电子科技桂电版-第六章线性变换

第一节线性空间的定义与性质扬州大学数学科学学院线性代数线性空间是线性代数最基本的概念之一，也是一个抽象的概念，它是向量空间概念的推广．线性空间是为了解决实际问题而引入的，它是某一类事物从量的方面的一个抽象，即把实际问题看作向量空间，进而通过研究向量空间来解决实际问题．一、线性空间的定义

若对于任一数与任一元素，总有唯一的一个元素与之对应，称为与的积，记作定义１设是一个非空集合，为实数域．如果对于任意两个元素，总有唯一的一个元素与之对应，称为与的和，记作如果上述的两种运算满足以下八条运算规律，那么就称为数域上的向量空间（或线性空间）．

2．向量空间中的向量不一定是有序数组．

3．判别线性空间的方法：一个集合，对于定义的加法和数乘运算不封闭，或者运算不满足八条性质的任一条，则此集合就不能构成线性空间．说明

1．凡满足以上八条规律的加法及乘数运算，称为线性运算．（１）一个集合，如果定义的加法和乘数运算是通常的实数间的加乘运算，则只需检验对运算的封闭性．例１

实数域上的全体矩阵，对矩阵的加法和数乘运算构成实数域上的线性空间，记作．线性空间的判定方法通常的多项式加法、数乘多项式的乘法两种运算满足线性运算规律．例４

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空间．是一个线性空间.例５

在区间上全体实连续函数，对函数的加法与数和函数的数量乘法，构成实数域上的线性空间．一般地例６

正实数的全体，记作，在其中定义加法及乘数运算为验证对上述加法与乘数运算构成线性空间．（２）一个集合，如果定义的加法和乘数运算不是通常的实数间的加乘运算，则必需检验是否满足八条线性运算规律．证明所以对定义的加法与乘数运算封闭．下面一一验证八条线性运算规律：所以对所定义的运算构成线性空间．不构成线性空间．对于通常的有序数组的加法及如下定义的乘法例７

个有序实数组成的数组的全体1．零元素是唯一的．证明

假设是线性空间V中的两个零元素，由于所以则对任何，有二、线性空间的性质2．负元素是唯一的．证明假设有两个负元素与，那么则有向量的负元素记为证明4．如果，则或

.证明假设那么又同理可证：若则有三、线性空间的子空间定义2设是一个线性空间，是的一个非空子集，如果对于中所定义的加法和乘数两种运算也构成一个线性空间，则称为的子空间．定理线性空间的非空子集构成子空间的充分必要条件是：对于中的线性运算封闭．解(1)不构成子空间.因为对例8有即对矩阵加法不封闭，不构成子空间.对任意有于是满足且线性空间的元素统称为“向量”，但它可以是通常的向量，也可以是矩阵、多项式、函数等.线性空间是一个集合对所定义的加法及数乘运算封闭所定义的加法及数乘符合线性运算四、小结线性空间是二维、三维几何空间及维向量空间的推广，它在理论上具有高度的概括性.思考题思考题解答第二节维数、基、坐标扬州大学数学科学学院线性代数一、线性空间的基与维数

已知：在中，线性无关的向量组最多由个向量组成，而任意个向量都是线性相关的．

问题：线性空间的一个重要特征——在线性空间中，最多能有多少线性无关的向量？定义１在线性空间中，如果存在个元素满足：当一个线性空间中存在任意多个线性无关的向量时，就称是无限维的．定义２二、元素在给定基下的坐标注意线性空间的任一元素在不同的基下所对的坐标一般不同，一个元素在一个基下对应的坐标是唯一的．例２所有二阶实矩阵组成的集合，对于矩阵的加法和数量乘法，构成实数域上的一个线性空间．对于中的矩阵三、线性空间的同构定义设是两个线性空间，如果它们的元素之间有一一对应关系，且这个对应关系保持线性组合的对应，那末就称线性空间与同构.例如与维数组向量空间同构.

因为形成一一对应关系；则有３．同维数的线性空间必同构．２．同构的线性空间之间具有反身性、对称性与传递性．结论１．数域上任意两个维线性空间都同构．同构的意义在线性空间的抽象讨论中，无论构成线性空间的元素是什么，其中的运算是如何定义的，我们所关心的只是这些运算的代数性质．从这个意义上可以说，同构的线性空间是可以不加区别的，而有限维线性空间唯一本质的特征就是它的维数．１．线性空间的基与维数；２．线性空间的元素在给定基下的坐标；

坐标：（１）把抽象的向量与具体的数组向量联系起来；３．线性空间的同构．四、小结（２）把抽象的线性运算与数组向量的线性运算联系起来．生成的子空间的基与维数.思考题思考题解答第三节基变换与坐标变换扬州大学数学科学学院线性代数一、基变换公式与过渡矩阵那么，同一个向量在不同的基下的坐标有什么关系呢？换句话说，随着基的改变，向量的坐标如何改变呢？

问题：在维线性空间中，任意个线性无关的向量都可以作为的一组基．对于不同的基，同一个向量的坐标是不同的．称此公式为基变换公式．由于基变换公式矩阵称为由基到基的过渡矩阵．过渡矩阵是可逆的．若两个基满足关系式二、坐标变换公式则有坐标变换公式或证明１．基变换公式三、小结２．坐标变换公式或思考题思考题解答第四节线性变换扬州大学数学科学学院线性代数

线性空间中向量之间的联系，是通过线性空间到线性空间的映射来实现的．１．映射一、线性变换的概念变换的概念是函数概念的推广．2．从线性空间到的线性变换说明３．从线性空间到其自身的线性变换下面主要讨论线性空间中的线性变换．证明设则有例３定义在闭区间上的全体连续函数组成实数域上的一个线性空间，在这个空间中变换是一个线性变换.故命题得证.证明则有设例４线性空间中的恒等变换（或称单位变换）：是线性变换．所以恒等变换是线性变换．证明设则有所以零变换是线性变换．例５线性空间中的零变换：是线性变换．证明证毕.例６在中定义变换则不是的一个线性变换．二、线性变换的性质证明从而由于由上述证明知它对中的线线性运算封闭，故它是的子空间．证明则则三、小结要证一个变换是线性变换，必须证保持加法和数量乘法，即若证一个变换不是线性变换，只须证不保持加法或数量乘法，并且只须举出一个反例即可．思考题思考题解答第五节线性变换的矩阵表示式扬州大学数学科学学院线性代数一、线性变换的矩阵表示式二、线性变换在给定基下的矩阵定义１设是线性空间中的线性变换，在中取定一个基，如果这个基在变换下的象为其中上式可表示为那末，就称为线性变换在基下的矩阵．结论此例表明：同一个线性变换在不同的基下一般有不同的矩阵．

同一个线性变换在不同的基下有不同的矩阵，那么这些矩阵之间有什么关系呢？三、线性变换在不同基下的矩阵上面的例子表明定理１设线性空间中取定两个基由基到基的过渡矩阵为，中的线性变换在这两个基下的矩阵依次为和，那末于是证明因为线性无关，所以证毕.定理表明：与相似，且两个基之间的过渡矩阵就是相似变换矩阵．例４解解

由条件知给定了线性空间的一组基以后，中的线性变换与中的矩阵形成一一对应．因此，在线性代数中，可以用矩阵来研究变换，也可以用变换来研究矩阵．同一变换在不同基下的矩阵是相似的．四、小结思考题思考题解答第六章习题课扬州大学数学科学学院线性代数１线性空间的定义那么，就称为（实数域上的）向量空间（或线性空间），中的元素不论其本来的性质如何，统称为（实）向量．简言之，凡满足八条规律的加法及乘数运算，就称为线性运算；凡定义了线性运算的集合，就称为向量空间．２线性空间的性质３子空间定义设是一个线性空间，是的一个非空子集，如果对于中所定义的加法和乘数两种运算也构成一个线性空间，则称为的子空间．定理线性空间的非空子集构成子空间的充分必要条件是：对于中的线性运算封闭．定义４线性空间的维数、基与坐标定义一般地，设与是两个线性空间，如果在它们的元素之间有一一对应关系，且这个对应关系保持线性组合的对应，那么就说线性空间与

同构．线性空间的结构完全被它的维数所决定．任何维线性空间都与同构，即维数相等的线性空间都同构．５基变换６坐标变换７线性变换的定义变换的概念是函数概念的推广．８线性变换的性质９线性变换的矩阵表示10线性变换在给定基下的矩阵同一线性变换在不同基下的矩阵是相似的，反之，相似矩阵也可以看成是同一线性变换在不同基下的矩阵．11线性变换在不同基下的矩阵典型例题一、线性空间的判定二、子空间的判定三、求向量在给定基下的坐标四、由基和过渡矩阵求另一组基五、过渡矩阵的求法六、线性变换的判定七、有关线性变换的证明八、线性变换在给定基下的矩阵九、线性变换在不同基下的矩阵线性空间中两种运算的８条运算规律缺一不可，要证明一个集合是线性空间必须逐条验证．若要证明某个集合对于所定义的两种运算不构成线性空间，只需说明在两个封闭性和８条运算规律中有一条不满足即可．一、线性空间的判定解解二、子空间的判定证一三、求向量在给定基下的坐标证二四、由基和过渡矩阵求另一组基解五、过渡矩阵的求法解一

由过渡矩阵的定义有整理得从上面的解法可以看到，由定义出发，利用解方程组，求出线性表达式中的系数，得到过渡矩阵，这种方法计算量太大，因此，当线性表达式不容易得到时，可采用下面的解法．解二

引入一组新的基解六、线性变换的判定七、有关线性变换的证明解解八、线性变换在给定基下的矩阵九、线性变换在不同基下的矩阵解第六章测试题一、填空题(每小题4分，共24分