线性代数第六章-线性空间与线性变换ppt课件.ppt
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1、Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么第六章第六章 线性空间与线性变换线性空间与线性变换 线性变换线性变换结束结束基、维数与坐标基、维数与坐标线性空间线性空间2023/1/161Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 定义定义 1 设设设设 V V 是一个非空集合是一个非空集合是一个非空集合是一个非空集合,R,R 为实数域为实数域为实数域为实数域.八条运算规律八条运算规律八条运算规律八条运
2、算规律(设设 ,V;,R):的的的的积积积积,记作记作记作记作 ;并且这两种运算满足以下并且这两种运算满足以下并且这两种运算满足以下并且这两种运算满足以下总有唯一的一个元素总有唯一的一个元素总有唯一的一个元素总有唯一的一个元素 V V 与之对应与之对应与之对应与之对应,称为称为称为称为 与与与与=+;个元素个元素个元素个元素 V V 与之对应与之对应与之对应与之对应,称为称为称为称为 与与与与 的的的的和和和和,记作记作记作记作 如果对于任意两个元素如果对于任意两个元素如果对于任意两个元素如果对于任意两个元素 ,V V,总有唯一的一总有唯一的一总有唯一的一总有唯一的一又对于任一数又对于任一数又
3、对于任一数又对于任一数 R R 与任一元素与任一元素与任一元素与任一元素 V V,1.定义定义一、线性空间的定义Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 (i)(i)+=+;(ii)(ii)(+)+)+=+(+(+););(iii)(iii)在在在在 V V 中存在零元素中存在零元素中存在零元素中存在零元素 0 0，对任何对任何对任何对任何 V V,(v)(v)1 1 =;使使使使 +=0;0;(iv)(iv)对任何对任何对任何对任何 V V,都有都有都有都有 的负元素的负元素的负元素的负元素
4、 V V,都有都有都有都有 +0=+0=;(vi)(vi)()=()=();Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 (vii)(vii)(+)=+;(viii)(viii)(+)=)=+.那么那么那么那么,V V 就称为就称为就称为就称为(实数域实数域实数域实数域 R R 上的上的上的上的)就称为就称为线性运算线性运算。简言之简言之,凡满足八条规律的加法及乘数运算凡满足八条规律的加法及乘数运算,统称为统称为统称为统称为(实实实实)向量向量.V V 中的元素不论其本来的性质如何中的元素不论其本
5、来的性质如何中的元素不论其本来的性质如何中的元素不论其本来的性质如何,线性空间线性空间，Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 例例 1 次数不超过次数不超过 n 的多项式的全体的多项式的全体,记记作作P x n,即即对于通常的多项式加法、数乘多项式的乘法构成对于通常的多项式加法、数乘多项式的乘法构成只要验证只要验证 P x n 对运算封闭对运算封闭:项式的乘法两种运算显然满足线性运算规律项式的乘法两种运算显然满足线性运算规律,故故线性空间线性空间.这是因为这是因为,通常的多项式加法、数乘多
6、通常的多项式加法、数乘多二、二、举例举例解：解：Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么所以所以 P x n是一个线性空间是一个线性空间.Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 例例 2 n 次多项式的全体次多项式的全体对于通常的多项式加法和数乘运算不构成向量空对于通常的多项式加法和数乘运算不构成向量空Q x n 对运算不封闭对运算不封闭.间间.这是因为这是因为 0 p=0 xn+0 x+0
7、 Q x n,即即Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 例例 3 正弦函数的集合正弦函数的集合对于通常的函数加法及数乘函数的乘法构成线性对于通常的函数加法及数乘函数的乘法构成线性闭闭:满足线性运算规律满足线性运算规律,故只要验证故只要验证 S x 对运算封对运算封空间空间.这是因为这是因为,通常的函数加法及乘数运算显然通常的函数加法及乘数运算显然Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么所以
8、所以 S x 是一个线性空间是一个线性空间.检检验验一一个个集集合合是是否否构构成成线线性性空空间间,当当然然不不能能则就应仔细检验是否满足八条线性运算规律则就应仔细检验是否满足八条线性运算规律.加法和数乘运算不是通常的实数间的加乘运算加法和数乘运算不是通常的实数间的加乘运算,只检验对运算的封闭性只检验对运算的封闭性(如上面两例如上面两例).若所定义的若所定义的Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 例例 4 正实数的全体正实数的全体,记作记作 R+,在其中定在其中定义义加法及乘数运算为加法
9、及乘数运算为加法加法加法加法:数乘数乘数乘数乘:验证验证 R+对上述加法与乘数运算构成线性空间对上述加法与乘数运算构成线性空间.对加法封闭对加法封闭对加法封闭对加法封闭:对任意的对任意的 a,b R+,有有 证证 实际上要验证十条实际上要验证十条:Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 对数乘封闭对数乘封闭对数乘封闭对数乘封闭:对任意的对任意的 R,a R+,有有(i)(i)(ii)(ii)(iii)(iii)R+中存在零元素中存在零元素 1,对任何对任何 a R+,有有 (iv)(iv)对
10、任何对任何 a R+,有负元素有负元素 a-1 R+,使使Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 (v)(v)(vi(vi)(vii)(vii)(viii)(viii)因此因此,R+对于所定义的运算构成线性空间对于所定义的运算构成线性空间.下面讨论线性空间的性质下面讨论线性空间的性质.Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 性质性质 1 零元素是唯一的零元素是唯一的零元素是唯一的零元素是唯
11、一的.三、线性空间的性质三、线性空间的性质证明证明设设 01,02 是线性空间是线性空间V中的两个零元素中的两个零元素,即对任何即对任何 V,有有 +01=,+02=.于是特于是特别有别有 02+01=02,01+02=01.所以所以 01=01+02=02+01=02.即零元素是唯一的即零元素是唯一的.Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 性质性质 4 如果如果如果如果 =0,=0,则则则则 =0=0 或或或或 =0=0.性质性质 3 0 0 =0;(=0;(-1)1)=-;0=0.0=
12、0.性质性质 2 任一元素的负元素是唯一的任一元素的负元素是唯一的任一元素的负元素是唯一的任一元素的负元素是唯一的.Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 在第三章中在第三章中,我们提过子空间我们提过子空间,今稍作修正今稍作修正.定义定义 设设设设 V V 是一个线性空间是一个线性空间是一个线性空间是一个线性空间,L L 是是是是 V V 的一的一的一的一因因 L 是是 V 的一部分的一部分,V 中的运算对于中的运算对于 L 而言而言,规规 一个非空子集要满足什么条件才构成子空间一个非空子集
13、要满足什么条件才构成子空间?子空间子空间子空间子空间.乘两种运算也构成一个线性空间乘两种运算也构成一个线性空间乘两种运算也构成一个线性空间乘两种运算也构成一个线性空间,则称则称则称则称 L L 为为为为 V V 的的的的个非空子集个非空子集个非空子集个非空子集,如果如果如果如果 L L 对于对于对于对于 V V 中所定义的加法和数中所定义的加法和数中所定义的加法和数中所定义的加法和数四、子空间四、子空间Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么律律(i),(ii),(v),(vi),(vii),
14、(viii)显显然然是是满满足足的的,因因此此因此我们有因此我们有 定定理理 线线性性空空间间线线性性空空间间 V V 的的非非空空子子集集的的非非空空子子集集 L L 构构成成子子构构成成子子空间的充要条件是空间的充要条件是空间的充要条件是空间的充要条件是:L L 对于对于对于对于 V V 中的线性运算封闭中的线性运算封闭中的线性运算封闭中的线性运算封闭.满足规律满足规律(iii),(iv).但由线性空间的性质知但由线性空间的性质知,若若 L 对运算封闭对运算封闭,则即能则即能只要只要 L 对运算封闭且满足规律对运算封闭且满足规律(iii)、(iv)即可即可.Copyright 数学与计量经
15、济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 在在第第三三章章中中,我我们们用用线线性性运运算算来来讨讨论论 n 维维数数组组这些概念和性质这些概念和性质.性空间中的元素仍然适用性空间中的元素仍然适用.以后我们将直接引用以后我们将直接引用有关的性质只涉及线性运算有关的性质只涉及线性运算,因此因此,对于一般的线对于一般的线组合、线性相关与线性无关等等组合、线性相关与线性无关等等.这些概念以及这些概念以及向量之间的关系向量之间的关系,介绍了一些重要概念介绍了一些重要概念,如线性如线性第二节、基、维数和坐标第二节、基、维数和坐标Cop
16、yright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 在第三章中我们已经提出了基与维数的概念在第三章中我们已经提出了基与维数的概念,的主要特性的主要特性,特再叙述如下特再叙述如下.这当然也适用于一般的线性空间这当然也适用于一般的线性空间.这是线性空间这是线性空间Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 定义定义 2 在线性空间在线性空间在线性空间在线性空间 V V 中中中中,如果存在如果存在如果存在如果存在 n
17、 n 个元个元个元个元记作记作 Vn.维数为维数为 n 的线性空间称为的线性空间称为 n 维线性空间维线性空间,个个个个基基,n n 称为线性空间称为线性空间称为线性空间称为线性空间 V V 的的的的维数维数.那么那么那么那么,1 1,2 2,n n 就称为线性空间就称为线性空间就称为线性空间就称为线性空间 V V 的一的一的一的一线性表示线性表示线性表示线性表示.(ii)(ii)V V 中任一元素中任一元素中任一元素中任一元素 总可由总可由总可由总可由 1 1,2 2,n n (i)(i)1 1,2 2,n n 线性无关线性无关线性无关线性无关;素素素素 1 1,2 2,n n 满足满足满足
18、满足:Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 若知若知 1,2,n 为为 Vn 的一个基的一个基,则则 Vn 这就较清楚地显示出线性空间这就较清楚地显示出线性空间 Vn 的构造的构造.并且这组数是唯一的并且这组数是唯一的.=x1 1+x2 2+xn n ,何何 Vn,都有一组有序数都有一组有序数 x1,x2,xn,使使若若 1,2,n 为为 Vn 的一个基的一个基,则对任则对任可表示为可表示为二、向量在基下的坐标二、向量在基下的坐标Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可
19、以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 反之反之,任给一组有序数任给一组有序数 x1,x2,xn,总有总有组有序数来表示元素组有序数来表示元素 .于是我们有于是我们有之间存在着一种一一对应的关系之间存在着一种一一对应的关系,因此可以用这因此可以用这(x1,x2,xn)T 这样这样,Vn 的元素的元素 与有序数组与有序数组 唯一的元素唯一的元素 =x1 1+x2 2+xn n Vn.Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 定义定义 3 设设设设 1
20、1,2 2 ,n n 为线性空间为线性空间为线性空间为线性空间 V Vn n =(x1,x2,xn)T.1 1,2 2,n n 下的下的下的下的坐标坐标,并记作并记作x x1 1,x x2 2,x xn n 这组有序数就称为元素这组有序数就称为元素这组有序数就称为元素这组有序数就称为元素 在基在基在基在基 =x x1 1 1 1+x x2 2 2 2+x xn n n n ,有序数有序数有序数有序数 x x1 1,x x2 2,x xn n ,使使使使的一个基的一个基的一个基的一个基.对于任一元素对于任一元素对于任一元素对于任一元素 V Vn n ,总有且仅有一组总有且仅有一组总有且仅有一组总
21、有且仅有一组Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 例例 1 在线性空间在线性空间 P x 4 中中,p1=1,p2=x,p3=x2,p4=x3,p5=x4 就是它的一个基就是它的一个基.任一不超过任一不超过 4 次的多项式次的多项式 p=a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0 都可表示为都可表示为 p=a0p1+a1p2+a2p3+a3p4+a4p5,因此因此 p 在这个基下的坐标为在这个基下的坐标为 (a0,a1,a2,a3,a4 )T.Copyright 数学与计量经济学院在日常生
22、活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 若另取一若另取一 个基个基因此因此 p 在这个基下的坐标为在这个基下的坐标为则则Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 例例 2 在二阶实矩阵组成的集合构成在二阶实矩阵组成的集合构成一个线性空间一个线性空间 R2 2 中中,为其一个基为其一个基任意一个二阶矩阵可表示为任意一个二阶矩阵可表示为Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪
23、费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 建立了坐标以后建立了坐标以后,就把抽象的向量就把抽象的向量 与具体与具体于是于是 =y1 1+y2 2+yn n,=x1 1+x2 2+xn n,设设 ,Vn,有有系起来系起来:可把可把 Vn 中抽象的线性运算与数组的线性运算联中抽象的线性运算与数组的线性运算联的数组向量的数组向量(x1,x2,xn)T 联系起来了联系起来了.并且还并且还三、向量的运算三、向量的运算Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 +=(x1+y1)1+(xn+yn)n,=(x1)
24、1+(xn)n,即即 +的坐标是的坐标是(x1,xn)T=(x1,xn)T.的坐标是的坐标是 =(x1,xn)T+(y1,yn)T,(x1+y1,xn+yn)T Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 总之总之,设在设在 n 维线性空间维线性空间 Vn 中取定一个基中取定一个基 因此因此,我们可以说我们可以说 Vn 与与 Rn 有相同的结构有相同的结构,我们称我们称也就是说也就是说,这个对应关系保持线性组合的对应这个对应关系保持线性组合的对应.2.(x1,xn)T,1.+(x1,xn)T+(
25、y1,yn)T;设设 (x1,xn)T,(y1,yn)T,则则个一一对应的关系个一一对应的关系,且这个关系具有下述性质且这个关系具有下述性质:向量空间向量空间 Rn 中的向量中的向量(x1,xn)T 之间就有一之间就有一 1,2,n ,则则 Vn 中的向量中的向量 与与 n 维数组维数组Vn与与 Rn 同构同构.Copyright 数学与计量经济学院在日常生活中，随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费，也许你认为浪费这一点点算不了什么 由例由例 1 可见可见,同一元素在不同的基下有不同同一元素在不同的基下有不同间间 Vn 中的两个基中的两个基,且有且有 设设 1,2,n 及及
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