Last updated on November 28, 2023 4:03 PM
映射
具体的概念略,比如从 S 到 T 的映射 f:S→T,α 映射到 β 的话就是 α↦β。
S 是定义域,T 是陪域。β 称为 α 的像,α 被称为 β 的一个原像。f 的像集记作 Imf 或 f(S),又称值域。
注意值域与陪域的区别。Imf⊆T。
- 单射:∀x1,x2∈S,若 x1=x2 则一定有 f(x1)=f(x2)。
- 满射:f(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 1S。1Tf=f1S。
映射的乘法/合成:f:S′→S′′,g:S→S′,(要求内层映射的陪域为外层映射的定义域),定义复合 fg。(fg)(a)=f(g(a))。
映射复合满足结合律:f:S′′→S′′′,g:S′→S′′,h:S→S′,则 f(gh)=(fg)h
- f 有右逆等价于 f 为满射。即 f:S→T 为满射 ⟺∃g:T→S s. t. fg=1T。(严格叙述需要选择公理)
- f 有左逆等价于 f 为单射。即 f:S→T 为单射 ⟺∃g:T→S s. t. gf=1S。
若 f 有左逆和右逆,则称 f 可逆,左逆和右逆唯一且相同。f 可逆等价于 f 为双射。
证明:必要性可以考虑证明 f 为单射且 f 为满射;充分性就直接从双射的定义出发。
必要性。设 f:S→T 可逆,则 ∃f−1:T→S,且 ff−1=1T,f−1f=1S。∀a′∈T,有 f−1(a′)∈S,且 f(f−1(a′))=(ff−1)(a′)=a′=1T(a′)=a′,故 a′ 在 f 下总有一个原像 f−1(a′),故 f 为满射。
∀a1,a2∈S,若 f(a1)=f(a2),则 f−1(f(a1))=f−1(f(a2)),即 1S(a1)=1S(a2),故 a1=a2,故 f 为单射。从而 f 为双射。
充分性。由 f 为双射,∀a′∈T,其在 S 下有唯一原像 a,此时 f(a)=a′。令
g:Ta′→S↦a
则 (fg)(a′)=f(g(a′))=f(a)=a′,即 fg=1T。且 ∀a∈S,g(f(a))=a,即 gf=1S。故 f 可逆。
线性映射
设 A:Kn→Km,若 A 满足
- ∀α,β∈Kn,有 A(α+β)=A(α)+A(β)
- ∀α∈Kn,k∈K,有 A(ka)=kA(a)
则称 A 为线性映射。m=n 时称为 Kn 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
- A(k1α1+⋯+ksαs)=k1A(α1)+⋯+ksA(αs)。
- 若 α1,⋯,αs 线性相关,则 A(α1),⋯,A(αs) 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 为 Kn 的一组基,在 Km 中指定任意 n 个向量 β1,⋯,βn,则存在唯一的线性映射 A:Kn→Km s. t. ∀1≤i≤n 有 A(αi)=βi。
如何理解?考虑 Kn 中每一个元素都可以写成 k1α1+k2α2+⋯+knαn 的形式,我们定义线性映射
A:Knk1α1+⋯+knαn⟶Km⟼k1β1+⋯+knβn
其中 k1,⋯kn∈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 ∀α∈Kn,其都能被唯一写成 k1α1+⋯+knαn 的形式,由线性映射的性质,A 若存在则一定唯一。
两个子空间
- 像空间:不难验证 ImA 为 Km 的子空间。称为 A 的像空间。
- 核空间:KerA:={α∈Kn∣Aα=0} 为 Kn 的子空间(同样不难验证),称为 A 的核空间。
两个基本事实。设 A∈Mm×n(K),令
A:Knα⟶Km⟼Aα
不难发现 A 为线性映射。
- 设 A 的列向量组为 α1,⋯,αn,则 ImA=C(A)。
- KerA=N(A)。
所以 dim(KerA)+dim(ImA)=n。