4. LINEAARIKUVAUKSET

Samankaltaiset tiedostot
Bijektio. Voidaan päätellä, että kuvaus on bijektio, jos ja vain jos maalin jokaiselle alkiolle kuvautuu tasan yksi lähdön alkio.

Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

Kantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /310

6. OMINAISARVOT JA DIAGONALISOINTI

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

2. REAALIKERTOIMISET VEKTORIAVARUUDET

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III LINEAR ALGEBRA PART III

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

Avaruuden R n aliavaruus

Ensi viikon luennot salissa X. Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/66

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II Syksy 2009 Laskuharjoitus 1 ( ) Ratkaisuehdotuksia Vesa Ala-Mattila

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

2.5. Matriisin avaruudet ja tunnusluvut

(1.1) Ae j = a k,j e k.

JAKSO 2 KANTA JA KOORDINAATIT

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

Insinöörimatematiikka D

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

2.8. Kannanvaihto R n :ssä

Kanta ja dimensio 1 / 23

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

6 Vektoriavaruus R n. 6.1 Lineaarikombinaatio

Alkeismuunnokset matriisille, sivu 57

Päättelyn voisi aloittaa myös edellisen loppupuolelta ja näyttää kuten alkupuolella, että välttämättä dim W < R 1 R 1

Lineaarialgebra II P

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

Demorastitiedot saat demonstraattori Markus Niskaselta Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/104

Insinöörimatematiikka D

sitä vastaava Cliffordin algebran kannan alkio. Merkitään I = e 1 e 2 e n

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Lineaarialgebra b, kevät 2019

Lineaarikuvauksista ja niiden geometrisesta tulkinnasta

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

Matemaattinen Analyysi / kertaus

Insinöörimatematiikka D

9. Lineaaristen differentiaaliyhtälöiden ratkaisuavaruuksista

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Johdatus lineaarialgebraan

8. Avoimen kuvauksen lause

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Tehtäväsarja I Kerrataan lineaarikuvauksiin liittyviä todistuksia ja lineaarikuvauksen muodostamista. Sarjaan liittyvät Stack-tehtävät: 1 ja 2.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

3x + y + 2z = 5 e) 2x + 3y 2z = 3 x 2y + 4z = 1. x + y 2z + u + 3v = 1 b) 2x y + 2z + 2u + 6v = 2 3x + 2y 4z 3u 9v = 3. { 2x y = k 4x + 2y = h

Liittomatriisi. Liittomatriisi. Määritelmä 16 Olkoon A 2 M(n, n). Matriisin A liittomatriisi on cof A 2 M(n, n), missä. 1) i+j det A ij.

ominaisvektorit. Nyt 2 3 6

Matikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/210

Lineaariset yhtälöryhmät ja matriisit

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Johdatus lineaarialgebraan

Muistutus: Matikkapaja ke Siellä voi kysyä apua demoihin, edellisen viikon demoratkaisuja, välikoetehtävien selitystä, monisteesta yms.

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Vektoreiden virittämä aliavaruus

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

7 Vapaus. 7.1 Vapauden määritelmä

Matriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä

pdfmark=/pages, Raw=/Rotate 90 1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus Sisätuloavaruus Lineaarikuvaus Ominaisarvo 0-68

Insinöörimatematiikka D

1 Kannat ja kannanvaihto

1 Tensoriavaruuksista..

Johdatus lineaarialgebraan

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I. LM1, Kesä /218

Lineaarialgebra (muut ko)

Ville Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 1. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

LINEAARIALGEBRA A 2016 TOMI ALASTE EDITED BY T.M. FROM THE NOTES OF

Ortogonaalisen kannan etsiminen

Sisätuloavaruudet. 4. lokakuuta 2006

Vektorien virittämä aliavaruus

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Insinöörimatematiikka D

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Ensi viikon luennot salissa X. Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/159

10 Matriisit ja yhtälöryhmät

Seuraava luento ti on salissa XXII. Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/117

Tensorialgebroista. Jyrki Lahtonen A = A n. n=0. I n, I = n=0

1. Lineaarinen yhtälöryhmä ja matriisi

1. LINEAARISET YHTÄLÖRYHMÄT JA MATRIISIT. 1.1 Lineaariset yhtälöryhmät

Ennakkotehtävän ratkaisu

Insinöörimatematiikka D

Matriisilaskenta Luento 12: Vektoriavaruuden kannan olemassaolo

Transkriptio:

86 4 LINEAARIKUVAUKSET 41 Määritelmä ja esimerkkejä Olkoot V ja V vektoriavaruuksia Tarkastellaan kuvausta L : V V Tällöin jokaiseen vektoriin v V liittyy tietty, L:n ja v:n yksikäsitteisesti määräämä kuvavektori L(v) V Määritelmä 411 Kuvaus L : V V on lineaarinen l lineaarikuvaus, jos i) L(v + w) = L(v) + L(w) kaikilla v, w V, ja ii) L(cv) = cl(v) kaikilla v V, c R (Kaavoissa vasemmalla on V :n ja oikealla V :n laskutoimitus) Lause 412 Olkoon L : V V lineaarikuvaus Tällöin a) L(0 V ) = 0 V, ja b) L(c 1 v 1 + + c k v k ) = c 1 L(v 1 ) + + c k L(v k ), kun v 1,, v k V, c 1,, c k R 225 a) Todistus a) L(0 V ) = L(0 0 V ) = ii 225 a) 0 L(0 V ) = 0 V b) seuraa induktiolla 411:stä: Tapaus k = 1 on suoraan 411 ii) Jos sitten k 2 ja tiedetään jo, että ( induktio-oletus ), niin L(c 1 v 1 + + c k 1 v k 1 ) = c 1 L(v 1 ) + + c k 1 L(v k 1 ) L(c 1 v 1 + + c k v k ) = L(c 1 v 1 + + c k 1 v k 1 ) + L(c k v k ) (411 i) = c 1 L(v 1 ) + + c k 1 L(v k 1 ) + c k L(v k ) (indol + 411 ii) Esimerkki 413 (a) Olkoon A = [ a ij ] R m n m n -matriisi Määritellään kuvaus L A : R n R m asettamalla L A (x) = Ax kaikilla x R n, missä Ax on matriisitulo, toisin sanoen x 1 y 1 x L A : 2 y 2, y i = x n y m n a ij x j j=1 (i = 1,, m)

L A on lineaarinen, sillä matriisitulon ominaisuuksista 131 seuraa, että L A (x + y) = A(x + y) = Ax + Ay = L A (x) + L A (y) L A (cx) = A(cx) = cax = cl A (x), kun x, y R n, c R Kohdissa b), c) ja d) on konkreettisia esimerkkejä tapauksesta m = n = 2 [ ] a 0 (b) A = = ai 0 a 2 R 2 2 (a R) = L A (x) = ax kaikilla x R 2 L A : R 2 R 2 on homotetia Jos a > 1, L A on venytys (dilataatio); jos 0 < a < 1, L A on kutistus (kontraktio) (c) A = [ ] 1 0 R 2 2 = L 0 1 A : L A : R 2 R 2 on peilaus x 1 -akselin suhteen x 2 (d) [ ] cos ϕ sin ϕ A = R 2 2 (ϕ R) = L sin ϕ cos ϕ A : [ x1 x 2 x ] L A (x) [ x1 x 2 [ x1 x 1 ] x 2 ] ja 87 [ ] x1 cos ϕ x 2 sin ϕ x 1 sin ϕ + x 2 cos ϕ Esitetään x = [ x 1 x 2 ] T 0 napakoordinaattien avulla: x 1 = r cos θ, x 2 = r sin θ, missä r = x = x 2 1 + x2 2 ja θ R on x:n vaihekulma Tällöin [ ] [ ] r(cos θ cos ϕ sin θ sin ϕ) r cos(θ + ϕ) L A (x) = = r(cos θ sin ϕ + sin θ cos ϕ) r sin(θ + ϕ) saadaan kiertämällä vektoria x kulman ϕ verran origon ympäri x 2 ϕ θ L A (x) x x 1 43:ssa nähdään, että jokainen lineaarikuvaus R n R m on muotoa L A sopivalla A R m n

Esimerkki 414 a) D : C 1 (R, R) C 0 (R, R), D(f) = f = f:n derivaatta kaikilla f C 1 (R, R), on lineaarinen, sillä (f + g) = f + g ja (cf) = cf (Diff I) b) I : C 0 (R, R) C 1 (R, R), I(f)(x) = x 0 f(t)dt kaikilla x R, f C0 (R, R), on myös lineaarinen Yleisluontoisia esimerkkejä: Esimerkki 415 Olkoot V, V, vektoriavaruuksia a) Identtinen kuvaus id V : V V, id V (v) = v kaikilla v V, on selvästi lineaarinen, samoin aliavaruuden W V kanoninen injektio i W,V : W V, i W,V (w) = w kaikilla w W b) Nollakuvaus 0 = 0 V,V : V V, 0(v) = 0 V kaikilla v V, on lineaarinen c) Jos L : V V ja L : V V ovat lineaarisia, niin yhdistetty kuvaus L L : V V, (L L)(v) = L (L(v)) kaikilla v V, on lineaarinen Todistus Olkoot v, w V ja c R Silloin 88 (i) (ii) (L L)(v + w) = L (L(v + w)) = L (L(v) + L(w)) = L (L(v)) + L (L(w)) = (L L)(v) + (L L)(w), (L L)(cv) = L (L(cv)) = L (cl(v)) = cl (L(v)) = c(l L)(v) d) Jos L : V V on lineaarinen ja W V aliavaruus, niin L:n rajoittuma W :hen L W : W V, (L W )(w) = L(w) kaikilla w W, on lineaarinen (esimerkiksi koska L W = L i W,V ) e) Jos L 1, L 2 : V V ovat lineaarisia ja a R, niin L 1 + L 2 ja al 1 ovat lineaarikuvauksia V V, kun määritellään (L 1 + L 2 )(v) = L 1 (v) + L 2 (v) ja (al 1 )(v) = al 1 (v) kaikilla v V Todistus Harjoitustehtävä Esimerkki 416 Olkoon V sisätuloavaruus, sisätulona, a) Kiinteällä w V on 322:n nojalla v v, w = w, v lineaarikuvaus V R b) Olkoon W V äärellisulotteinen aliavaruus Määritellään kuvaus p : V V asettamalla p(v) = proj W (v) = v:n kohtisuora projektio W :lle kaikilla v V (siis p(v) W V v V ) Projektion määritelmän nojalla on p(v) = w, kun v = w + w, missä w W ja w W

Väite p on lineaarinen Todistus Olkoot v 1, v 2 V ; v 1 = w 1 + w 1, v 2 = w 2 + w 2, missä w 1, w 2 W ja w 1, w 2 W Tällöin v 1 + v 2 = (w 1 + w 2 ) + (w 1 + w 2 ) Koska W ja W ovat aliavaruuksia, on w 1 + w 2 W ja w 1 + w 2 W, ja siten p(v 1 + v 2 ) = w 1 + w 2 = p(v 1 ) + p(v 2 ) Vastaavasti todetaan, että p(cv) = cp(v), kun v V, c R Seuraava tulos on hyödyllinen tutkittaessa lineaarikuvauksia V V, kun V on äärellisulotteinen Lause 417 Olkoot V ja V vektoriavaruuksia, (v 1,, v n ) V :n kanta (siis V on äärellisulotteinen ja dim(v ) = n), ja v 1,, v n V annettuja vektoreita Tällöin on olemassa täsmälleen yksi lineaarikuvaus L : V V, jolla L(v 1 ) = v 1,, L(v n) = v n Todistus Enintään yksi Olkoot L 1, L 2 : V V kaksi lineaarikuvausta, joilla L 1 (v j ) = v j = L 2(v j ), j = 1,, n Olkoon v V = span(v 1,, v n ) Silloin v = x 1 v 1 + + x n v n eräillä x 1,, x n R, joten L 1 (v) = L 1 (x 1 v 1 + + x n v n ) 412b = x 1 L 1 (v 1 ) + + x n L 1 (v n ) = x 1 L 2 (v 1 ) + + x n L 2 (v n ) 412b = L 2 (x 1 v 1 + + x n v n ) = L 2 (v) Koska siis L 1 (v) = L 2 (v) kaikilla v V, on L 1 = L 2 b) Ainakin yksi Olkoon v V Tällöin v = x 1 v 1 + +x n v n eräillä x 1,, x n R, ja nämä kertoimet (v:n koordinaatit kannassa (v 1,, v n ); ks kappaleen 28 alku) ovat v:n yksikäsitteisesti määräämät Voidaan siis määritellä kuvaus L : V V asettamalla L(v) = x 1 v 1 + +x nv n, kun v = x 1v 1 + +x n v n, x 1,, x n R Silloin L(v j ) = v j kaikilla j {1,, n}, joten jää todistettavaksi Väite L on lineaarinen Todistus Olkoon v = x 1 v 1 + + x n v n ja w = y 1 v 1 + + y n v n, missä x 1,, x n, y 1,, y n R, ja olkoon c R Tällöin 89 v + w = (x 1 + y 1 )v 1 + + (x n + y n )v n cv = (cx 1 )v 1 + + (cx n )v n, ja joten L(v + w) = (x 1 + y 1 )v 1 + + (x n + y n )v n = (x 1 v 1 + + x nv n ) + (y 1v 1 + + y nv n ) = L(v) + L(w), L(cv) = (cx 1 )v 1 + + (cx n)v n = c(x 1v 1 + + x nv n ) = cl(v)

90 42 Kuva ja ydin Isomorfismit Olkoot V ja V vektoriavaruuksia ja L : V V lineaarikuvaus Määritellään L:n kuva Im(L) = L(V ) ja ydin Ker(L) seuraavasti: Im(L) = L(V ) = {L(v) v V } = {v V v = L(v) jollakin v V } V, Ker(L) = {v V L(v) = 0 V } V, Lause 421 Im(L) on V :n aliavaruus ja Ker(L) on V :n aliavaruus Todistus Kuva v, w V, ja i) Olkoot v, w Im(L) Silloin v = L(v) ja w = L(w) eräillä v + w = L(v) + L(w) 411i = L(v + w) Im(L), koska v + w V ii) Olkoon v Im(L) ja c R Silloin v = L(v) eräällä v V ; nyt koska cv V cv = cl(v) 411ii = L(cv) Im(L), iii) Lauseen 412a) nojalla 0 V = L(0 V ) Im(L) Ydin i) Olkoot v, w Ker(L) Silloin L(v) = 0 V = L(w) Siis joten v + w Ker(L) L(v + w) = L(v) + L(w) = 0 V + 0 V = 0 V, ii) Olkoon v Ker(L) ja c R Silloin L(v) = 0 V Siis joten cv Ker(L) iii) 0 V Ker(L), koska L(0 V ) = 0 V L(cv) = cl(v) = c0 V = 0 V, Huomautus 422 Yleisemmin, jos W V on aliavaruus, niin W :n kuva L(W ) = {L(w) w W } = {v V v = L(w) jollakin w W } on V :n aliavaruus (sillä L(W ) = Im(L W ))

91 Lause 423 Olkoon L : V V lineaarinen ja v 1,, v k V Tällöin L(span(v 1,, v k )) = span(l(v 1 ),, L(v k )) Todistus L(span(v 1,, v k )):n alkiot ovat L(x 1 v 1 + + x k v k ) = x 1 L(v 1 ) + + x k L(v k ), x 1,, x k R, eli samat kuin span(l(v 1 ),, L(v k )):n alkiot Esimerkki 424 Olkoon A = [ a 1 a 2 a n ] R m n m n -matriisi, jonka sarakkeet ovat a 1,, a n R m, ja L A : R n R m kaavan L A (x) = Ax määrittelemä lineaarikuvaus (ks 413) Tällöin Im(L A ) = L A (R n ) = L A (span(e 1,, e n )) 423 = span(l A (e 1 ),, L A (e n )) on A:n sarakeavaruus, ja = span(ae 1,, Ae n ) = span(a 1,, a n ) = Col(A) Ker(L A ) = {x R n L A (x) = 0} = {x R n Ax = 0} = Null(A) on A:n nolla-avaruus eli homogeenisen yhtälöryhmän Ax = 0 ratkaisujen joukko Lineaarikuvauksella L : V V avaruuksien Im(L) ja Ker(L) koko riippuvat toisistaan seuraavasti (kun dim(v ) < ): Lause 425 Olkoon L : V V lineaarinen ja V äärellisulotteinen Im(L) on äärellisulotteinen ja dim(v ) = dim(ker(l)) + dim(im(l)) Tällöin Todistus Lauseen 2512 mukaan Ker(L) on äärellisulotteinen Olkoon (v 1,, v p ) Ker(L):n kanta Täydennetään se V :n kannaksi (v 1,, v p, w 1,, w q ) (2511 a) Silloin p = dim(ker(l)), p + q = dim(v ), ja on osoitettava, että q = dim(im(l)) Väite (L(w 1 ),, L(w q )) on Im(L):n kanta Todistus Viritys: Lauseen 423 mukaan Im(L) = span(l(v 1 ) = 0 Vapaus:,, L(v p ), L(w 1 ),, L(w q )) = span(l(w 1 ),, L(w q )) = 0 Olkoot x 1,, x q R Silloin x 1 L(w 1 ) + + x q L(w q ) = 0 = L(x 1 w 1 + + x q w q ) = 0 = x 1 w 1 + + x q w q Ker(L) = x 1 w 1 + + x q w q = y 1 v 1 + + y p v p eräillä y 1,, y p R = y 1 v 1 y p v p + x 1 w 1 + + x q w q = 0; koska (v 1,, v p, w 1,, w q ) on vapaa, tästä seuraa, että x 1 = = x q = 0 (= y 1 = = y p )

92 Esimerkki 426 Olkoon A = 1 2 0 2 1 1 1 0 ja L A : R 4 R 3, x Ax 0 1 1 1 Määritettävä dim(ker(l A )) ja dim(im(l A )) Ratkaisu Muunnetaan A alkeisrivitoimituksilla porrasmatriisiksi: A = 1 2 0 2 1 1 1 0 1 2 0 2 0 3 1 2 1 2 0 2 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 3 1 2 1 2 0 2 0 1 1 1 1 2 0 2 0 1 1 1 0 0 4 5 0 0 1 5/4 Siispä x = x 1 x 2 x 3 x 4 Ker(L A ) = Null(A) x 1 = 2x 2 + 2x 4 = 3 2 t x 2 = x 3 x 4 = 1 4 t x 3 = 5 4 x 4 = 5 4 t x 4 = t R x 1 + 2x 2 2 x 4 = 0 x 2 + x 3 + x 4 = 0 x 3 + 5 4 x 4 = 0 x = t 3 2 1 4 5 4 1, t R Näin ollen Ker(L A ) = span([ 3 1 2 4 5 4 1 ]T ), joten dim(ker(l A )) = 1 Lauseen 425 mukaan dim(im(l A )) = dim(r 4 ) dim(ker(l A )) = 3, joten Im(L A ) = R 3 (Kuvan Im(L A ) dimensio saadaan tietysti myös menetelmällä 261, jonka mukaan A:n sarakkeet 1, 2 ja 3 muodostavat avaruuden Im(L A ) = Col(A) kannan; siis dim(im(l A )) = 3) Injektiot, surjektiot ja bijektiot (joukko-oppia) Olkoot X ja Y joukkoja ja f : X Y kuvaus Tällöin f on (1) surjektio, jos f(x) = Y, ts jokaisella y Y yhtälöllä f(x) = y on ainakin yksi ratkaisu x X; (2) injektio, jos f(x) = f(x ) vain, kun x = x (x, x X), ts jokaisella y Y yhtälöllä f(x) = y on korkeintaan yksi ratkaisu x X; (3) bijektio, jos se on injektio ja surjektio, ts jokaisella y Y yhtälöllä f(x) = y on täsmälleen yksi ratkaisu x X

Lause (ja määritelmä) 427 Olkoon f kuvaus X Y Tällöin f on bijektio on olemassa kuvaus g : Y X, jolla g f = id X ja f g = id Y Tällöin g on yksikäsitteisesti määrätty, bijektion f käänteiskuvaus, ja sitä merkitään g = f 1 Todistus = Olkoon f bijektio Kun y Y, olkoon x = g(y) X yhtälön f(x) = y yksikäsitteinen ratkaisu Näin saadaan kuvaus g : Y X, jolla f(g(y)) = y eli (f g)(y) = id Y (y) y Y ; siis f g = id Y Yhtälön f(x) = y ratkaisun x yksikäsitteisyydestä seuraa, että g on ainoa kuvaus Y X, jolla f g = id Y Kun x X, on toisaalta f((g f)(x)) = (f (g f))(x) = ((f g) f)(x) = (id Y f)(x) = id Y (f(x)) = f(x); koska f on injektio, on (g f)(x) = x = id X (x) Siten g f = id X = Olkoon g : Y X sellainen kuvaus, että g f = id X ja f g = id Y Jos x, x X ja f(x) = f(x ), on x = id X (x) = (g f)(x) = g(f(x)) = g(f(x )) = (g f)(x ) = id X (x ) = x ; siis f on injektio Toisaalta, jos y Y, niin g(y) X ja siis f on surjektio y = id Y (y) = (f g)(y) = f(g(y)); Lineaarikuvauksen injektiivisyys ja surjektiivisuus Lause 428 Lineaarikuvaus L : V V on injektio Ker(L) = {0 V } Todistus = Olkoon L injektio Joka tapauksessa 0 V Ker(L) (Lause 421) Jos toisaalta v Ker(L), niin L(v) = 0 V = L(0 V ); koska L on injektio, täytyy olla v = 0 V Näin ollen Ker(L) = {0 V } = Olkoon Ker(L) = {0 V } Olkoot v, w V sellaisia, että L(v) = L(w) Osoitetaan, että v = w: L(v) = L(w) = L(v w) = L(v) L(w) = 0 V = v w Ker(L) = {0 V } = v w = 0 V = v = w Esimerkki 429 a) Olkoon A R m n ja L A : R n R m, L A (x) = Ax L A on injektio Ker(L A ) = {0} Null(A) = {0} homogeenisella yhtälöryhmällä Ax = 0 on vain triviaali ratkaisu x = 0 Toisaalta L A on surjektio Im(L A ) = R m Col(A) = R m b) Esimerkin 426 lineaarikuvaus L A : R 4 R 3 on surjektio (Im(L A ) = R 3 ), mutta ei ole injektio (dim(ker(l A )) = 1) 93

Lemma 4210 Olkoon L : V V lineaarikuvaus ja v 1,, v k V a) Jos L on injektio ja (v 1,, v k ) on vapaa, niin (L(v 1 ),, L(v k )) on vapaa b) Jos L on surjektio ja (v 1,, v k ) virittää V :n, niin (L(v 1 ),, L(v k )) virittää V :n Todistus a) Olkoot x 1,, x k R Tällöin x 1 L(v 1 ) + + x k L(v k ) = 0 V = L(x 1 v 1 + + x k v k ) 412b = x 1 L(v 1 ) + + x k L(v k ) = 0 V = x 1 v 1 + + x k v k Ker(L) = {0 V } (L injektio) = x 1 v 1 + + x k v k = 0 V = x 1 = = x k = 0 ((v 1,, v k ) vapaa) b) Lauseen 423 nojalla on span(l(v 1 ),, L(v k )) = L(span(v 1,, v k )) = L(V ) = Im(L) Koska L on surjektio, on Im(L) = V Siis V on vektorien L(v 1 ),, L(v k ) virittämä Lineaariset isomorfismit Määritelmä 4211 Lineaarikuvaus, joka on bijektio, on lineaarinen isomorfismi Vektoriavaruudet V ja V ovat isomorfiset, jos on olemassa jokin lineaarinen isomorfismi V V Sille, että V ja V ovat isomorfiset, käytetään merkintää V = V Lause 4212 Olkoot V, V ja V vektoriavaruuksia a) id V : V V on isomorfismi b) Jos L : V V ja L : V V ovat isomorfismeja, niin L L : V V on isomorfismi c) Jos L : V V on isomorfismi, niin L 1 : V V on isomorfismi Todistus a) Selvä b) Lauseesta 415 c) seuraa, että L L on lineaarinen Lisäksi se on bijektio, käänteiskuvauksena L 1 L 1 c) L 1 on bijektio (sen käänteiskuvaus on L), joten jää todistettavaksi, että L 1 : V V on lineaarinen Olkoot v, w V Tällöin v = L(v) ja w = L(w), missä v = L 1 (v ) V ja w = L 1 (w ) V Olkoon lisäksi c R Silloin L 1 (v + w ) = L 1 (L(v) + L(w)) L = lin L 1( L(v + w) ) = v + w = L 1 (v ) + L 1 (w ), L 1 (cv ) = L 1 (cl(v)) L lin = L 1 (L(cv)) = cv = cl 1 (v ) 94

95 Siis on voimassa (1) V = V, (2) V = V ja V = V = V = V, (3) V = V = V = V Esimerkki 4213 a) Olkoon V äärellisulotteinen vektoriavaruus ja S = (v 1,, v n ) V :n kanta Tarkastellaan kuvausta C S : V R n, v [v] S (koordinaattivektori S:n suhteen) Lauseesta 282 seuraa, että C S on lineaarinen Koska [v j ] S = e j (luonnollinen kantavektori), on C S itse asiassa se yksikäsitteinen lineaarikuvaus V R n, jossa v j e j kaikilla j (ks 417) C S on lineaarinen isomorfismi; sen käänteiskuvaus on se yksikäsitteinen lineaarikuvaus C S : Rn V, jossa e j v j kaikilla j Lineaarikuvauksessa C S C S : V V nimittäin v j v j = id V (v j ) kaikilla j, joten 417:n nojalla C S C S = id V, ja vastaavasti C S C S = id R n b) Kaava x x T kaikilla x R n määrittelee lineaarisen isomorfismin R n R n ; tämän käänteisisomorfismin antaa kaava y y T kaikilla y R n c) Olkoon A R m n m n -matriisi b)-kohdan isomorfismit R m R m ja R n R n rajoittuvat isomorfismeiksi Col(A) Row(A T ), Col(A T ) Row(A) (A:n sarakkeet A T :n rivit, A T :n sarakkeet A:n rivit) Lause 4214 Olkoon V äärellisulotteinen vektoriavaruus ja V vektoriavaruus Tällöin V = V V on äärellisulotteinen ja dim(v ) = dim(v ) Todistus = Olkoon L : V V isomorfismi, dim(v ) = k ja (v 1,, v k ) V :n kanta Lemman 4210 mukaan (L(v 1 ),, L(v k )) on vapaa ja virittää V :n, joten se on V :n kanta Siis V on äärellisulotteinen ja dim(v ) = k = dim(v ) = Olkoon V äärellisulotteinen, dim(v ) = dim(v ) = k, S = (v 1,, v k ) V :n kanta ja S = (v 1,, v k ) V :n kanta Esimerkin 4213 a)-kohdan nojalla C S : V R k ja C S : V R k ovat isomorfismeja Silloin lauseen 4212 kohtien b) ja c) nojalla C 1 S C S : V V on isomorfismi Erityisesti dim(v ) = n V = R n Valitettavasti n-ulotteisella avaruudella V isomorfismi V R n (esimerkiksi C S ) riippuu V :n kannan valinnasta eikä ole kanoninen

Lause 4215 Olkoon L : V V lineaarikuvaus, V ja V äärellisulotteisia vektoriavaruuksia ja dim(v ) = dim(v ) Tällöin seuraavat ehdot ovat yhtäpitävät: i) L on injektio, ii) L on surjektio, iii) L on bijektio Todistus Koska selvästi iii) = i) ja iii) = ii) sekä i) & ii) = iii), riittää osoittaa, että i) ii) Lauseen 425 nojalla dim(ker(l)) + dim(im(l)) = dim(v ) = dim(v ) Voidaan siis päätellä: L on injektio Ker(L) = {0} dim(ker(l)) = 0 dim(im(l)) = dim(v ) Im(L) = V L on surjektio 96 Erityisesti, jos V on äärellisulotteinen, niin jokainen lineaarinen injektio (vastaavasti jokainen lineaarinen surjektio) V V on isomorfismi Tämä ei pidä paikkaansa, jos V ei ole äärellisulotteinen: Esimerkki 4216 Tarkastellaan avaruutta R N (ks 223b), jonka alkiot ovat kaikki kuvaukset f : N R Avaruuden R N :n alkiot f voidaan tulkita lukujonoiksi (x 0, x 1, x 2, ), missä x i = f(i) R kaikilla i N Nyt (x 0, x 1, x 2, ) (0, x 0, x 2, ) on lineaarinen injektio R N R N, mutta ei surjektio (mikään jono ei kuvaudu esimerkiksi jonoksi (1, 1, 1, )); vastaavasti (x 0, x 1, x 2, ) (x 1, x 2, ) on lineaarinen surjektio R N R N, mutta ei injektio (esimerkiksi (0, 0, 0, ) ja (1, 0, 0, ) ovat eri jonoja, mutta kuvautuvat samaksi jonoksi (0, 0, 0, )) Huomautus 4217 a) Olkoon A R m n m n -matriisi Lukujen 3 ja 4 tulosten avulla saadaan uusi todistus perustulokselle dim Col(A) = dim Row(A) (= rank(a); ks 263) Esimerkin 424 ja lauseen 425 nojalla on (a) dim Null(A) + dim Col(A) = dim(r n ) = n

97 Lauseen 344 nojalla on (b) Null(A) = Col(A T ) (R n :ssä) Kohdan (b) ja lauseen 345c) nojalla on (c) dim Null(A) + dim Col(A T ) = dim Col(A T ) + dim Col(A T ) = dim(r n ) = n Esimerkin 4213c) nojalla on (d) Col(A T ) = Row(A) Yhdistetään yllä olevat tulokset: dim Col(A) (a) = n dim Null(A) (c) = n (n dim Col(A T )) = dim Col(A T ) (d) = dim Row(A) Lisäksi rank(a T ) = dim Col(A T ) = dim Row(A) = rank(a) b) Lauseen 4215 avulla on mahdollista todistaa lause 166 geometrisemmalla, dimensioteoriaan perustuvalla tavalla kuin kappaleessa 16 43 Lineaarikuvaukset ja matriisit Olkoot V ja V vektoriavaruuksia Tutkimme joukkoa Lin(V, V ) = {L L on lineaarikuvaus V V }, kun V ja V ovat äärellisulotteisia Todistamme, että jos dim(v ) = n, dim(v ) = m, ja V :lle ja V :lle molemmille valitaan jokin tietty kanta, saadaan kääntäen yksikäsitteinen vastaavuus joukon Lin(V, V ) ja m n -matriisien joukon R m n välille Erikoistapaus Lin(R n, R m ) Esimerkissä 413 a) liitettiin m n -matriisiin A = [ a ij ] R m n lineaarikuvaus L A : R n R m kaavalla L A (x) = Ax kaikilla x R n Lause 431 Kuvaus A L A on bijektio R m n Lin(R n, R m ) Lisäksi (1) L In = id R n, (2) L A+B = L A + L B (A, B R m n ), (3) L ca = cl A (A R m n, c R), ja (4) L AB = L A L B (A R m n, B R n p )

Todistus Injektio Oletetaan, että matriiseilla A, B R m n on L A = L B, ts L A (x) = L B (x) eli Ax = Bx kaikilla x R n Olkoon (e 1,, e n ) R n :n luonnollinen kanta Nyt erityisesti Ae j = Be j kaikilla j {1, 2,, n} Koska Ae j on A:n j:s sarake ja Be j on B:n j:s sarake, on siis A:n j:s sarake sama kuin B:n j:s sarake kaikilla j {1, 2,, n} Näin ollen A = B Surjektio Olkoon L Lin(R n, R m ) (ts L : R n R m on lineaarikuvaus) Olkoon A = [ L(e 1 ) L(e n ) ] R m n se matriisi, jonka sarakkeet ovat L(e j ) R m, j = 1,, n Tällöin L(x) = L(x 1 e 1 + + x n e n ) L lin = x 1 L(e 1 ) + + x n L(e n ) = Ax = L A (x) kaikilla x = [ x 1 x n ] T R n, 98 joten L = L A Viimeiset väitteet seuraavat heti matriisien laskusäännöistä A R m n ja B R n p, on Kun esimerkiksi siten L AB = L A L B L AB (x) = (AB)x 131d = A(Bx) = L A (Bx) = L A (L B (x)) = (L A L B )(x) kaikilla x R p ; Lauseen 431 avulla tulkitaan tarvittaessa matriisi A R m n lineaarikuvaukseksi A : R n R m (samastetaan siis A = L A ) ja päinvastoin Tällöin erityisesti matriisitulo vastaa kuvausten yhdistämistä Yleinen tapaus Lin(V, V ) Olkoon dim(v ) = n, dim(v ) = m, S = (v 1,, v n ) V :n kanta ja S = (v 1,, v m ) V :n kanta Olkoon L : V V lineaarikuvaus Tarkastellaan kaaviota L V V C S R n A C S R m missä C S : v [v] S ja C S : v [v ] S (ks 4213 a) Yhdistelmä C S L C S 1 : R n R m on lineaarikuvaus, joten lauseen 431 mukaan on olemassa yksikäsitteinen m n -matriisi A R m n, jolla C S L C S 1 = A : R n R m, x Ax (Tässä on samastettu A ja L A, kuten edellä sovittiin)

Määritelmä 432 Yllä olevassa tilanteessa matriisi A = M(L; S S) R m n on lineaarikuvauksen L : V V matriisi kantojen S ja S suhteen Olkoon M(L; S S) = A = [ a ij ] R m n Tällöin yllä oleva kaavio kommutoi, ts C S L = A C S, sillä A C S = C S L C S 1 C S = C S L (koska C S 1 C S = id V ) Siispä (433) [ L(v) ] S = M(L; S S) [ v ] S kaikilla v V Jos [v] S = [ x 1 x n ] T ja [L(v)] S = [ y 1 y m ] T, ts 99 n v = x j v j ja L(v) = j=1 m y i v i, i=1 on siis (434) y i = n a ij x j, i = 1,, m j=1 Kun 433:ssa valitaan v = v j, jolloin [v] S = [v j ] S = e j on R n :n luonnollinen kantavektori, nähdään, että [L(v j )] S = M(L; S S) [ v j ] S = M(L; S S)e j on matriisin M(L; S S) j:s sarake (j = 1,, n) Siispä (435) L(v j ) = m i=1 a ij v i, j = 1,, n Huomautus 436 Kun matriisi M(L; S S) = [ a ij ] R m n määritellään kuten 432:ssa, se siis toteuttaa kaavat 433, 434 ja 435 Kääntäen, mikä tahansa näistä kolmesta kaavasta kelpaa yksinkin matriisin M(L; S S) = [ a ij ] määritelmäksi, sillä niistä seuraa, että ko matriisin sarakkeet ovat [L(v j )] S, j = 1, 2,, n, eli päädytään samaan matriisiin kuin 432:ssa Lause 437 Kuvaus L M(L; S S) on bijektio Lin(V, V ) R m n Todistus Käänteiskuvaus R m n Lin(V, V ) saadaan kaavalla A C S 1 A C S, sillä M(C S 1 A C S ; S S) = C S (C S 1 A C S ) C S 1 = A, kun A R m n, ja C S 1 M(L; S S) C S = C S 1 (C S L C S 1 ) C S = L, kun L Lin(V, V )

100 Tarkastellaan lopuksi lausetta 437 erikoistapauksessa, jossa V = R n ja V = R m Olkoot E m ja E n avaruuksien R m ja R n luonnolliset kannat Selvästi 437:n bijektio Lin(R n, R m ) R m n, L M(L; E m E n ), on 431:n bijektion A L A käänteiskuvaus Kun matriisi A R m n samastetaan lineaarikuvauksen L A : R n R m kanssa, saadaan kaavat (438) A = M(L A ; E m E n ) = M(A; E m E n ) Lineaarikuvauksen matriisin ominaisuuksia Olkoot V, V, äärellisulotteisia vektoriavaruuksia Lause 439 Jos S ja T ovat kaksi V :n kantaa, on M(id V ; S T ) = M(S T ) kannanvaihtomatriisi Erityisesti M(id V ; S S) = M(S S) = I n Todistus Koska ehto 433 määrää lineaarikuvauksen matriisin yksikäsitteisesti, seuraa väite siitä, että M(id V ; S T )[v] T = [id V (v)] S = [v] S = M(S T )[v] T v V Lause 4310 Olkoot L : V V ja L : V V lineaarisia, S V :n kanta, S V :n kanta ja S V :n kanta Tällöin M(L L; S S) = M(L ; S S )M(L; S S) Todistus Kuten edellisessäkin lauseessa, väite voidaan todistaa 433:n avulla: ( M(L ; S S )M(L; S S) ) [v] S = M(L ; S S ) ( M(L; S S)[v] S ) 433 = M(L ; S S )[L(v)] S 433 = [L (L(v))] S = [(L 433 L)(v)] S = M(L L; S S)[v] S v V Äskeinen tulos perustuu siis matriisien kertolaskun liitännäisyyteen Seuraus 4311 a) Olkoon L : V V lineaarinen, S ja T kaksi V :n kantaa sekä S ja T kaksi V :n kantaa Silloin M(L; T T ) = M(T S )M(L; S S)M(S T ) b) Olkoon L : V V lineaarinen, ja S ja T kaksi V :n kantaa Tällöin M(L; T T ) = Q 1 M(L; S S)Q, missä Q = M(S T )

101 Todistus a) 4310:n nojalla on M(L; T T ) = M(id V L id V ; T T ) = M(id V ; T S )M(L; S S)M(id V ; S T ) = M(T S )M(L; S S)M(S T ) b) on erikoistapaus (a):sta (V = V, S = S ja T = T ) Olkoon L : V V lineaarikuvaus, dim(v ) = n, dim(v ) = m, S V :n kanta ja S V :n kanta Merkitään A = M(L; S S) R m n Silloin A[v] S = [L(v)] S kaikilla v V Siispä v Ker(L) [L(v)] S = 0 A[v] S = 0 [v] S Null(A), v = L(v) Im(L) [v ] S = [L(v)] S On todistettu seuraava lause: [v ] S = A[v] S Col(A) Lause 4312 C S : V R n ja C S : V R m rajoittuvat isomorfismeiksi Ker(L) = Null(A) ja Im(L) = Col(A) Erityisesti dim Im(L) = dim Col(A) = rank(a) Lause 4313 L : V V on isomorfismi m = n ja M(L; S S) R n n on säännöllinen Tällöin M(L 1 ; S S ) = M(L; S S) 1 Todistus = Olkoon L isomorfismi Lauseen 4214 mukaan on m = n Lauseesta 4310 seuraa sitten, että M(L 1 ; S S )M(L; S S) = M(L 1 L; S S) = M(id V ; S S) = I n, ja samoin M(L; S S)M(L 1 ; S S ) = I n = Olkoon m = n ja A = M(L; S S) R n n säännöllinen Lauseen 437 mukaan on olemassa yksikäsitteinen lineaarikuvaus L : V V, jolla M(L ; S S ) = A 1 Nyt M(L L; S S) 4310 = M(L ; S S )M(L; S S) = A 1 A = I n = M(id V ; S S), joten 437:sta seuraa, että L L = id V Samoin L L = id V Näin ollen L on isomorfismi ja L = L 1

Lineaarikuvauksen matriisin määrittäminen 102 Olkoon S = (v 1,, v n ) vektoriavaruuden V kanta, S = (v 1,, v m ) vektoriavaruuden V kanta, L : V V lineaarikuvaus ja X = [ x ij ] = M(L; S S) R m n L:n matriisi kantojen S ja S suhteen 435:n mukaan matriisialkiot x ij määräytyvät yksikäsitteisesti ehdoista L(v j ) = m x ij v i, j = 1,, n i=1 Käsittelemme seuraavassa erästä erikoistapausta, jossa alkioiden x ij määritys palautuu eräiden lineaaristen yhtälöryhmien ratkaisemiseen Laskumenetelmä 4314 Tarkastellaan lineaarikuvausta A : R n R m, v Av, missä A R m n on m n -matriisi Olkoon S = (v 1,, v n ) jokin R n :n kanta ja S = (v 1,, v m ) jokin Rm :n kanta Muodostettava matriisi X = [ x ij ] = M(A; S S) Ratkaisu Muodostetaan matriisi M S = M(E m S ) = [ v 1 v m ] Rm m kuten s 61, missä E m on R m :n luonnollinen kanta Etsityn matriisin X j:s sarake x j = [ x 1j x 2j x mj ] T määräytyy yksikäsitteisesti yhtälöryhmästä M S x j = Av j, ja nämä n yhtälöryhmää (j = 1,, n) voidaan ratkaista yhdellä kertaa, koska jokaisessa on kerroinmatriisina sama (säännöllinen) matriisi M S Kun nimittäin m (m + n) -matriisi [ M S Av 1 Av n ] = [ v 1 v m Av 1 Av n ] muunnetaan alkeisrivitoimituksilla redusoituun porrasmuotoon, tuloksena on kerroinmatriisin säännöllisyyden ansiosta tyyppiä [ I m B ] oleva matriisi, ja tässä B = X Esimerkki 4315 Olkoon [ 1 2 A = 3 2 ] ; v 1 = [ ] 1 R 2, v 1 2 = Muodostettava X = M(A; S S), missä S = (v 1, v 2 ) Ratkaisu Av 1 = [ 1 2 3 2 ] [ ] 1 = 1 [ ] 1, Av 1 2 = [ 1 2 3 2 [ ] 2 R 2 3 ] [ ] 2 = 3 [ ] 8 ; 12 [ ] [ ] 1 2 [ v 1 v 2 1 8 1 2 1 8 Av1 Av 2 ] = 1 3 1 12 0 5 0 20 [ ] [ ] 1 2 1 8 1 0 1 0 0 1 0 4 0 1 0 4

Siis X = [ ] 1 0 0 4 (Tuloksen saa tietysti suoraankin jos huomaa, että Av 1 = ( 1)v 1 + 0 v 2 ja Av 2 = 0 v 1 +4v 2 ; edellisestä yhtälöstä saadaan X:n ensimmäinen ja jälkimmäisestä toinen sarake) Havaitsemme, että 4315:ssa matriisin A (eli lineaarikuvauksen v Av) geometrinen merkitys näkyy helpommin matriisista X = M(A; S S): Kantavektorin v 1 suuntaiset vektorit kuvautuvat vastavektoreikseen ja v 2 :n suuntaiset vektorit venytetään pituudeltaan nelinkertaisiksi Huomautus 4316 4314:n tilanteessa on seurauksen 4311 a) mukaan X = M(S E m )M(A; E m E n )M(E m S) = M 1 S AM S, missä E n on R n :n luonnollinen kanta ja M S = M(E n S) = [ v 1 v n ] Etsitty matriisi X saadaan siis myös, kun muodostetaan käänteismatriisi M 1 S kuten 167:ssä ja lasketaan matriisitulo M 1 S AM S Tämä tapa on yleensä työläämpi kuin 4314:ssä esitetty 103