Legyenek V1 és V2 ugyanazon T test feletti vektorterek. Legyen
φ:V1→V2 leképezés, melyet lineáris leképezésnek
nevezünk, ha tetszőleges két V1-beli vektor (∀a;b∈V1) és T-beli skalár (λ∈T) esetén teljesülnek az alábbiak:
φ(a+b)=φ(a)+φ(b)(additív)
φ(λa)=λφ(a)(homogén)
Megjegyzés
φ(0)=0 minden lineáris leképezés esetén.
Megjegyzés
A linearitás miatt φ(−a)=−φ(a).
Definíció 1.28 [ Homomorfizmus ]
Hom(V1;V2):={φ:V1→V2φ lineaˊris}
Definíció 1.29 [ Endomorfizmus ]
End(V):=Hom(V;V)
Állítás
(Hom(V1;V2),+,λ) vektortér R vagy
C felett.
Definíció 1.30 [ Izomorfizmus ]
A φ:V1→V2 leképezés izomorfizmus, ha lineáris és bijektív.
Állítás
Véges dimenziójú vektorterek esetén az egymással izomorf vektorterek dimenziója
azonos.
Állítás
Legyenek V1 és V2 ugyanazon test feletti vektorterek, és
dimV1=dimV2. Ekkor V1≃V2
Tétel 1.7 [ Lineáris leképezések alaptétele ]
Legyenek V1 és V2 ugyanazon test feletti vektorterek, és legyen
{b1;b2;…;bn} bázis V1-ben, és
{a1;a2;…;an} tetszőleges vektorrendszer
V2-ben. Ekkor egyetlen lineáris leképezés létezik, melyre
φ(bi)=ai, ahol i∈{1,2,…,n}.
Bizonyítás [ Unicitás, indirekt módon ]
Legyenek φ=ψ lineáris leképezések, melyekre
φ(bi)=ai és ψ(bi)=ai,
i∈{1,2,…,n}. Legyen x∈V1 tetszőleges,
x=∑i=1nξibi. Hattassuk φ-t
x-re:
Legyen φ:V1→V2 leképezés, és
x↦φ(x). Ha (ξ1;ξ2;…;ξn)
az x koordinátái, akkor φ(x)=ξ1a1+…+ξnan. Hasonló módon legyen (η1;η2;…;ηn) az y koordinátái. Ekkor:
Legyenek V1 és V2 ugyanazon test feletti vektorterek, és dimV1=n,
valamint dimV2=k. Legyen {a1;a2;…;an}
bázis V1-ben, és {b1;b2;…;bn} bázis
V2-ben. Legyen φ:V1→V2 lineáris leképezés, ekkor
Az A mátrixot φ leképezést reprezentáló mátrixnak hívjuk,
segítségével tetszőleges x∈V1 képét meghatározhatjuk. Legyenek
(ξ1,ξ2,…,ξn) az x koordinátái, ekkor a képét az
alábbi módon számíthatjuk:
φ:Hom(V1;V2)→Mk×n
izomorfizmus, ahol dimV1=k és dimV2=n.
Következény:dim(Hom(V1;V2))=n⋅k=dimV1⋅dimV2.
Állítás
Legyenek V1, V2 és V3 vektorterek, dimV1=k, dimV2=m és
dimV3=n. Legyenek φ:V1→V2 és ψ:V2→V3 lineáris leképezések, ekkor a V1-ből V3-ra való
leképezés (ψ∘φ:V1→V3) olyan, hogy ha
φ↔A∈Mm×k és
ψ↔B∈Mn×m, akkor
ψ∘φ↔C∈Mn×k, ahol
C=B⋅A.
Speciálisan, ha V1=V2=V3=V, dimV=n, akkor
A;B;C∈Mn×n.
A magtér dimenzióját defektusnak nevezzük, és defφ-vel
jelöljük.
Megjegyzés
Nem létezik olyan vektortér, melynek magtere az üreshalmaz (a nullvektor
mindig benne van, mert a nullvektor képe mindig nullvektor).
Megjegyzés
Invertálható lineáris leképezés magtere a nullvektor.
Állítás
A φ leképezés injektív, akkor és csak akkor, ha
kerφ={0}⇔defφ=0.
Definíció 1.33 [ Lineáris leképezés rangja ]
Egy lineáris leképezés rangjának nevezzük a képtér dimenzióját.
rgφ=dimφ(V1).
Tétel 1.8 [ Rang-nullitás tétele ]
Legyen V1 véges dimenziós vektortér, φ:V1→V2
lineáris leképezés, ekkor
rgφ+defφ=dimV1.
Állítás
Tetszőleges lineáris leképezés rangja megegyezik bármely bázisra vonatkozó
mátrixreprezentációjának rangjával. φ:V1→V2, dimV1=m, dimV2=n⇒φ↔A, A∈Mn×m, rgφ=rgA.
Tétel 1.9
Legyen φ:V→V lineáris leképezés,
{b1;b2;…;bn} és {b^1;b^2;…;b^n} bázisok V-ben. A
φ{b1;b2;…bn} bázisra vonatkozó
mátrixa A, a φ{b^1;b^2;…;b^n} bázisra vonatkozó mátrixa A^. Jelölje
S a {b1;b2;…;bn} bázisról a
{b^1;b^2;…;b^n} bázisra
való áttérés mátrixát, ekkor
A^=S−1AS.
Megjegyzés
A fenti tételben szereplő A és A^ mátrixok hasonlóak.
Megjegyzés
Hasonló mátrixok determinánsa megegyezik.
Megjegyzés
Hasonló mátrixok rangja egyenlő.
Definíció 1.34 [ Sajátértékek és sajátvektorok ]
Legyen V a T test feletti vektortér, v∈V, v=0. v-t a φ:V→V lineáris leképezés
sajátvektorának mondjuk, ha önmaga skalárszorosába megy át a leképezés
során, azaz φ(v)=λv,λ∈T.
λ-t a v sajátvektorhoz tartozó sajátértéknek mondjuk.
Megjegyzés
Ha a v sajátvektora a φ-nek, akkor annak skalárszorosa is.
Tétel 1.10 [ Sajátértékek számítása ]
Az A∈Mn×n mátrix sajátértékeit a
det(A−λE)=0
karakterisztikus egyenlet gyökei.
Bizonyítás
Legyen v az A sajátvektora. Ekkor teljesül az
Av=λv egyenlet. Ezt átalakítva:
Av−λv=0⇒Av−λEv=0⇒(A−λE)v=0.
Így egy olyan homogén lineáris egyenletrendszert kapunk, amelynek létezik
a triviálistól eltérő (v=0) megoldása, tehát
det(A−λE)=0.
Megjegyzés
A det(A−λE)=0 egyenletet
karakterisztikus egyenletnek nevezzük.
A det(A−λE) polinomot
karakterisztikus polinomnak nevezzük.
Állítás
Különböző sajátértékekhez tartozó sajátvektorok lineárisan függetlenek.
Állítás
Szimmetrikus mátrix sajátértékei valósak.
Állítás
Az n-edrendű szimmetrikus mátrixnak van n darab, páronként egymásra
merőleges sajátvektora.
Példa
Határozzuk meg az A mátrix sajátértékeit és sajátvektorait!
A valós euklideszi térben értelmezhetjük a vektorok hosszát:
∥x∥=⟨x;x⟩.
Valamint értelmezhetjük x és y vektorok szögét:
cos∠(x;y)=∥x∥∥y∥⟨x;y⟩∈[−1;1].
Megjegyzés
Valós euklideszi térekben érvényesek a
Cauchy-Bunyakovszkij-Schwartz-egyenlőtlenség:
⟨x;y⟩2≤∥x∥2⋅∥y∥2=⟨x;x⟩⋅⟨y;y⟩.
Ebből következik, hogy a háromszög egyenlőtlenség is teljesül:
∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥.
Definíció 1.37 [ Ortonormált bázis ]
A (V,⟨x⟩)n dimenziós euklideszi tér
{e1;e2;…;en} bázisát
ortonormáltnak mondjuk, ha ⟨ei;ej⟩=δij, ahol
δij={1,0,ha i=j,ha i=j,
az úgynevezett Kronecker-delta.
Definíció 1.38 [ Ortogonális transzformáció ]
Az n dimenziós euklideszi tér A:V→V lineáris
transzformációját ortogonálisnak mondjuk, ha ⟨Ax;Ay⟩=⟨x;y⟩, minden
x;y∈V esetén.
Megjegyzés
Ortogonális transzformáció normatartó.
Ortogonális transzformáció szögtartó.
Ortogonális transzformáció ortonormált bázist ortonormált bázisba visz át.
Definíció 1.39 [ Bázistranszformáció ]
Legyenek {b1;b2;…;bn} és
{b^1;b^2;…;b^n} bázisok
V-ben. Ekkor a {b1;b2;…;bn}→{b^1;b^2;…;b^n}
bázistranszformáció S mátrixa a következőképpen írható fel: