高等代数 · 课程学习笔记

第 P86 集 · 线性映射(一)

Linear Maps I: Definition, Linear Transformations, Zero Map, Identity Map, Invertible Linear Maps
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P86 / 151 集 核心概念:线性映射 · 线性变换 · 零变换 · 恒等变换 · 可逆线性映射
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◎学习目标

  1. 理解线性映射的定义:\(T:V\to W\) 满足 \(T(u+v)=T(u)+T(v)\) 且 \(T(cu)=c\,T(u)\);
  2. 区分线性映射与线性变换:后者是 \(V\to V\) 的线性映射;
  3. 掌握零变换(\(\mathbf{0}\) 变换)和恒等变换(\(I\) 或 \(1\) 变换)的定义与记法;
  4. 理解可逆线性映射的含义:既是线性映射又是双射(即同构映射);
  5. 掌握线性映射的若干基本性质:保零、保负向量、保线性组合、保持线性相关性方向(只单向)。

1线性映射的定义 ⏱ 00:00

本章开启高等代数研究主线之一:线性空间的结构。丘老师特别强调,学习高等代数要抓住主线——研究 \(F\) 上线性空间的结构,主要有五条途径:

学习主线提示
  1. 基与维数(有限维与无限维);
  2. 子空间的交与和,特别是直和;
  3. 线性空间的同构;
  4. 对偶空间;
  5. 线性映射(本章起)。

期中考试前四条,期末考试五条。

定义 · 线性映射 设 \(V,W\) 是域 \(F\) 上的线性空间,映射 \(T:V\to W\) 称为线性映射,如果满足:
\[ \forall\, u,v\in V:\quad T(u+v)=T(u)+T(v), \] \[ \forall\, c\in F,\;\forall\, v\in V:\quad T(c\,v)=c\,T(v). \]
形象理解 丘老师比喻:"有了线性空间这个舞台,要研究线性映射在这个舞台上演出的各种精彩细节。"⏱ 00:33

2线性变换与典型例子 ⏱ 04:32

当 \(W=V\) 时,从 \(V\) 到自身 \(V\) 的线性映射有专门的名称:

定义 · 线性变换 \(V\) 到 \(V\) 的线性映射称为 \(V\) 上的线性变换。

典型例子:数乘变换

给定 \(k\in F\),定义映射 \(k\bar{\phantom{v}}:V\to V\):

\[ k\bar{\phantom{v}}(\alpha)=k\cdot\alpha,\quad \forall\,\alpha\in V. \]

容易验证它保持加法和数乘,因此是 \(V\) 上的线性变换,称为数乘变换。⏱ 05:46

由此产生两个特殊情形:

记法说明 恒等变换常记为 \(I_V\) 或 \(I\),有时也记为 \(\mathrm{1}\)(数 1 的数乘变换)。⏱ 07:50

3线性映射的基本性质 ⏱ 08:16

设 \(A:V\to V'\) 是线性映射,则有如下基本性质:

性质 1(保零) \[ A(\mathbf{0}_V)=\mathbf{0}_{V'}. \] 证明:\(\mathbf{0}_V=0\cdot\mathbf{0}_V\),故 \(A(\mathbf{0}_V)=0\cdot A(\mathbf{0}_V)=\mathbf{0}_{V'}\)。
性质 2(保负向量) \[ A(-\alpha)=-A(\alpha),\quad \forall\,\alpha\in V. \] 证明:\(-\alpha=(-1)\cdot\alpha\),故 \(A(-\alpha)=(-1)\cdot A(\alpha)=-A(\alpha)\)。
性质 3(保线性组合) 对任意 \(\alpha_1,\dots,\alpha_s\in V\) 和 \(k_1,\dots,k_s\in F\):
\[ A\!\left(\sum_{i=1}^{s}k_i\alpha_i\right)=\sum_{i=1}^{s}k_i\,A(\alpha_i). \]
由保加法和保数乘反复应用即得。
性质 4(线性相关性:单向传递) 若 \(\alpha_1,\dots,\alpha_s\) 在 \(V\) 中线性相关,则 \(A(\alpha_1),\dots,A(\alpha_s)\) 在 \(V'\) 中也线性相关。

反向不成立:\(\alpha_i\) 线性无关,\(A(\alpha_i)\) 可能线性相关也可能无关,取决于 \(A\) 的核。

4线性映射由基唯一决定 ⏱ 14:00

当 \(V\) 是有限维(设 \(\dim V=n\)),取一组基 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\) 后:

定理 · 线性映射由基唯一决定 设 \(A,B:V\to V'\) 是线性映射,\(\alpha_1,\dots,\alpha_n\) 是 \(V\) 的一组基。若 \[ A(\alpha_i)=B(\alpha_i),\quad i=1,\dots,n, \] 则 \(A=B\)(即对一切 \(\alpha\in V\),\(A(\alpha)=B(\alpha)\))。
证明

任取 \(\alpha\in V\),由基的性质:\(\alpha=a_1\alpha_1+\cdots+a_n\alpha_n\)。由保线性组合:

\[ A(\alpha)=a_1A(\alpha_1)+\cdots+a_nA(\alpha_n). \]

同理 \(B(\alpha)=a_1B(\alpha_1)+\cdots+a_nB(\alpha_n)\)。由条件 \(A(\alpha_i)=B(\alpha_i)\),逐项相等,故 \(A(\alpha)=B(\alpha)\),对一切 \(\alpha\) 成立,即 \(A=B\)。

重要推论 要构造一个从 \(V\)(\(n\) 维)到 \(V'\) 的线性映射,只需指定 \(n\) 个基向量的像即可,其余向量的像由线性组合自动确定。⏱ 15:30

5可逆线性映射 ⏱ 19:16

回顾同构映射(一一映射且保持运算)的定义:

定义 · 可逆线性映射 设 \(A:V\to V\) 是线性映射。若 \(A\) 还是双射(一一且满射),则称 \(A\) 为可逆线性映射(或 \(V\) 上的同构变换)。

丘老师特别指出:⏱ 20:50

小结 线性变换的两种极端:零变换(所有向量都映为零)、恒等变换(每个向量保持不变)。它们分别是数乘变换 \(k=0\) 和 \(k=1\) 的特例。⏱ 21:40

★重点回顾

1
线性映射定义:保加法 \(T(u+v)=T(u)+T(v)\),保数乘 \(T(cv)=c\,T(v)\)。
2
线性变换是 \(V\to V\) 的线性映射;零变换把所有向量映为 \(\mathbf{0}\),恒等变换 \(I\) 满足 \(I(\alpha)=\alpha\)。
3
保线性组合:\(T(\sum k_i\alpha_i)=\sum k_i\,T(\alpha_i)\),由此推出保零和保负向量。
4
线性相关性只单向传递:源线性相关 \(\Rightarrow\) 像线性相关;反之不一定成立(取决于核是否为零)。
5
基决定性定理:有限维 \(V\) 上线性映射被其在基上的作用唯一确定;构造线性映射只需指定基的像。
6
可逆线性映射=同构变换=双射 + 线性映射。

⚠常见误区提醒

常见错误
  1. 混淆线性映射与一般映射:线性映射必须同时满足保加法和保数乘,缺一不可。
  2. 误认为线性相关性可双向传递:\(\alpha_i\) 线性无关 \(\not\Rightarrow\) \(T(\alpha_i)\) 线性无关。反例:零变换把任何基都映为全零向量组,变得线性相关。
  3. 忽略线性映射由基决定的前提:基决定性定理要求 \(V\) 是有限维;无限维情形需另行处理。
  4. 混淆"零变换"与"零映射(到零空间)":零变换是 \(V\to V\) 的线性变换,把所有向量映为 \(\mathbf{0}_V\);而一般线性映射的"核"(零空间)是另一概念。
  5. 恒等变换的记号混乱:\(I\)、\(I_V\)、\(1\bar{\phantom{v}}\) 都是同一个东西,注意区分数 1 与恒等变换 \(I\)。

✎自测题

  1. 验证:对任意线性映射 \(T:V\to W\),有 \(T(\mathbf{0}_V)=\mathbf{0}_W\),并由此推出 \(T(-v)=-T(v)\)。
  2. 设 \(T:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}^3\) 定义为 \(T(x,y)=(x+y,\;x-y,\;2x)\),验证 \(T\) 是线性映射。
  3. 设 \(A:\mathbb{R}^3\to\mathbb{R}^2\) 是线性映射,且 \(A(1,0,0)=(1,2)\),\(A(0,1,0)=(3,-1)\),\(A(0,0,1)=(0,4)\)。求 \(A(2,-1,3)\)。
  4. 举例说明:\(\alpha_1,\alpha_2\) 线性无关,但 \(T(\alpha_1),T(\alpha_2)\) 可能线性相关。
  5. 证明:若 \(T:V\to W\) 是线性映射,\(T(\alpha_1),\dots,T(\alpha_n)\) 线性无关,则 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\) 也线性无关。(提示:用性质 4 的逆否命题)
  6. (思考题)设 \(V\) 是无限维线性空间,\(\{\alpha_i\}_{i\in I}\) 是一组基。证明:任意指定每个 \(\alpha_i\) 的像 \(w_i\in W\),存在唯一的线性映射 \(T:V\to W\) 满足 \(T(\alpha_i)=w_i\)。
下一集预告 第 P87 集 · 二:同态映射视角、线性映射的加法与数乘运算,引入 \(\operatorname{Hom}(V,W)\) 构成线性空间的概念。