מתוך ויקיספר, אוסף הספרים והמדריכים החופשי
הגדרה 1.8.1: 12 מטריצה מייצגת - מטריצת מעבר מבסיס B לבסיס C
נגדיר את קיום העתקה
T
{\displaystyle T}
יהיו
V
,
W
{\displaystyle V,W}
מ"ו מעל
F
{\displaystyle \mathbb {F} }
,
B
=
(
v
1
,
…
,
v
n
)
,
C
=
(
w
1
,
⋯
,
w
m
)
{\displaystyle B=(v_{1},\ldots ,v_{n}),C=(w_{1},\cdots ,w_{m})}
הם בסיסים סדורים של
V
,
W
{\displaystyle V,W}
בהתאמה. (כלומר
V
,
W
{\displaystyle V,W}
נוצרים סופית, ומימדיהם
n
,
m
{\displaystyle n,m}
בהתאמה). תהי
T
:
V
→
W
{\displaystyle T:V\to W}
ה"ל. המטריצה המייצגת של
T
{\displaystyle T}
ביחס לבסיסים
B
,
C
{\displaystyle B,C}
היא המטריצה
A
{\displaystyle A}
כך שהעמודה ה־
j
{\displaystyle j}
של
A
{\displaystyle A}
היא
[
T
(
v
j
)
]
C
{\displaystyle {\bigl [}T(v_{j}){\bigr ]}_{C}}
טענה 1: קיום מטריצה
T
{\displaystyle T}
יחידה
יהיו
V
,
W
{\displaystyle V,W}
מ"ו מעל
F
{\displaystyle \mathbb {F} }
,
B
=
(
v
1
,
…
,
v
n
)
,
C
=
(
w
1
,
⋯
,
w
m
)
{\displaystyle B=(v_{1},\ldots ,v_{n}),C=(w_{1},\cdots ,w_{m})}
הם בסיסים של
V
,
W
{\displaystyle V,W}
בהתאמה.
A
∈
M
m
×
n
{\displaystyle A\in M_{m\times n}}
עם מקדמים ב־
F
{\displaystyle \mathbb {F} }
אז קיימת העתקה לינארית
T
:
V
→
W
{\displaystyle T:V\to W}
יחידה עבורה
[
T
]
C
B
=
A
{\displaystyle [T]_{C}^{B}=A}
.
הוכחה: נסמן את המקדמים של
A
{\displaystyle A}
ב־
a
i
j
{\displaystyle a_{ij}}
(שורה
i
{\displaystyle i}
עמודה
j
{\displaystyle j}
), כלומר
A
=
[
a
11
⋯
a
1
n
⋮
⋮
a
m
1
⋯
a
m
n
]
{\displaystyle A={\begin{bmatrix}a_{11}&\cdots &a_{1n}\\\vdots &&\vdots \\a_{m1}&\cdots &a_{mn}\end{bmatrix}}}
.
אז
[
T
]
C
B
=
A
{\displaystyle [T]_{C}^{B}=A}
אם ורק אם לכל
1
≤
j
≤
n
{\displaystyle 1\leq j\leq n}
מתקיים
[
T
(
v
j
)
]
C
=
[
a
1
j
⋮
a
m
j
]
{\displaystyle {\bigl [}T(v_{j}){\bigr ]}_{C}={\begin{bmatrix}a_{1j}\\\vdots \\a_{mj}\end{bmatrix}}}
(כלומר רק כאשר אנחנו מכניסים אל תוך העתקה
T
{\displaystyle T}
את וקטורי בסיס
B
{\displaystyle B}
).
כל וקטור
w
∈
W
{\displaystyle w\in W}
הוא תוצאה של צירופים לינאריים של ווקטורי הבסיס של
W
{\displaystyle W}
ולכן ניתן להציגו
w
=
a
1
w
1
+
⋯
+
a
m
w
m
{\displaystyle w=a_{1}w_{1}+\cdots +a_{m}w_{m}}
.
אם אנחנו מפעילים העתקה על וקטורי
B
{\displaystyle B}
ומקבלים וקטור בתצוגה של
C
{\displaystyle C}
אז
[
T
]
C
B
=
A
{\displaystyle [T]_{C}^{B}=A}
זה מתקיים אמ"מ:
T
(
v
j
)
=
a
1
j
w
1
+
.
.
.
+
a
m
j
w
m
{\displaystyle T\left(v_{j}\right)=a_{1j}w_{1}+...+a_{mj}w_{m}}
(לאחר הפעלה העתקה נרצה שהוקטורים החדשים יהיו שווים לצ"ל של ווקטורי בסיס C).
לפי המשפט קיום ויחידות ה"ל, קיימת
T
:
V
→
W
{\displaystyle T:V\to W}
יחידה עבורה
T
(
v
j
)
=
a
1
j
w
1
+
⋯
+
a
m
j
w
m
{\displaystyle T(v_{j})=a_{1j}w_{1}+\cdots +a_{mj}w_{m}}
אז
[
T
]
C
B
=
A
{\displaystyle [T]_{C}^{B}=A}
משפט 1:
[
T
]
C
B
⋅
[
v
]
B
=
[
T
(
v
)
]
C
=
A
[
v
]
B
{\displaystyle [T]_{C}^{B}\cdot [v]_{B}={\bigl [}T(v){\bigr ]}_{C}=A[v]_{B}}
הכנסת ווקטור
B
{\displaystyle B}
אל ההעתקה "מייצר" ווקטורים בבסיס
C
{\displaystyle C}
יהיו
V
,
W
{\displaystyle V,W}
מ"ו מעל
F
{\displaystyle \mathbb {F} }
,
B
=
(
v
1
,
…
,
v
n
)
,
C
=
(
w
1
,
⋯
,
w
m
)
{\displaystyle B=(v_{1},\ldots ,v_{n}),C=(w_{1},\cdots ,w_{m})}
הם בסיסים של
V
,
W
{\displaystyle V,W}
בהתאמה. יהי
v
∈
V
{\displaystyle v\in V}
. אז
[
T
]
C
B
⋅
[
v
]
B
=
[
T
(
v
)
]
C
{\displaystyle [T]_{C}^{B}\cdot [v]_{B}={\bigl [}T(v){\bigr ]}_{C}}
הוכחה:
נסמן
[
v
]
B
=
[
c
1
⋮
c
n
]
,
[
T
]
C
B
=
(
a
11
⋯
a
1
n
⋮
⋮
a
m
1
⋯
a
m
n
)
{\displaystyle [v]_{B}={\begin{bmatrix}c_{1}\\\vdots \\c_{n}\end{bmatrix}},\quad [T]_{C}^{B}={\begin{pmatrix}a_{11}&\cdots &a_{1n}\\\vdots &&\vdots \\a_{m1}&\cdots &a_{mn}\end{pmatrix}}}
אז קיים צ"ל על בסיס
B
{\displaystyle B}
עבורו
v
=
c
1
v
1
+
⋯
+
c
n
v
n
=
∑
j
=
1
m
n
c
j
v
j
∗
{\displaystyle v=c_{1}v_{1}+\cdots +c_{n}v_{n}=\sum _{j=1}^{m}nc_{j}v_{j}*}
בנוסף מהמטריצה
T
{\displaystyle T}
(ראה הוכחה לעיל) נקבל:
[
T
(
v
j
)
]
C
=
[
a
i
j
⋮
a
m
j
]
{\displaystyle {\bigl [}T(v_{j}){\bigr ]}_{C}={\begin{bmatrix}a_{ij}\\\vdots \\a_{mj}\end{bmatrix}}}
, כלומר
[
T
(
v
j
)
]
C
=
a
1
j
w
1
+
⋯
+
a
m
j
w
m
=
∑
i
=
1
m
m
a
i
j
w
i
{\displaystyle {\bigl [}T(v_{j}){\bigr ]}_{C}=a_{1j}w_{1}+\cdots +a_{mj}w_{m}=\sum _{i=1}^{m}ma_{ij}w_{i}}
נבצע העתקה על
v
∗
{\displaystyle v*}
ונקבל
T
(
v
)
=
T
(
∑
j
=
1
m
n
c
j
v
j
)
=
∑
j
=
1
m
n
c
j
T
(
v
j
)
=
∑
j
=
1
m
n
c
j
(
∑
j
=
1
m
m
a
i
j
w
i
)
=
⏞
∗
∑
j
=
1
m
n
∑
j
=
1
m
m
a
i
j
⋅
c
j
⋅
w
i
=
∑
j
=
1
m
m
(
∑
j
=
1
m
n
a
i
j
⋅
c
j
)
⋅
w
i
{\displaystyle T(v)=T\left(\sum _{j=1}^{m}nc_{j}v_{j}\right)=\sum _{j=1}^{m}nc_{j}T(v_{j})=\sum _{j=1}^{m}nc_{j}\left(\sum _{j=1}^{m}ma_{ij}w_{i}\right)\overbrace {=} ^{*}\sum _{j=1}^{m}n\sum _{j=1}^{m}ma_{ij}\cdot c_{j}\cdot w_{i}=\sum _{j=1}^{m}m\left(\sum _{j=1}^{m}na_{ij}\cdot c_{j}\right)\cdot w_{i}}
מתכונות ה"ל, ואסוציאטיביות (החלפת סדר מחוברים)
נסמן
b
i
=
∑
j
=
1
m
n
a
i
j
c
j
{\displaystyle b_{i}=\sum _{j=1}^{m}na_{ij}c_{j}}
אז מעבר בסיסים
[
T
(
v
j
)
]
C
=
∑
i
=
1
m
m
b
i
w
i
{\displaystyle {\bigl [}T(v_{j}){\bigr ]}_{C}=\sum _{i=1}^{m}mb_{i}w_{i}}
יקיים
[
T
(
v
)
]
C
=
(
b
1
⋮
b
m
)
{\displaystyle {\bigl [}T(v){\bigr ]}_{C}={\begin{pmatrix}b_{1}\\\vdots \\b_{m}\end{pmatrix}}}
.
בנוסף
[
T
]
C
B
[
v
]
B
=
[
a
11
⋯
a
1
n
⋮
⋮
a
m
1
⋯
a
m
n
]
[
c
1
⋮
c
n
]
=
[
b
1
⋮
b
m
]
=
[
T
(
v
)
]
C
{\displaystyle [T]_{C}^{B}[v]_{B}={\begin{bmatrix}a_{11}&\cdots &a_{1n}\\\vdots &&\vdots \\a_{m1}&\cdots &a_{mn}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}c_{1}\\\vdots \\c_{n}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}b_{1}\\\vdots \\b_{m}\end{bmatrix}}={\bigl [}T(v){\bigr ]}_{C}}
מסקנה: בהינתן מ"ו עם בסיס סדור
B
=
(
v
1
,
…
,
v
n
)
{\displaystyle B=(v_{1},\ldots ,v_{n})}
, קיימת ה"ל הפיכה
T
B
:
F
n
→
V
{\displaystyle T_{B}:\mathbb {F} ^{n}\to V}
המוגדרת ע"ׁי
T
B
[
c
1
⋮
c
n
]
=
c
1
v
1
+
⋯
+
c
n
v
n
{\displaystyle T_{B}{\begin{bmatrix}c_{1}\\\vdots \\c_{n}\end{bmatrix}}=c_{1}v_{1}+\cdots +c_{n}v_{n}}
.
כמו כן
S
B
(
v
)
=
[
v
]
B
{\displaystyle S_{B}(v)=[v]_{B}}
,
S
B
:
V
→
F
n
{\displaystyle S_{B}:V\to \mathbb {F} ^{n}}
. ברור כי
T
B
,
S
B
{\displaystyle T_{B},S_{B}}
הפוכות זו לזו.
V
→
⏞
S
B
F
n
{\displaystyle V\overbrace {\to } ^{S_{B}}\mathbb {F} ^{n}}
.
W
→
⏞
S
c
F
m
{\displaystyle W\overbrace {\to } ^{S_{c}}\mathbb {F} ^{m}}
יהיו
V
,
W
{\displaystyle V,W}
מ"ו מעל
F
{\displaystyle \mathbb {F} }
,
B
,
C
{\displaystyle B,C}
בסיסים של
V
,
W
{\displaystyle V,W}
.
תהי
T
:
V
→
W
{\displaystyle T:V\to W}
ה"ל. נסמן
A
=
[
T
]
C
B
{\displaystyle A=[T]_{C}^{B}}
.
T
A
(
x
)
=
A
x
T
A
:
F
n
→
F
m
{\displaystyle T_{A}(x)=Ax\quad T_{A}:\mathbb {F} ^{n}\to \mathbb {F} ^{m}}