14. Przestrzenie liniowe II#

14.1. Liniowa niezależność#

Narration

Niech \(v_1, v_2, \ldots, v_n\) będą wektorami w przestrzeni liniowej \(V\) nad ciałem \(\kk .\)

Definicja 14.1

Liniowo niezależnym (w skrócie LN) nazywamy układ wektorów \((v_1, v_2, \ldots , v_n)\) (w przestrzeni liniowej \(V\)), dla którego zachodzi warunek

\[\begin{aligned} \forall \alpha_1,\alpha_2, \ldots,\alpha_n \in \kk\quad \alpha_1 v_1 + \alpha_2 v_2 + \ldots + \alpha_n v_n = \oo \Rightarrow \alpha_1 = \alpha_2 = \ldots = \alpha_n = 0. \end{aligned}\]

Liniowo zależnym (LZ) nazywamy układ \((v_1, v_2, \ldots , v_n)\), który nie jest liniowo niezależny.

Przykład 14.1

Niech \(V\) będzie przestrzenią liniową nad ciałem \(\kk .\)

  1. Jeśli w układzie wektorów \(\uu A = (v_1, v_2, \ldots, v_n)\) występuje wektor \(\oo\), to \(\uu A\) jest on LZ.

    Istotnie, jeśli na przykład \(v_k = \oo\) (dla pewnego \(1\leq k \leq n\)), to

    \[\begin{aligned} 0\cdot v_1 + \ldots 0\cdot v_{k-1} + 1\cdot \oo + 0\cdot v_{k+1} + \ldots + 0\cdot v_n = \oo. \end{aligned}\]
  2. Każdy podukład układu liniowo niezależnego jest LN.

  3. Układ pusty \(\emptyset\) jest LN.

  4. Jeśli \(v\in V\), to układ \((v)\) jest LN \(\qlq v \neq \oo .\)

  5. Jeśli \(u,v\in V\), to układ \((u,v)\) jest LZ \(\qlq \Exists {\alpha\in\kk} u = \alpha\cdot v \, \vee v = \alpha\cdot u.\)

  6. Ogólnie dla układu \(n\in\nn_2\) wektorów mamy następującą zależność:

    układ \((v_1, v_2, \ldots , v_n)\) w przestrzeni liniowa \(V\) jest LN

    wtedy i tylko wtedy, gdy

    \[\begin{aligned} v_1 \neq \oo \qquad \text{oraz} \qquad \forall k\in \Set{1,\ldots, n-1} \quad v_{k+1} \notin \Lin (v_1,\ldots,v_k). \end{aligned}\]
  7. GEOGEBRA3D

    Wykorzystując powyższe fakty i korzystając z wykresu 3D, możemy wywnioskować, że:

    • \(\uu A_1 = ((1,1,1))\) jest układem LN

    • \(\uu A_2 = ((1,1,1), (-2,-2,-2))\) jest układem LZ

    • \(\uu A_3 = ((1,1,1), (-2,1,0))\) jest układem LN

    • \(\uu A_4 = ((1,1,1), (-2,1,0), (10,-2,2))\) jest układem LZ

    • \(\uu A_5 = ((1,1,1), (-2,1,0), (10,2,2))\) jest układem LN .

Ćwiczenie 14.1

Czy układ \(\uu A\) jest liniowo niezależny w \(\rr^3\) dla:

  1. \(\uu A = ((1,2,0), (0,1,2), (1,1,-2))\)

  2. \(\uu A = ((1,2,0), (1,1,2), (1,1,-2))\)?

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 12.8, Ćw. 12.12.

Stwierdzenie 14.1

Układ wektorów w przestrzeni \(V\) jest liniowo zależny wtedy i tylko wtedy, gdy jeden z wektorów układu jest kombinacją liniową pozostałych.

Przykład 14.2

Dowiedliśmy, że \(\uu A = ((1,2,0), (0,1,2), (1,1,-2))\) jest LZ , więc jeden z wektorów jest kombinacją liniową pozostałych. W istocie, rozwiązanie z ostatniego ćwiczenia wskazuje nam zależność:

\[\begin{aligned} t_1 (1,2,0) - t_1 (0,1,2) - t_1 (1,1,-2) = \oo \quad \text{dla } t_1 \in \rr . \end{aligned}\]

Biorąc \(t_1 = 1\) otrzymamy

\[\begin{aligned} (1,2,0) & = (0,1,2) + (1,1,-2), \end{aligned}\]

zaś dla \(t_1 = -1\) otrzymamy:

\[\begin{aligned} (0,1,2) & = (1,2,0) - (1,1,-2), & (1,1,-2) & = (1,2,0) - (0,1,2). \end{aligned}\]

14.2. Baza i wymiar#

Narration

Niech \(v_1, v_2, \ldots, v_n\) będą wektorami w przestrzeni liniowej \(V\) nad ciałem \(\kk .\)

Definicja 14.2

Bazą przestrzeni \(V\) nazywamy układ \((v_1, \ldots,v_n)\) wektorów z przestrzeni \(V\), jeśli:

  • układ \((v_1, \ldots,v_n)\) jest LN

  • \(\Lin (v_1, \ldots,v_n) = V\) (mówimy, że układ \((v_1, \ldots,v_n)\) rozpina przestrzeń \(V\)).

Przyjmujemy dodatkowo, że bazą przestrzeni zerowej jest układ pusty.

Przykład 14.3

GEOGEBRA3D Wykorzystując dotychczasowe rozważania (z pomocą wykresu 3D) można pokazać, że:

  1. \(\uu A_2 = ((1,1,1), (-2,-2,-2))\) nie jest bazą w przestrzeni \(\rr^3\)

  2. \(\uu A_3 = ((1,1,1), (-2,1,0))\) nie jest bazą w przestrzeni \(\rr^3\)

  3. \(\uu A_4 = ((1,1,1), (-2,1,0), (10,-2,2))\) nie jest bazą w przestrzeni \(\rr^3\)

  4. \(\uu A_5 = ((1,1,1), (-2,1,0), (10,2,2))\) jest bazą w przestrzeni \(\rr^3\)

  5. \(\uu A_6 = ((1,1,1), (-2,1,0), (10,2,2), (-1,2-3))\) nie jest bazą w przestrzeni \(\rr^3 .\)

Twierdzenie 14.2

Jeśli układy \((v_1, \ldots, v_n)\) oraz \((w_1, \ldots , w_m)\) są bazami przestrzeni \(V\), to \(n = m .\)

Definicja 14.3

Skończenie wymiarową nazywamy przestrzeń liniową mającą skończoną bazę.

W takim przypadku wymiar przestrzeni \(V\) definiujemy jako liczbę elementów bazy przestrzeni \(V\) i oznaczamy symbolem

\[\dim_\kk V \qquad \text{lub} \qquad \dim V.\]

Nieskończenie wymiarową nazywamy niezerową przestrzeń liniową, jeśli żaden skończony układ wektorów tej przestrzeni jej nie rozpina.

Twierdzenie 14.3

Niech \(V\) będzie niezerową p. liniową. Następujące warunki są równoważne:

  1. Układ \((v_1, \ldots, v_n)\) jest bazą przestrzeni \(V .\)

  2. Układ \((v_1, \ldots, v_n)\) jest liniowo niezależny i \(\dim V = n .\)

  3. \(\Lin(v_1, \ldots, v_n) = V\) i \(\dim V = n .\)

  4. Układ \((v_1, \ldots, v_n)\) jest maksymalnym liniowo niezależnym układem w przestrzeni \(V .\)

Przykład 14.4

  1. Dla ustalonego \(n\in \nn\), podstawowym przykładem \(n\)-wymiarowej przestrzeni liniowej nad ciałem \(\kk\) jest \(V = \kk^n .\)

    Istotnie, niech 0 oraz 1 oznaczają odpowiednio zero oraz jedynkę ciała \(\kk .\)

    Bazą kanoniczną lub standardową w \(\kk^n\) nazywamy układ wektorów

    \[\St[n] = (\ee 1 = (1,0,\ldots,0), \ee 2 = (0,1,0,\ldots,0),\ldots, \ee n = (0,0,\ldots,1)).\]

    Nazwa jest adekwatna, bo łatwo sprawdzić, że układ ten jest bazą w \(\kk^n .\)

    Wersorami (wektorami jednostkowymi ) w \(\kk^n\) nazywamy elementy bazy kanonicznej.

  2. W przestrzeni liniowej \(\kk_n[t]\) nad ciałem \(\kk\), bazą kanoniczną (standardową ) jest układ

    \[ (t^n,t^{n-1},\ldots,t,1). \]

    Zatem \(\dim \kk_n[t] = n+1 .\)

  3. W przestrzeni liniowej \(\MSet{m}{n}{\kk}\) nad ciałem \(\kk\), bazą kanoniczną (standardową ) jest układ

    \[ (\EE {ij}: i\in \Set{1,\ldots, m}, j\in \Set{1,\ldots, n}), \]

    gdzie tablice macierzy \(\EE {ij}\) mają postać

    \[\begin{split} \begin{aligned} & \phantom{= \Macierz{0 & 0 & 0}} j \\ \EE{ij} &= \Macierz{ 0 & & \cdots & & 0 \\ & \ddots & 0 & \iddots & \\ \vdots & 0 & 1 & 0 & \vdots \\ & \iddots & 0 & \ddots & \\ 0 & & \cdots & & 0 } \; i \end{aligned} \end{split}\]

    Zatem \(\dim \MSet{m}{n}{\kk} = m\cdot n .\)

  4. W przestrzeni liniowej \(\kk[t]\) nad ciałem \(\kk\) nie istnieje skończony układ wektorów rozpinający całą przestrzeń.

    Jest to przestrzeń nieskończenie wymiarowa.

Ćwiczenie 14.2

Który z podanych układów jest bazą przestrzeni \(\rr^3\):

  1. \(\uu A_3 = ((1,1,1), (-2,1,0))\)

  2. \(\uu A_5 = ((1,1,1), (-2,1,0), (10,2,2))\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 12.8, Ćw. 12.12.

14.3. Układy równań liniowych#

Stwierdzenie 14.4

Niech \(\kk\) będzie ciałem i rozważmy \(\kk^n\) jako przestrzeń liniową nad \(\kk\) z wektorami o współrzędnych \(x_1,\ldots, x_n\) w bazie kanonicznej. Niech \(\Solutions{} \subseteq \kk^n .\) Następujące warunki są równoważne:

  1. \(\Solutions{}\) jest zbiorem rozwiązań jednorodnego układu równań liniowych ze zmiennymi \(x_1,\ldots, x_n.\)

  2. \(\Solutions{}\) jest podprzestrzenią liniową w \(\kk^n .\) Ponadto, jeśli \(A\in\MSet{m}{n}{\kk}\) jest macierzą współczynników jednorodnego układu \(\EqLin\), to

    \[\dim\Solutions{\EqLin} = n- \rank A,\]

    gdzie \(\Solutions{\EqLin}\) jest zbiorem rozwiązań układu \(\EqLin .\)

Wniosek 14.5

Niech \(\EqLin\) będzie jednorodnym układem \(m\in\nn\) równań liniowych z macierzą współczynników \(A\in\MSet{m}{n}{\kk} .\)

Jeśli \(\rank A = m\), to

\(\dim\Solutions{\EqLin} =\) (liczba zmiennych) \(-\) (liczba równań).

Przykład 14.5

Rozważmy przestrzeń liniową \(\kk^n .\)

  1. Podprzestrzeń zerowa \(V=\Set{\oo_n}\) jest zbiorem rozwiązań jednorodnego układu Cramera i

    \[\dim \Set{\oo_n} = n - n=0.\]
  2. Cała przestrzeń \(\kk^n\) jest zbiorem rozwiązań równania \(0\, x_1 + \ldots + 0\, x_n = 0\) i

    \[\dim \kk^n = n-\rank \oo_{1\times n} = n.\]
  3. Dla \(\oo\neq (a_1,\ldots,a_n)\in \kk^n\), zbiorem rozwiązań równania \(a_1x_1 + \ldots + a_n x_n = 0\) jest podprzestrzeń liniowa wymiaru \(n-\rank \Macierz{a_1 & \ldots & a_n} = n-1.\)

Ćwiczenie 14.3

GEOGEBRA3D

Wyznaczmy bazę i wymiar przestrzeni liniowej

\[V = \Set{(x_1, x_2, x_3) : x_1+x_2-x_3 = x_2 + x_3 =0} \subseteq \rr^3 .\]

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 12.9, Ćw. 12.13.

Wniosek 14.6

Jeśli \(A\in\MSet{m}{n}{\kk}\) jest macierzą współczynników, \(B\in\MSet{m}{n}{\kk}\) jest macierzą wyrazów wolnych niejednorodnego układu równań liniowych \(\EqLin\), to

\[\begin{aligned} \SolutionsMatrix{A,B}& = S_0 + \SolutionsMatrix{A,\oo}, & \SolutionsMatrix{\EqLin} & = s_0 + \SolutionsMatrix{\EqLin_\oo}, \end{aligned}\]

gdzie \(S_0\) jest dowolnie wybranym elementem \(\SolutionsMatrix{A,B},\) \(s_0\) jest dowolnie wybranym elementem \(\SolutionsMatrix{\EqLin},\) \(\EqLin_0\) jest jednorodnym układem równań liniowych o macierzy współczynników \(A.\)

Przykład 14.6

Rozważmy układ równań

\[\begin{split}\displaystyle \begin{aligned} \EqLin: \left\{ \begin{array}{r} 2 \, x_{1} - 2 \, x_{2} + x_{3} = \left(-1\right) \\ 2 \, x_{2} + 4 \, x_{3} - x_{4} = 3 \\ 2 \, x_{1} + 5 \, x_{3} - x_{4} = 2 \end{array}\right. . \end{aligned}\end{split}\]

Przypomnijmy, że wykonując operacje elementarne na wierszach macierzy rozszerzonej tego układu:

\[\begin{split}\displaystyle \begin{aligned} A|B & = \left[ \begin{array}{rrrrr} 2 & -2 & 1 & 0 & -1 \\ 0 & 2 & 4 & -1 & 3 \\ 2 & 0 & 5 & -1 & 2 \end{array}\right] \\ & \xrightarrow{w_{3} + (-1 \cdot w_{1})} \left[ \begin{array}{rrrrr} 2 & -2 & 1 & 0 & -1 \\ 0 & 2 & 4 & -1 & 3 \\ 0 & 2 & 4 & -1 & 3 \end{array}\right]\\ & \longrightarrow \left[ \begin{array}{rrrrr} 2 & -2 & 1 & 0 & -1 \\ 0 & 2 & 4 & -1 & 3 \end{array}\right] \\ & \xrightarrow{w_{1} + (1 \cdot w_{2})} \left[ \begin{array}{rrrrr} 2 & 0 & 5 & -1 & 2 \\ 0 & 2 & 4 & -1 & 3 \end{array}\right]\\ & \xrightarrow{1/2 \cdot w_{1}} \left[ \begin{array}{rrrrr} 1 & 0 & \frac{5}{2} & -\frac{1}{2} & 1 \\ 0 & 2 & 4 & -1 & 3 \end{array}\right]\\ & \xrightarrow{1/2 \cdot w_{2}} \left[ \begin{array}{rrrrr} 1 & 0 & \frac{5}{2} & -\frac{1}{2} & 1 \\ 0 & 1 & 2 & -\frac{1}{2} & \frac{3}{2} \end{array}\right] , \end{aligned}\end{split}\]

otrzymujemy układ

\[\begin{split}\displaystyle \begin{aligned} \left\{ \begin{array}{r} x_{1} + \frac{5}{2} \, x_{3} - \frac{1}{2} \, x_{4} = 1 \\ x_{2} + 2 \, x_{3} - \frac{1}{2} \, x_{4} = \left(\frac{3}{2}\right) \end{array}\right. . \end{aligned}\end{split}\]

Rozwiązanie to

\[\begin{split} \left\{\begin{array}{l} x_1 = 1-\frac 5 2 t_1 + \frac 1 2 t_2 \\ x_2 = \frac 3 2 -2t_1 + \frac 1 2 t_2 \\ x_3 = t_1 \\ x_4 = t_2 \end{array}\right. , t_1, t_2 \in \rr. \end{split}\]

Można to zapisać jako

\[\begin{split}\begin{aligned} \Paren{x_1, x_2, x_3, x_4} & = \Paren{ 1-\tfrac 5 2 t_1 + \tfrac 1 2 t_2,\ \tfrac 3 2 -2t_1 + \tfrac 1 2 t_2,\ t_1 ,\ t_2 } \\ & = \Paren{ 1,\ \tfrac 3 2,\ 0 ,\ 0 } + t_1\cdot \Paren{ -\tfrac 5 2,\ -2,\ 1,\ 0 } + t_2\cdot \Paren{ \tfrac 1 2,\ \tfrac 1 2,\ 0 ,\ 1 }. \end{aligned}\end{split}\]

Przyjmując

\[\begin{split} \begin{aligned} s_0 & = \Paren{ 1,\ \tfrac 3 2,\ 0 ,\ 0 }, \\ \SolutionsMatrix{\EqLin_0} & = \Lin \Paren{ \Paren{ -\tfrac 5 2,\ -2,\ 1,\ 0 }, \Paren{ \tfrac 1 2,\ \tfrac 1 2,\ 0 ,\ 1 } }, \end{aligned} \end{split}\]

otrzymamy

\[\begin{split}\begin{aligned} \SolutionsMatrix{\EqLin} & = s_0 + \SolutionsMatrix{\EqLin_\oo} \\ & = \Set{ \Paren{ 1,\ \tfrac 3 2,\ 0 ,\ 0 } + t_1\cdot \Paren{ -\tfrac 5 2,\ -2,\ 1,\ 0 } + t_2\cdot \Paren{ \tfrac 1 2,\ \tfrac 1 2,\ 0 ,\ 1 } : t_1, t_2 \in \rr}. \end{aligned}\end{split}\]

14.4. Jądro macierzy#

Narration

Przypomnijmy, że jądro macierzy \(A \in \MSet{m}{n}{\kk}\) definiujemy jako zbiór

\[\ker A = \Set{X\in \MSet{n}{1}{\kk}: \quad A\cdot X = \oo} \subseteq \MSet{n}{1}{\kk}.\]

Stwierdzenie 14.7

Niech \(\kk\) będzie ciałem i niech \(A\in \MSet{m}{n}{\kk} .\) Wówczas

  1. \(\ker A\) jest podprzestrzenią liniową \(\MSet{n}{1}{\kk}\)

  2. \(\dim \ker A = n- \rank(A).\)

Uwaga 14.1

Ponieważ \(\ker A\) jest podprzestrzenią liniową w \(\MSet{n}{1}{\kk}\), to istnieje baza tej podprzestrzeni \((u_1,\ldots,u_d)\), gdzie \(d=\dim\ker A\) i z definicji bazy

\[\ker A = \Lin (u_1,\ldots,u_d).\]

Ćwiczenie 14.4

Znajdźmy wymiar i bazę jądra macierzy \(\displaystyle \begin{aligned} A = \left[ \begin{array}{rrrr} 1 & 1 & 3 & 2 \\ 2 & 0 & 4 & 2 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \end{array}\right] . \end{aligned}\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 11.8, Ćw. 11.9, Ćw. 11.14, Ćw. 12.9, Ćw. 12.13.

14.5. Podprzestrzenie własne#

Narration

Przypomnijmy, że podprzestrzenią własną macierzy \(A\in \MSet{n}{n}{\kk}\) odpowiadającą wartości własnej \(\lambda\in \kk\) nazywamy zbiór

\[V_\lambda = \Set{X : (A-\lambda I) \cdot X = \oo} \subseteq \MSet{n}{1}{\kk}.\]

Ponieważ jest to jądro macierzy \(A - \lambda I\), to mamy następujące stwierdzenie.

Stwierdzenie 14.8

Dla danej macierzy \(A\in \MSet{n}{n}{\kk}\) i \(\lambda \in \kk\):

  1. zbiór \(V_\lambda\) jest podprzestrzenią liniową przestrzeni \(\MSet{n}{1}{\kk}\), przy czym

    \[\dim V_\lambda = \dim \ker (A-\lambda I) = n - \rank (A-\lambda I)\]
  2. jeśli \(\lambda\) jest \(k\)-krotnym pierwiastkiem wielomianu charakterystycznego \(\chi_A\), to

    \[1\leq \dim V_{\lambda} \leq k.\]

W szczególności, jeśli \(\lambda\) jest pierwiastkiem jednokrotnym, to \(\dim V_{\lambda} = 1.\)

Przykład 14.7

Jak już wiemy, dla każdej z macierzy:

\[\begin{split}\begin{aligned} A_1 & = \Macierz{2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2}, & A_2 & = \Macierz{2 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2}, & A_3 & = \Macierz{2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 2} \end{aligned}\end{split}\]

\(\chi_{A_i}(\lambda) = -(\lambda - 2)^3\), więc wszystkie mają jedną wartość własną równą \(2 .\) W każdym z tych przypadków \quad \( \dim V_2 = 3 - \rank(A_i - 2I) .\) \quad Ponieważ:

\[\begin{split}\begin{aligned} A_1- 2I & = \Macierz{0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0}, & A_2- 2I & = \Macierz{0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0}, & A_3- 2I & = \Macierz{0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0} \end{aligned}\end{split}\]

są w postaci schodkowej zredukowanej, to dochodzimy do wniosku, że podprzestrzenie własne to odpowiednio:

\[\begin{split}\begin{aligned} V_2 = \ker (A_1- 2I) & = \Set{\Macierz{ t & 0 & 0}^T : t\in \rr } = \Lin \Paren{\Macierz{ 1 & 0& 0}^T}, \\ V_2 = \ker (A_2- 2I) & = \Set{\Macierz{ t & 0 & s}^T : t, s\in \rr } = \Lin \Paren{\Macierz{ 1 & 0& 0}^T, \Macierz{ 0 & 0 & 1}^T }, \\ V_2 = \ker (A_3- 2I) & = \Set{\Macierz{ t_1 & t_2 & t_3}^T : t_1, t_2, t_3\in \rr } = \MSet{3}{1}{\rr}. \end{aligned}\end{split}\]

Ich wymiary to odpowiednio: 1, 2 i 3.

14.6. Współrzędne wektora#

Stwierdzenie 14.9

Układ wektorów \((v_1, \ldots,v_n)\) w przestrzeni liniowej \(V\) jest bazą wtedy i tylko wtedy, gdy

\[\begin{aligned} \forall v\in V \quad \exists!\, \alpha_1, \ldots, \alpha_n\in\kk \ v = \alpha_1 v_1 + \ldots +\alpha_n v_n \end{aligned}\]

(symbol \(\exists!\) oznacza istnienie dokładnie jednej \(n\)-ki liczb).

Narration

To oznacza, że jeśli układ \(\uu B = (v_1, \ldots,v_n)\) w przestrzeni \(V\) jest bazą, to dla każdego wektora \(v \in V\) istnieją jednoznacznie wyznaczone elementy \(\alpha_1, \ldots, \alpha_n\in\kk\) takie, że

(14.1)#\[\begin{aligned} v = \alpha_1 v_1 + \ldots + \alpha_n v_n. \end{aligned}\]

Definicja 14.4

Współrzędnymi wektora \(v\in V\) w bazie \(\uu B\) przestrzeni liniowej \(V\) nazywamy skalary \(\alpha_1, \ldots, \alpha_n\) występujące w rozkładzie (14.1).

Macierz współrzędnych wektora \(v\in V\) w bazie \(\uu{B}\) nazywamy \( \quad \MU{B} v = \Macierz{ \alpha_1 \\ \vdots \\ \alpha_n} \in \MSet{n}{1}{\kk}. \)

Ćwiczenie 14.5

Wyznaczmy współrzędne wektora \(v\in V\) w bazie \(\uu B\) i zapiszmy macierz współrzędnych \(\MU B v\) , jeśli:

  1. \(V=\rr^2, \quad \uu{B} = ((5,-3),(7,-5)), \quad v = (1, \quad 1)\)

  2. \(V=\Lin \uu B, \quad \uu{B} = ((1,5,-1),(2,4,0)), \quad v = (-1,7,-3) .\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 13.6, Ćw. 13.10.

14.7. Współrzędne układu wektorów#

Narration

Niech \(\uu A = (v_1, \ldots, v_m)\) będzie układem wektorów w przestrzeni lin. \(V\) z wyróżnioną bazą \(\uu B .\)

Definicja 14.5

Macierz współrzędnych układu wektorów \(\uu A\) w bazie \(\uu{B}\) nazywamy

\[\MU{B} {\uu A} = \Macierz{\MU{B} {v_1} & \ldots & \MU{B}{v_m}}\in \MSet{n}{m}{\kk}.\]

Ćwiczenie 14.6

Znajdźmy macierz współrzędnych wektorów układu

\[\uu A = ((2,0,-1), (3,-1,-2), (0,2,1))\]

w bazie kanonicznej \((\ee 1 =(1,0,0), \ee 2 =(0,1,0), \ee 3 =(0,0,1)) .\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 13.7, Ćw. 13.11.

Stwierdzenie 14.10

Niech \(\uu{B}\) będzie bazą przestrzeni liniowej \(V .\) Dla dowolnego układu wektorów \(\uu{A}=(v_1, \ldots, v_m)\) z przestrzeni \(V\), następujące warunki są równoważne:

  1. \(\uu{A}\) jest bazą przestrzeni \(V .\)

  2. \(\dim V = m = \rank \MU{B}{\uu{A}} .\)

  3. \(\MU{B}{\uu{A}}\) jest macierzą kwadratową oraz \(\det \MU{B}{\uu{A}} \neq 0.\)

Ćwiczenie 14.7

Czy układ \(\uu A = ((2,0,-1), (3,-1,-2), (0,2,1))\) z Ćw. 14.6 jest bazą \(\rr^3\)?

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 12.8, Ćw. 12.12, Ćw. 13.7, Ćw. 13.11.

Stwierdzenie 14.11

Niech \(\uu{B}\) będzie bazą przestrzeni liniowej \(V .\) Wówczas:

  1. dla dowolnego układu \(\uu{A}\) wektorów z przestrzeni \(V\) zachodzi równość

    \[\dim \Lin \uu A = \rank \MU{B}{\uu{A}};\]
  2. układ \(\uu{A} = (u_1,\ldots, u_m)\) wektorów z \(V\) jest LN wtedy i tylko wtedy, gdy

    \[\rank \MU{B}{\uu{A}} = m.\]

Ćwiczenie 14.8

Weźmy układ wektorów \(\uu A = ((2,0,-1), (3,-1,-2), (0,2,1))\) z Ćw. 14.6.

Czy układ \(\uu A\) jest liniowo niezależny?

Znajdźmy wymiar i bazę przestrzeni \(\Lin \uu A .\)

14.8. Zamiana bazy#

Narration

Niech \(\uu A\) i \(\uu B\) będą bazami w przestrzeni liniowej \(V .\)

Definicja 14.6

Macierzą zmiany bazy \(\uu B\) na bazę \(\uu A\) lub macierzą przejścia od bazy \(\uu{B}\) do bazy \(\uu{A}\) nazywamy

\[\MU{B}{\uu{A}},\]

czyli macierz współrzędnych wektorów z bazy \(\uu A\) przedstawionych w bazie \(\uu B .\)

Stwierdzenie 14.12

Niech \(\uu{A}\) i \(\uu{B}\) będą bazami przestrzeni \(V .\) Wówczas:

  • \(\MU{B}{\uu{A}} = (\MU{A}{\uu{B}})^{-1}\)

  • dla każdego wektora \(v\in V\) zachodzi

    \[ \MU{B} v =\MU{B}{\uu{A}}\cdot \MU{A} v \]
  • dla każdego układu \(\uu C\) wektorów z \(V\) zachodzi

    \[ \MU{B}{\uu C} =\MU{B}{\uu{A}}\cdot \MU{A} {\uu C} . \]

Wniosek 14.13

Niech \(\kk\) będzie ciałem i niech \(\uu{B}\) będzie bazą przestrzeni \(V = \kk^n .\) Wówczas:

  • dla każdego wektora \(v\in V\) zachodzi

    \[ \MU{B} v = (\MUSt{\St[n]}{\uu B})^{-1} \cdot \MUSt{\St[n]} v \]
  • dla każdego układu \(\uu C\) wektorów z \(V\) zachodzi

    \[ \MU{B} {\uu C} = (\MUSt{\St[n]}{\uu B})^{-1} \cdot \MUSt{\St[n]} {\uu C} . \]

Ćwiczenie 14.9

Dla baz

\[ \begin{aligned} \uu B & = ((-5,1), (6, -1)), & \uu C & = ((1,-5), (-1, 6)) \end{aligned} \]

przestrzeni \(\rr^2\), znajdźmy macierz \(\MU{B}{\uu{C}} .\)

Jakie są współrzędne wektora \(v = (1,-5) + 3\cdot(-1, 6)\) w bazie \(\uu B .\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 13.9, Ćw. 13.13.

Ćwiczenie 14.10

Niech \(\uu B = ((6,5), (7, 6))\) będzie bazą przestrzeni \(\rr^2 .\)

Znajdźmy macierz współrzędnych wektorów \( (1,-1), (1,4), (-3,2), (4,5) \) w bazie \(\uu B .\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 13.9, Ćw. 13.13.