§ 7.2. Связь между координатами вектора — образа и вектора — прообраза. Ядро и образ линейного оператора
Линейный оператор
, действующий из пространства
в пространство
, ставит в соответствие каждому вектору
определенный вектор
из
. При этом вектор
называется образом вектора
, а вектор
— прообразом вектора
при отображении
.
Пусть
и
— некоторые базисы линейных пространств
и
соответственно. Тогда
,
и координаты вектора — образа
связаны с координатами вектора — прообраза
соотношением
, (7.2.1)
в котором
— матрица линейного оператора
в паре базисов
и
.
В случае, когда пространства
и
совпадают, базисы
и
также совпадают, и формула (7.2.1) принимает вид
. (7.2.2)
Образом (областью значений) линейного оператора
называется множество всех элементов
вида
. Образ линейного оператора является подпространством пространства
и обозначается
. Размерность образа называется рангом оператора и обозначается
.
Ядром линейного оператора
называется множество всех векторов пространства
, которые переводятся оператором
в нулевой вектор пространства
. Ядро линейного оператора является подпространством пространства
и обозначается
. Размерность ядра называется дефектом оператора и обозначается
.
Сумма ранга и дефекта оператора
равна размерности пространства
.
Ранг линейного оператора равен рангу матрицы этого оператора.
Базис системы векторов — столбцов матрицы линейного оператора
образует систему координатных столбцов базиса образа
. Базис подпространства решений однородной системы линейных алгебраических уравнений с матрицей оператора
образует базис ядра
.
Пример 1. Из пространства
с базисом
в пространство
с базисом
действует линейный оператор
, имеющий в данной паре базисов матрицу
. Найдите столбец координат в базисе
образа вектора
и столбец координат в базисе
прообраза вектора
.
Решение. Столбец координат образа вектора
в базисе
находим непосредственно по формуле (7.2.1):
.
Для определения прообраза вектора
по той же формуле (7.2.1) имеем
,
или, что то же самое,

Отсюда находим все прообразы
вектора
, где
— свободная переменная, принимающая произвольные значения.
Пример 2. В пространстве
с базисом
линейный оператор
переводит векторы
,
в векторы
,
соответственно. Найдите матрицу оператора
в базисе
.
Решение. Пусть
— матрица оператора
в базисе
. Тогда из условий
,
по формуле (7.2.2) имеем
, 
или, в подробной записи,

Отсюда получаем
Следовательно,
.
Пример 3. Найдите базис ядра и базис образа линейного оператора пространства
, если этот оператор задан матрицей
.
Решение. При помощи элементарных преобразований над строками матрицы
приведём её к ступенчатому виду:
.
Отсюда следует, что
. Базис
составляют, например, векторы
и
.
Дефект оператора найдём по формуле
,
т.е. фундаментальная система решений однородной системы линейных алгебраических уравнений с матрицей
будет состоять из одного вектора. Общее решение однородной системы можно записать в виде
. Полагая
получаем базисный вектор
.
7.2.1. Линейный оператор
переводит вектор
в вектор
. Найдите образ вектора
и прообраз вектора
, если

,
,
;

,
,
;

,
,
.
7.2.2. Линейный оператор
в паре базисов
и
имеет матрицу
. Найдите прообраз вектора
, если

,
;
б)
,
;
в)
,
.
7.2.3. Выясните, существует ли линейный оператор двумерного пространства, переводящий векторы
,
соответственно в векторы
,
, и найдите матрицу этого оператора в базисе
,
:
а) 
б) 
в) 
7.2.4. Выясните, существует ли линейный оператор трехмерного пространства, переводящий векторы
,
,
соответственно в векторы
,
,
, и найдите матрицу этого оператора в том же базисе, в котором даны координаты всех векторов:
а) 
б) 
7.2.5. Для указанных линейных операторов пространства
найдите дефект и ранг, а также постройте базисы ядра и образа. Каждый оператор описывается своим действием на произвольный вектор
:
а) 
б) 
в) 
7.2.6. Найдите образ и ядро оператора дифференцирования в пространстве
.
7.2.7. В пространстве
рассмотрите разностный оператор 

где
— фиксированное число, отличное от нуля. Найдите его образ и ядро.
7.2.8. Найдите образ и ядро оператора проектирования (см. задачу 7.1.2) на
параллельно
и оператора отражения (см. задачу 7.1.3) в
параллельно
.
7.2.9. Найдите базис ядра и базис образа линейного оператора из
, заданного в некотором базисе матрицей
:
а)
; б)
; в)
.
7.2.10. Найдите размерность линейного пространства
всех линейных операторов, действующих в
— мерном линейном пространстве
и постройте базис пространства
.
6.4.1. Как записать оператор в матричной форме?
На этот счёт существует общее правило: чтобы записать матрицу линейного преобразования в -мерном базисе нужно последовательно и строго по порядку применять данный оператор к базисным векторам, а результаты заносить в столбцы матрицы (слева направо).
Наш школьный случай элементарен: сначала применим линейное преобразование к первому базисному вектору: и запишем результат в 1-й столбец: . Затем «обрабатываем» 2-й орт: и заносим полученные координаты во 2-й столбец:
– матрица линейного преобразования в базисе .
Само же преобразование можно записать в виде функции .
! Не путаем обозначения: прямая буква – оператор, косая буква – матрица, не сильно это удачно, но практически общепринято в литературе.
Протестируем функцию на векторе – выполним матричное умножение:
– в результате «на выходе» получены координаты вектора , что и требовалось проверить.
Помимо векторов, оператор можно применить к любой точке плоскости. Для этого только нужно задать начало координат, получив тем самым декартову систему .
Поскольку любая точка плоскости однозначно определяется её радиус-вектором , то функция , по сути, применИма и для координат точек. Далее для простоты будем говорить и писАть, что, например, точка
– перешла в точку .
И, наверное, Вы уже поняли, что делает этот оператор. Мысленно представьте произвольный треугольник на плоскости. После применения рассматриваемого линейного преобразования данный треугольник увеличится в два раза. Такие треугольники (имеющие равные соответствующие углы), как многие помнят из школы, называются подобными. Да и сам оператор носит такое же название:
Линейное преобразование называется преобразованием подобия или гомотетией, причём:
– если , то речь идёт об однородном растяжении (увеличении) объектов плоскости в раз;
– если – то о сжатии (уменьшении) в раз;
– если , то преобразование тождественно (ничего не меняет)
– и если , то имеет место вырожденное преобразование.
В том случае, если меньше нуля, то дополнительно к растяжению /сжатию / неизменности векторы меняют направление, а точки отображаются симметрично относительно начала координат.
Рассмотрим ещё несколько популярных примеров в системе , и, чтобы разнообразить серые геометрические будни, мысленно нарисуем на координатной плоскости собачку. Можно и не мысленно! …Представили? Нарисовали? Отлично!
Преобразование растягивает объекты плоскости по направлению вектора (горизонтали) в 2 раза, после чего Тузик радует нас своей широкой-широкой улыбкой! …Хотя, у многих, наверное, не Тузик…, да и не факт, что с улыбкой. Как сказал поэт, у каждого в голове своя морда =)
И в самом деле, преобразуем точку :
– «иксовая» координата увеличилась в 2 раза, а «игрековая» – не изменилась.
Преобразование сожмёт собаку по горизонтали в 3 раза. Желающие могут по ходу объяснений приготовить мясорубку тестировать различные точки, выполняя матричное умножение, тут оно устное.
Преобразование вытянет все ненулевые объекты плоскости по направлению вектора (по вертикали) в полтора раза. Получится очень удивлённый пёс.
Дополнительные знаки «минус» приведут к зеркальному отображению объектов (относительно оси ординат либо начала координат). И здесь я хочу остановиться на одном очень важном случае: преобразование сохранит размеры, но отобразит все объекты плоскости симметрично относительно оси , частности, вектор перейдёт в вектор и базис отобразится в другой, тоже ортонормированный базис : 
Это преобразование называют осевой или зеркальной симметрией. Такая симметрия характерна тем, что меняет ориентацию плоскости. Это проявляется в том, что как ни двигай по плоскости собачек – совместить их не удастся.
Ориентация бывает левой и правой. Вытяните перед собой обе руки ладонями вверх, так, чтобы большие пальцы смотрели в стороны под углом 90 градусов. При этом ваша правая рука моделирует правосторонний базис , где вектор смотрит в направлении большого пальца, а – в направлении указательного. Соответственно, левая рука аналогично моделирует левый базис и левостороннюю ориентацию плоскости
Впрочем, оставим хлеб для геометрии, и вернёмся теме. Нетрудно догадаться, что преобразование отобразит все объекты вниз – симметрично относительно оси («отражение в реке»).
Смотрим дальше:
– образно говоря, «челюсть налево, уши направо». Это преобразование называется перекосом или сдвигом плоскости в направлении вектора (в данном случае).
И очевидна матрица вертикального сдвига – в направлении вектора .
Повороты:
– данное преобразование поворачивает векторы системы против часовой стрелки на угол .
И, наконец, все эти метаморфозы венчает общий случай . Это преобразование переводит единичный квадрат с вершинами в параллелограмм с вершинами . И, разумеется, весь «рисунок» плоскости (вместе с квадратом) вытягивается в пропорциях этого параллелограмма.
! На всякий пожарный напомню, что координаты новых точек получаем по формуле , где – координаты исходных.
Так, преобразование переводит единичный квадрат с синими вершинами (см. ниже) в зелёный параллелограмм с вершинами : 
При этом координатный вектор , отображается в вектор , а вектор – в вектор . ПосмотрИте на координаты полученных векторов и на числа матрицы преобразования 😉
Нетрудно понять, что масштабируется и площадь – была площадь квадрата , равная единице, а стала – площадь параллелограмма . Причём, площадь этого параллелограмма по модулю в точности равна определителю матрицы преобразования. В нашем случае:
Если же определитель отрицателен, то такое преобразование не только искажает объекты плоскости (в общем случае), но и выполняет их отражение (меняет ориентацию). Так, для преобразования получаем вроде бы тот же параллелограмм…, да не тот! Самостоятельно проанализируйте, куда отображаются точки , и вы поймёте, что помимо искажения (в таких же пропорциях, что и первое преобразование), выполняется ещё и отражение Тузика «наоборот». О чём говорит знак определителя: .
И теперь самое время прояснить геометрический смысл определителя. Определитель «два на два» по модулю: – есть площадь параллелограмма, построенного на векторах (см. рис. выше). Определитель «3 на 3» по модулю – есть объём параллелепипеда, построенного на векторах , (см. смешанное произведение векторов). И для бОльших размеров (4 на 4 и выше) можно говорить об объеме абстрактного n-мерного параллелепипеда.
Если определитель матрицы преобразования равен нулю , то оно является вырожденным. Так, вырождено тривиальное нулевое преобразование, которое отображает все векторы в нулевой вектор. Это преобразование имеет нулевую матрицу, для двумерного случая: . Или, например, оператор , переводящий векторы в коллинеарные друг другу векторы .
Эффект вырожденного преобразования состоит в потере информации, и, как следствие, невозможности осуществления обратного преобразования. Так, если нам предъявить готовый результат из последнего примера, то невозможно выяснить, какой именно вектор подвергся преобразованию.
Типичное вырожденное преобразование – это проецирование. Говоря проще, если вы видите тень в форме круга, то далеко не факт, что её отбрасывает шар. Это может быть эллипсоид, цилиндр, зонтик – много какие объекты. Но то уже пример из пространства.
И следующее утверждение давно читалось «между строк»: любое линейное преобразование n-мерного векторного пространства можно записать в виде квадратной матрицы размером – в некотором фиксированном базисе этого пространства.
Верно и обратное: любой квадратной матрице соответствует определённое линейное преобразование этого пространства, записанное в базисе .
В частности, любое преобразование плоскости можно записать в виде матрицы в базисе , и обратно – любой матрице «два на два» соответствует определённое преобразование плоскости, записанное в этом базисе.
Эти факты хоть и очевидны, но строго доказаны в теории.
Переходим к практическим задачам:
Пример 131
Линейный оператор задан матрицей . Найти образ вектора . Используя обратное преобразование, выполнить проверку.
Но прежде, инструктаж перед полётом.
Во-первых, не вкладываем в векторы и в само преобразование никакой смысл: ни геометрический, ни химический, ни алхимический – никакой. Коль скоро об этом не сказано в условии. Никаких базисов. «Не болтаем» и оформляем решение абстрактно.
Во-вторых, вспоминаем терминологию: образ – это то, что получается в результате преобразования, а прообраз – это исходный объект, вектор в нашем случае.
Решение: найдём вектор , полученный в результате преобразования вектора . Это мы уже неоднократно делали выше:
Таким образом, это линейное преобразование перевело вектор (прообраз) в вектор (образ).
Теперь найдём обратное преобразование, которое превращает образы векторов – обратно в их прообразы. Оно существует лишь в том случае, если прямое преобразование не вырождено. Проверяем этот факт: , значит, преобразование не вырождено и обратное преобразование осуществимо.
Запишем матричную функцию в виде , где – координатный столбец прообразов, а – образов. Этой функцией мы только что воспользовались для нахождения вектора . Но теперь нам нужно выразить прообраз. Чтобы выразить , умножим обе части на обратную матрицу слева:
, откуда следует, что
Таким образом, обратному линейному преобразованию соответствует обратная матрица . Осталось её найти. Это можно сделать «традиционным» способом либо с помощью элементарных преобразований. Здесь я рекомендую первый путь, поскольку он позволяет сразу выяснить, а существует ли матрица вообще. Тем более, это мы уже сделали: , значит, обратное линейное преобразование существует и задаётся матрицей .
Здесь и далее я не буду подробно расписывать процесс нахождения обратной матрицы, ограничиваясь готовым результатом. Итак, в результате стандартных действий находим и выясняем, во что обратится найденный вектор :
– получены координаты исходного вектора (прообраза), что и требовалось проверить.
Ответ:
Небольшая задачка для разминки:
Пример 132
В результате применения оператора, заданного матрицей , получены образы . Найти прообразы данных векторов.
Сверяемся и повышаем размерность:
Пример 133
Даны два линейных преобразования:
Средствами матричного исчисления найти преобразование, выражающее через .
…Спокойно, спокойно, сейчас во всём разберёмся…
Решение: и первое, что здесь опять можно сказать – это отсутствие информации о характере векторов . Понятно только, что они заданы в некотором базисе трёхмерного векторого пространства, ибо матрица линейного преобразования (замаскированная в виде системы) порождается базисом. Он нам тоже не известен, но для решения задачи эта информация и не нужна.
Тем не менее, для пущего понимания вновь обратимся к геометрии и предположим, что все дела происходят в обычной декартовой системе координат . И, чтобы не прослыть живодёром, я рассмотрю 3D-модель кота Леопольда =)
Запишем матрицу первого преобразования: . Данное преобразование переводит векторы в образы . Систему, кстати, удобнее переписать в виде уже знакомой матричной функции:
или, если короче: .
Данный оператор определённым образом преобразует все векторы (а значит и точки) пространства. Геометрически это означает, что кот Леопольд, оказывается, например, сплющенным (не знаю, не проверял).
Теперь ОЧЕНЬ ВНИМАТЕЛЬНО записываем матрицу второго преобразования: (здесь существует немалый риск поставить ноль не там где нужно). Данное преобразование переводит векторы в образы , в результате чего «сплющенный кот», скажем, растягивается вдоль какой-нибудь плоскости.
Аналогично – запишем преобразование в матричной форме:
или:
По условию, нужно найти преобразование, выражающее через , то есть результирующее преобразование (композицию), которое нам сразу даст «сплющенного и растянутого Леопольда». Для этого подставим в уравнение :
И всё оказывается до безобразия просто – главное, матрицы перемножить в правильном порядке. Вычислим матрицу композиционного преобразования:
распишем итоговую функцию :
и осуществим матричное умножение в правой части:
Две матрицы равны, если равны их соответствующие элементы. Таким образом, итоговое преобразование, выражающее координаты векторов-образов через координаты векторов-прообразов, запишется в виде следующей системы:
Проверка: подставим уравнения , левой системы (см. условие) в правую часть каждого уравнения правой системы:
что и требовалось проверить.
«Проверочный» способ, кстати, можно было бы рискнуть взять и за основой, если бы итоговое преобразование не требовалось найти средствами матричного исчисления.
Да, и не забываем записать
ответ:
Как пользоваться этой системой? Очень просто – берём, например, вектор и тупо подставляем его координаты в систему:
– таким образом, он перешёл в вектор .
Более академичный способ – использование матричного уравнения :
Если преобразования, заданные матрицами , , не вырождены (не проверял), то «кота можно ввернуть к первоначальному виду». Для этого нужно найти обратную матрицу результирующего преобразования и воспользоваться функцией .
Творческое задание для самостоятельного исследования:
Пример 134
Даны линейные преобразования:
Найти образ вектора двумя способами:
1) путём последовательного применения преобразований и ;
2) с помощью композиционного оператора, выражающего через .
Был велик соблазн вас запутать, но всё же я воздержался. Однако на практике нужно иметь в виду следующее:
– системы запросто могут быть переставлены местами;
– условие задачи может требовать выразить через и тогда потребуется дополнительно находить обратную матрицу результирующего преобразования.
В этой связи очень важно РАЗОБРАТЬСЯ в сути задания, и если что-то осталось недопонятым, обязательно перечитайте объяснения ещё раз, можно даже порисовать.
Да, и стиль напомню: прямые буквы – операторы, косые – матрицы.
Ядро и образ линейного отображения
2. Рассмотрим отображение , которое ставит в соответствие каждому вектору относительно заданного базиса . Ядром этого отображения является нулевой вектор пространства . Образ преобразования , так как это преобразование сюръективно (любой столбец из является координатным столбцом некоторого вектора пространства , которое каждому вектору его проекции на направление, задаваемое единичным вектором — множество векторов, ортогональных , которое каждому многочлену степени не выше ставит в соответствие его производную. Ядром этого отображения является множество многочленов нулевой степени, а образом — все пространство .
Свойства ядра и образа линейного отображения
1. Ядро любого линейного отображения .
В соответствии с определением требуется доказать, что множество
т.е. нулевой вектор отображается в нулевой вектор . Следовательно, ядро любого линейного отображения не является пустым и содержит, по крайней мере, нулевой элемент: . Покажем, что множество
Следовательно, множество 2. Образ любого линейного отображения . Тогда , то есть Дефектом линейного отображения называется размерность его ядра: рангом линейного отображения — размерность его образа: .
3. Ранг линейного отображения равен рангу его матрицы (определенной относительно любых базисов).
В самом деле, если любой базис пространства . Поэтому максимальное число линейно независимых векторов системы (ранг системы векторов) равно максимальному числу линейно независимых столбцов матрицы .
4. Линейное отображение , другими словами, когда дефект отображения равен нулю: служит нулевой вектор . Поэтому, если отображение инъективно, то ядро содержит только нулевой вектор , иначе два разных вектора имели бы один и тот же образ . Обратно, при условии разные векторы не могут иметь одинаковые образы , так как в этом случае из равенств , следует, что ненулевой вектор (приходим к противоречию).
5. Линейное отображение , другими словами, когда ранг отображения равен размерности пространства образов: .
6. Линейное отображение и одновременно.
Теорема (9.1) о размерностях ядра и образа. Сумма размерностей ядра и образа любого линейного отображения
Действительно, пусть . Выберем в подпространстве и дополним его векторами до базиса всего пространства образуют базис подпространства , так как образ любого вектора линейно выражается через векторы
Во-вторых, образующие линейно независимы. Если их линейная комбинация равна нулевому вектору:
то вектор принадлежит ядру (его образ — нулевой вектор). Однако, по построению этот вектор принадлежит алгебраическому дополнению . Учитывая, что , заключаем: . Получили разложение нулевого вектора по линейно независимой системе векторов, значит, все коэффициенты . Поэтому равенство справедливо только для тривиальной линейной комбинации, т.е. система векторов линейно независимая.
Таким образом, векторы образуют базис подпространства , а его размерность определяется количеством базисных векторов, т.е. Следствие. Линейное отображение
Тогда по теореме 9.1 заключаем, что , что и требовалось доказать.
Обратимые линейные отображения называются также невырожденными (имея в виду невырожденность их матрицы).
База решенных примеров по высшей математике
Дана матрица линейного оператора. Найдены его образ и ядро, собственные числа и собственные векторы.
- Печать





1. Дана матрица линейного оператора. Найти его образ и ядро, собственные числа и собственные векторы.
.
Решение.
Множество
всех векторов
называется образом оператора A.
То есть
в том и только том случае, когда найдется вектор $x\in R^3$ такой, что $y=Ax$ или, в координатной записи,

Найдем ядро оператора.
Определение. Ядром (или нуль-пространством) линейного оператора
называется множество всех элементов из V , которые отображаются линейным оператором A в нулевой вектор. Ядро оператора A обозначается ker A. 
В соответствии с определением ядра



Итак, ядром оператора A является точка 

Найдем собственные вектора заданного линейного оператора.
Число
есть собственное число оператора
в том и только том случае, когда
. Запишем характеристическое уравнение:

Решая его, имеем

Таким образом, получаем собственные числа оператора:

Для каждого из полученных собственных значений найдем собственные векторы.
Их можно найти их системы
.
А)

Решим однородную систему уравнений.

Матрица коэффициентов
имеет ранг 1. Выберем в качестве базисного минора
Тогда, полагая
, имеем

Таким образом, общее решение системы
.
Из общего решения находим фундаментальную систему решений:
.
С использованием фундаментальной системы решений, общее решение может быть записано в виде
.
Б)

Решим однородную систему уравнений.

Матрица коэффициентов
имеет ранг 1. Выберем в качестве базисного минора
Тогда, полагая
имеем 
Таким образом, общее решение системы
.
Из общего решения находим фундаментальную систему решений:
.
С использованием фундаментальной системы решений, общее решение может быть записано в виде
.
Ответ:

Собственные числа оператора: 
Собственные векторы:
;
.