线代 A1 笔记 第 13 部分(线性映射)

Last updated on November 28, 2023 4:03 PM

映射

具体的概念略,比如从 SSTT 的映射 f:STf:S\to Tα\alpha 映射到 β\beta 的话就是 αβ\alpha \mapsto \beta

SS 是定义域,TT陪域β\beta 称为 α\alphaα\alpha 被称为 β\beta一个原像ff 的像集记作 Imf\operatorname{Im} ff(S)f(S),又称值域。

注意值域与陪域的区别。ImfT\operatorname{Im}f \subseteq T

  • 单射:x1,x2S\forall x_1,x_2\in S,若 x1x2x_1\neq x_2 则一定有 f(x1)f(x2)f(x_1)\neq f(x_2)
  • 满射:f(S)=Tf(S)=T。即陪域中每个元素有至少一个原像。
  • 双射/一一对应:陪域中每一个元素有唯一的一个原像。相当于即单又满。

每个元素都映射到自身的变换叫恒同变换,记作 1S1_S1Tf=f1S1_Tf = f 1_S

映射的乘法/合成:f:SSf:S'\to S''g:SSg:S\to S',(要求内层映射的陪域为外层映射的定义域),定义复合 fgfg(fg)(a)=f(g(a))(fg)(a)=f(g(a))

映射复合满足结合律:f:SSf:S''\to S'''g:SSg:S'\to S''h:SSh:S\to S',则 f(gh)=(fg)hf(gh)=(fg)h

  • ff 有右逆等价于 ff 为满射。即 f:STf:S\to T 为满射     g:TS\iff \exists g:T\to S s. t. fg=1Tfg = 1_T。(严格叙述需要选择公理)
  • ff 有左逆等价于 ff 为单射。即 f:STf:S\to T 为单射     g:TS\iff\exists g:T\to S s. t. gf=1Sgf = 1_S

ff 有左逆和右逆,则称 ff 可逆,左逆和右逆唯一且相同。ff 可逆等价于 ff 为双射

证明:必要性可以考虑证明 ff 为单射且 ff 为满射;充分性就直接从双射的定义出发。

必要性。设 f:STf: S\to T 可逆,则 f1:TS\exists f^{-1}:T\to S,且 ff1=1Tff^{-1} = 1_Tf1f=1Sf^{-1}f=1_SaT\forall a'\in T,有 f1(a)Sf^{-1}(a')\in S,且 f(f1(a))=(ff1)(a)=a=1T(a)=af(f^{-1}(a')) = (ff^{-1})(a')=a'=1_T(a')=a',故 aa'ff 下总有一个原像 f1(a)f^{-1}(a'),故 ff 为满射。

a1,a2S\forall a_1,a_2\in S,若 f(a1)=f(a2)f(a_1)=f(a_2),则 f1(f(a1))=f1(f(a2))f^{-1}(f(a_1))=f^{-1}(f(a_2)),即 1S(a1)=1S(a2)1_S(a_1)=1_S(a_2),故 a1=a2a_1=a_2,故 ff 为单射。从而 ff 为双射。

充分性。由 ff 为双射,aT\forall a'\in T,其在 SS 下有唯一原像 aa,此时 f(a)=af(a)=a'。令

g:TSaa\begin{aligned} g:T&\to S \\ a'&\mapsto a \end{aligned}

(fg)(a)=f(g(a))=f(a)=a(fg)(a') = f(g(a')) = f(a) = a',即 fg=1Tfg = 1_T。且 aS\forall a\in Sg(f(a))=ag(f(a))=a,即 gf=1Sgf = 1_S。故 ff 可逆。

线性映射

A:KnKm\mathcal{A}: K^n\to K^m,若 A\mathcal{A} 满足

  • α,βKn\forall \alpha,\beta \in K^n,有 A(α+β)=A(α)+A(β)\mathcal{A}(\alpha+\beta)=\mathcal{A}(\alpha)+\mathcal{A}(\beta)
  • αKn,kK\forall \alpha\in K^n,k\in K,有 A(ka)=kA(a)\mathcal{A}(ka)=k \mathcal{A}(a)

则称 A\mathcal{A} 为线性映射。m=nm=n 时称为 KnK^n 上的线性变换。

线性映射可以保持向量组的线性相关性。例如:

  • A(0)=0\mathcal{A}(\boldsymbol{0}) = \boldsymbol{0}
  • A(k1α1++ksαs)=k1A(α1)++ksA(αs)\mathcal{A}(k_1\alpha_1+ \cdots +k_s\alpha_s) = k_1 \mathcal{A}(\alpha_1) + \cdots + k_s \mathcal{A}(\alpha_s)
  • α1,,αs\alpha_1, \cdots ,\alpha_s 线性相关,则 A(α1),,A(αs)\mathcal{A}(\alpha_1), \cdots ,\mathcal{A}(\alpha_s) 也线性相关。
  • 反之一般不成立(理解:线性映射是秩不升的)

基底的像确定线性映射:若 α1,,αn\alpha_1, \cdots ,\alpha_nKnK^n 的一组基,在 KmK^m 中指定任意 nn 个向量 β1,,βn\beta_1, \cdots ,\beta_n,则存在唯一的线性映射 A:KnKm\mathcal{A}:K^n\to K^m s. t. 1in\forall 1\le i\le nA(αi)=βi\mathcal{A}(\alpha_i) = \beta_i

如何理解?考虑 KnK^n 中每一个元素都可以写成 k1α1+k2α2++knαnk_1\alpha_1+k_2\alpha_2+ \cdots +k_n\alpha_n 的形式,我们定义线性映射

A:KnKmk1α1++knαnk1β1++knβn\begin{aligned} \mathcal{A}: K^n&\longrightarrow K^m\\ k_1\alpha_1+ \cdots +k_n\alpha_n &\longmapsto k_1\beta_1+ \cdots +k_n\beta_n\\ \end{aligned}

其中 k1,knKk_1, \cdots k_n\in K。容易证明其为线性映射。存在性证毕。

唯一性也是显然的。根据我们如上的定义,对于 αKn\forall \alpha\in K^n,其都能被唯一写成 k1α1++knαnk_1\alpha_1+ \cdots +k_n\alpha_n 的形式,由线性映射的性质,A\mathcal{A} 若存在则一定唯一。

两个子空间

  • 像空间:不难验证 ImA\operatorname{Im} \mathcal{A}KmK^m 的子空间。称为 A\mathcal{A} 的像空间。
  • 核空间:KerA:={αKnAα=0}\operatorname{Ker} \mathcal{A} := \left\{ \alpha\in K^n \mid \mathcal{A} \alpha = 0 \right\}KnK^n 的子空间(同样不难验证),称为 A\mathcal{A} 的核空间。

两个基本事实。设 AMm×n(K)A\in M_{m\times n}(K),令

A:KnKmαAα\begin{aligned} \mathcal{A}:K^n&\longrightarrow K^m \\ \alpha&\longmapsto A\alpha \end{aligned}

不难发现 A\mathcal{A} 为线性映射。

  • AA 的列向量组为 α1,,αn\alpha_1, \cdots ,\alpha_n,则 ImA=C(A)\operatorname{Im} \mathcal{A} = \mathcal{C}(A)
  • KerA=N(A)\operatorname{Ker} \mathcal{A} = \mathcal{N}(A)

所以 dim(KerA)+dim(ImA)=n\operatorname{dim}(\operatorname{Ker} \mathcal{A}) + \operatorname{dim}(\operatorname{Im} \mathcal{A}) = n


线代 A1 笔记 第 13 部分(线性映射)
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Author
YangTY
Posted on
November 28, 2023
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