת"ל המקס' היא מגודל 3.

תרגיל

תהא T:V\to W ה"ל. תהא A\subseteq V תת קבוצה. אזי T(span(A))=spanT(A)

הוכחה:

(\subseteq) יהא v=\sum_{i=1}^n\alpha_i v_i צ"ל באיברי A אזי Tv\in T(span(A)) הוא איבר כללי.

כעת Tv=\sum_{i=1}^n\alpha_i Tv_i שזה צ"ל באיברי T(A) ולכן שייך ל spanT(A)

(\supseteq) יהא צ"ל באיברי T(A) אזי הוא מהצורה \sum_{i=1}^n\alpha_i Tv_i כאשר v_i\in A

מלינאריות נקבל כי T(\sum_{i=1}^n\alpha_i v_i)\in T(span(A))

מסקנה לכל תת מרחב W\leq V מתקיים כי T(W) תת מרחב.

תרגיל

יהיו V=\mathbb{R}^{3},\,W=\mathbb{R}^{2} והמישור U=\{ \left( \begin{array}{c} x\\ y\\ z \end{array} \right): x+y+z=0\} = span\{\left(\begin{array}{c} 1\\ 0\\ -1 \end{array}\right),\left(\begin{array}{c} 0\\ 1\\ -1 \end{array}\right)\} \leq V

מצא ה"ל T:V\to W כך ש kerT=U וגם ImT=span(\{\left(\begin{array}{c} 1\\ 1 \end{array}\right)\})

פתרון

נשלים לבסיס ל V בעזרת \{ v_1= \begin{pmatrix} 1\\ 0\\ -1 \end{pmatrix}, v_2= \begin{pmatrix} 0\\ 1\\ -1 \end{pmatrix}, v_3= \begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 0 \end{pmatrix} \}

לפי משפט ההגדרה מספיק להגדיר T בעזרת הבסיס.

נגדיר Tv_1=Tv_2 = 0, Tv_3 = \begin{pmatrix} 1\\ 1\\ \end{pmatrix}

ואז T(U)=T(span\{v_1,v_2\})= span\{Tv_1,Tv_2\} = span\{0\} = \{0\} ולכן U\subseteq kerT

בכיוון השני, יהיה v=\alpha_1v_1 +\alpha_2v_2+\alpha_3v_3 \in KerT אזי 0=Tv= \alpha_1Tv_1 +\alpha_2Tv_2+\alpha_3Tv_3=\alpha_3 \begin{pmatrix} 1\\ 1\\ \end{pmatrix} ולכן \alpha_3=0 ואז v\in U

בנוסף, באופן דומה,

ImT=T(V)=T(span\{v_1,v_2,v_3\}) = span\{Tv_1,Tv_2,Tv_3\} = span \begin{pmatrix} 1\\ 1\\ \end{pmatrix}

כנדרש.

תרגיל

תהא T:V\to V ה"ל, W\leq V ת"מ. נתון כי W\cap KerT=0. הוכח כי \dim W = \dim T(W)

הוכחה:

נסתכל על ה"ל T_W:W\to V אזי מתקיים כי KerT_W = W\cap kerT=0 ולכן T_W חח"ע. אם נבחר בסיס ל B אזי T(B) גם כן בסיס

ואז \dim W =|B|=|T(B)|= \dim T(W)

משפט הדרגה

תהא T:V\to W ה"ל. אזי \dim ImT+\dim KerT=dimV

הערה: שימו לב שזה הכללה עבור מטריצה A\in \mathbb{F}^{m\times n} ומשפט \dim C(A)+\dim N(A)=n (זיכרו שמטריצה היא מקרה פרטי של ה"ל)

תרגיל

נסתכל על ה"ל T:\mathbb{F}^{n\times n} \to \mathbb{F} המוגדרת T(A)=tr(A) מצt בסיס לגרעין העתקה.

פתרון:

T היא על כי לכל a\in \mathbb{F} יש מקור. למשל a\cdot E_{1,1}. לכן \dim ImT= \dim \mathbb{F} =1 ממשפט הדרגה נסיק כי \dim KerT=dimV-\dim ImT=n^2 -1

כעת לפי משפט השלישי חינם מספיק למצוא n^2-1 מטריצות בת"ל ששיכות לגרעין ואז הם יהיו בסיס.

למשל המטריצות \{E_{i.j} \; | \; i\neq j\} \cup \{E_{1,1}-E_{i,i} \; | \; 2\leq i \leq n\}

בקבוצה זאת יש אכן (n^2-n)+(n-1)=n^2-1 מטריצות בת"ל

הפיכות ואיזמורפיזם

ה"ל T:V\to W היא הפיכה אם יש ה"לS:W\to V כך ש: ST=Id_V,TS=Id_W. במקרה זה מסמנים T^{-1}=S

משפט T הפיכה אמ"מ T חח"ע ועל

(שימו לב שידוע שפונקציה חח"ע ועל היא הפיכה כפונקציה. המשפט אומר שבמקרה זה הפונקציה היא ה"ל)


תכונות

  1. אם T הפיכה אז גם ההופכית ומתקיים(T^{-1})^{-1}=T
  2. T,S הפיכות אמ"מ ההרכבה ST הפיכה. במקרה זה מתקיים (ST)^{-1} =T^{-1}S^{-1}
  3. אם ה"ל L_A(v)=Av הפיכה אז ההופכית היא L_{A^{-1}}

איזומורפיזם

הגדרה ה"ל T:V\to W תקרא

  1. מונומורפיזם אם T חח"ע
  2. אפימורפיזם אם T על
  3. איזומורפיזם אם T חח"ע ועל (כלומר הפיכה). במקרה זה נאמר ש V ו W איזומורפים ונסמן V\cong W

הערה: \cong מתנהג כמו יחס שקילות. כלומר

  1. \forall V : V\cong V
  2. V\cong W \Rightarrow W\cong V
  3. V_1\cong V_2 \land V_2 \cong V_3 \Rightarrow V_1\cong V_3

הערה 2 מרחבים איזומורפים בעצם אומר שהם "אותו דבר" במובן מסוים. יש להם אותו מבנה במובן שאם "נטשטש" את זהות האיברים ונסתכל רק על המבנה (למשל שחיבור של שני וקטורים מסוימים שווה וקטור מסוים אחר) אז נראה אותו דבר בשני המרחבים.


דוגמא: T:\mathbb{F}^{m\times n} \to \mathbb{F}^{n\times m} המוגדרת T(A)=A^t היא איזומורפיזם.

משפט

יהיו V,W שני מרחבים וקטורים. אזי

V\cong W \iff \dim V = \dim W

"הוכחה"

(\Rightarrow) נבחר בסיס B עבור V. מהנתון, קיימת T:V\to W הפיכה. לכן |B|=|T(B)| ובנוסף, T(B) בסיס ל W. זה אומר שהמימדים שווים.

(\Leftarrow ) נבחר B=\{v_1,\dots, v_n\}, B'=\{w_1,\dots , w_n\} בסיסים. לפי משפט ההגדרה נגדיר T:V\to W ע"י Tv_i=w_i. במקרה זה T ה"ל הפיכה, כלומר המרחבים איזומורפים.

הערה אפשר למצוא את איזו' בצורה מפורשת ע"י הצגה לפי בסיס

אם נגדיר T_B:V\to \mathbb{F}^n המוגדרת ע"י T(v)=[v]_B כאשר B=\{v_1,\dots ,v_n\} היא איזומורפיזם.

כעת עבור מציאת איזו' בין 2 מרחבים V,W זה פשוט יהיה T_{B'}^{-1}T_B כאשר B בסיס ל V ו- B' בסיס ל W

דוגמא

\mathbb{C}^{2\times 3} \cong \mathbb{C}^6 \cong \mathbb{C}_5 [x] \cong span\{e_1, e_7, e_{12},e_{101}\}

מקור: https://math-wiki.com/index.php?title=88-112_לינארית_1_תיכוניסטים_קיץ_תשעא/מערך_תרגול/8&oldid=62111