1. Lineáris leképezések



Hasonló dokumentumok
A lineáris tér. Készítette: Dr. Ábrahám István

Lineáris Algebra gyakorlatok

1.1. Gyökök és hatványozás Hatványozás Gyökök Azonosságok Egyenlőtlenségek... 3

Többváltozós függvények Riemann integrálja

Lineáris algebra I. Vektorok és szorzataik

1. Bázistranszformáció

Lineáris algebra bevezető

5. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 5. előadás Lineáris függetlenség

Lineáris algebra - jegyzet. Kupán Pál

Miskolci Egyetem. Diszkrét matek I. Vizsga-jegyzet. Hegedűs Ádám Imre

Lineáris Algebra GEMAN 203-B. A három dimenziós tér vektorai, egyenesei, síkjai

Bevezetés a számításelméletbe I. feladatgyűjtemény. Szeszlér Dávid, Wiener Gábor

Mátrixaritmetika. Tartalom:

Valasek Gábor

4. előadás. Vektorok

Vektortér. A vektortér elemeit vektornak, a test elemeit skalárnak nevezzük. Ezért a függvény neve skalárral való szorzás (nem művelet).

MATEMATIKA FELADATGYŰJTEMÉNY

Lineáris algebra I. Kovács Zoltán. Előadásvázlat (2006. február 22.)

1. Transzformációk mátrixa

Tárgyév adata december 31. Tárgyév adata december 31. A tétel megnevezése

1. Az euklideszi terek geometriája

5. Végezd el a kijelölt műveleteket, és ahol lehet, vonj össze!

1. Mátrixösszeadás és skalárral szorzás

A gyakorlati jegy

10. Feladat. Döntse el, hogy igaz vagy hamis. Név:...

Fejezetek a lineáris algebrából PTE-PMMK, Műszaki Informatika Bsc. Dr. Kersner Róbert

BUDAPESTI KÖZGAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM. Puskás Csaba, Szabó Imre, Tallos Péter LINEÁRIS ALGEBRA JEGYZET

Egy irányított szakasz egyértelműen meghatároz egy vektort.

Juhász Tibor. Lineáris algebra

Lineáris algebrai módszerek a kombinatorikában

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2012/2013 Matematika I. kategória (SZAKKÖZÉPISKOLA) Döntő Megoldások

NUMERIKUS MÓDSZEREK FARAGÓ ISTVÁN HORVÁTH RÓBERT. Ismertető Tartalomjegyzék Pályázati támogatás Gondozó

Mátrixok február Feladat: Legyen ( ( B = A =

5. gyakorlat. Lineáris leképezések. Tekintsük azt a valós függvényt, amely minden számhoz hozzárendeli az ötszörösét!

Absztrakt vektorterek

Lineáris programozás. Modellalkotás Grafikus megoldás Feladattípusok Szimplex módszer

A kvantummechanika általános formalizmusa

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

10.3. A MÁSODFOKÚ EGYENLET

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

F.I.1. Vektorok és vektorműveletek

Feladatok. 6. A CYK algoritmus segítségével döntsük el, hogy aabbcc eleme-e a G = {a, b, c}, {S, A, B, C}, P, S nyelvtan által generált nyelvnek!

Lineáris leképezések, mátrixuk, bázistranszformáció. Képtér, magtér, dimenziótétel, rang, invertálhatóság

Bevezetés 3. Vizsga tételsor 5. 1 Komplex számok 6. 2 Lineáris algebra Vektorterek 11

a védelmi feladatokban részt vevő elektronikus hírközlési szolgáltatók kijelöléséről és felkészülési feladataik meghatározásáról

1. Algebrai alapok: Melyek műveletek az alábbiak közül?

Széchenyi István Egyetem, 2005

DISZKRÉT MATEMATIKA: STRUKTÚRÁK Előadáson mutatott példa: Bércesné Novák Ágnes

Diszkrét Matematika I.

Analízis I. jegyzet. László István november 3.

Lineáris algebra gyakorlat

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

1. Lineáris transzformáció

Egyetemi matematika az iskolában

Mátrixok. 3. fejezet Bevezetés: műveletek táblázatokkal

1. Diagonalizálás. A Hom(V) diagonalizálható, ha van olyan bázis, amelyben A mátrixa diagonális. A diagonalizálható van sajátvektorokból álló bázis.

Matematika OKTV I. kategória 2017/2018 második forduló szakgimnázium-szakközépiskola

Matematikai alapismeretek. Huszti Andrea

86 MAM112M előadásjegyzet, 2008/2009

Diszkrét matematika I., 12. előadás Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach november 30.

Differenciálegyenletek a hétköznapokban

Matematika szintfelmérő szeptember

Líneáris függvények. Definíció: Az f(x) = mx + b alakú függvényeket, ahol m 0, m, b R elsfokú függvényeknek nevezzük.

MATEMATIKA FELZÁRKÓZTATÓ TANFOLYAM

Kvadratikus alakok gyakorlás.

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

Egy csodálatos egyenesről (A Simson-egyenes) Bíró Bálint, Eger

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

Mezei Ildikó-Ilona. Analitikus mértan

Sztojka Miroszláv LINEÁRIS ALGEBRA Egyetemi jegyzet Ungvár 2013

Első sorozat (2000. május 22. du.) 1. Oldjamegavalós számok halmazán a. cos x + sin2 x cos x. +sinx +sin2x =

Nemzeti versenyek évfolyam

D G 0 ;8 ; 0 0 " & *!"!#$%&'" )! "#$%&' (! )* +,-. /0 )* **! / 0 1 ) " 8 9 : 7 ; 9 < = > A! B C D E +,-./0! 1#! 2 3!./0

Egy emelt szintű érettségi feladat kapcsán Ábrahám Gábor, Szeged

Lineáris algebra. (közgazdászoknak) T C T = ( 1 ) ; , D T D =

Ismerkedés az Abel-csoportokkal

Intergrált Intenzív Matematika Érettségi

Vektoralgebra feladatlap 2018 január 20.

III. FEJEZET FÜGGVÉNYEK ÉS TULAJDONSÁGAIK

Áttekintés a felhasznált lineáris algebrai ismeretekről.

6. modul Egyenesen előre!

LINEÁRIS ALGEBRA. matematika alapszak. Euklideszi terek. SZTE Bolyai Intézet, őszi félév. Euklideszi terek LINEÁRIS ALGEBRA 1 / 40

Lineáris Algebra. Tartalomjegyzék. Pejó Balázs. 1. Peano-axiomák

Gondolkodjunk a fizika segı tse ge vel!

Méréssel kapcsolt 3. számpélda

5. Trigonometria. 2 cos 40 cos 20 sin 20. BC kifejezés pontos értéke?

AES kriptográfiai algoritmus

Példa: 5 = = negatív egész kitevő esete: x =, ha x 0


Klasszikus algebra előadás. Waldhauser Tamás április 28.

SZILÁRDSÁGTAN A minimum teszt kérdései a gépészmérnöki szak egyetemi ágon tanuló hallgatói részére (2004/2005 tavaszi félév, szigorlat)

MATEMATIKA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI-FELVÉTELI FELADATOK május 19. du. JAVÍTÁSI ÚTMUTATÓ

2) = 0 ahol x 1 és x 2 az ax 2 + bx + c = 0 ( a,b, c R és a 0 )

18. előadás ÁLLANDÓ KÖLTSÉGEK ÉS A KÖLTSÉGGÖRBÉK

8/2014. (X.10.) KLIK elnöki utasítás

Lineáris algebra és mátrixok alkalmazása a numerikus analízisben

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

Feladatok a koordináta-geometria, egyenesek témaköréhez 11. osztály, középszint

1. zárthelyi,

Átírás:

Lineáris leképezések A lineáris leképezés fogalma Definíció (F5 Definíció) Legenek V és W vektorterek UGYANAZON T test fölött Az A : V W lineáris leképezés, ha összegtartó, azaz v,v 2 V esetén A(v +v 2 ) = A(v )+A(v 2 ); skalárszorostartó, azaz v V és λ T esetén A(λv) = λa(v) Az A : V W lineáris leképezések halmaza Hom(V, W) Állítás (F52 Tétel) Minden lineáris leképezés nullát nullába, ellentettet ellentettbe visz, azaz A( V ) = W és A( v) = A(v) i ötlet az első állításra A( V ) = A( V + V ) = A( V )+A( V ), adjunk hozzá A( V )-t Példák lineáris leképezésre () A sík és a tér origót fixáló egbevágósági és hasonlósági transzformációi (tükrözés, forgatás, nújtás) (2) V = T n és W = T m a T fölött, M T m n rögzített mátrix Legen A(v) = Mv (3) V = W = T[x] a T fölött, A(p) = p (a p polinom deriváltja) (4) V = R[x] az R fölött, W = R önmaga fölött A(p) = p(3) (az 3 szám behelettesítése) (5) V vektortér T fölött, W = T n a T test fölött B = (b,,b n ) rögzített bázis V -ben és A(v) = [v] B (6) V és W tetszőleges vektorterek T fölött, A(v) = W Ez a nulla leképezés, jele (7) V = W tetszőleges vektortér, A(v) = v Ez az identikus leképezés, jele I vag I V

Tükrözés egenesre Példa Legen R az = x egenesre való tükrözés 2 2 = x R R () = () = () R = 2 2 A tükrözés képlete Kérdés Legen R az = x egenesre való tükrözés R () Láttuk: R () x R = R ([ x = ] + [ () x =? () és R = Ezért ]) () () x = R +R, hiszen R összegtartó A skalárszoros-tartás miatt ez ( ) ( ) () () R x +R = xr +R = = x + = + = x x 2

Vektor képe általános transzformációnál Kérdés Legen A : T 2 T 2 lineáris transzformáció () () () a c x Ha A = és A =, akkor A =? b d A () x = A ( x + ) = A () x +A (), hiszen A összegtartó A skalárszoros-tartás miatt ez ( ) ( ) () () A x +A = xa +A = a c ax c ax+c = x + = + = b d bx d bx+d Tehát minden vektor képét ki tudjuk számolni, ha ismerjük a,b,c,d értékét Lineáris transzformáció mátrixa Láttuk Legen A : T 2 T 2 lineáris transzformáció Ha () () () a c x ax+c A = és A =, akkor A = b d bx+d Definíció A fenti A mátrixa [A] = a c (Az oszlopok b d és képei) A mátrix-vektor szorzás definíciójának indoka: a c x ax+c = (íg lehet kiszámolni eg vektor képét) b d bx+d Azaz A(v) = [A]v A forgatás mátrixa Példa cosα sinα Az origó körüli α szögű forgatás mátrixa [F]= sinα cosα A megfelelő derékszögű háromszögek lerajzolásával: HF Komplex számokkal: ez a forgatás szorzás cos α + i sin α-val x Az x+i számnak az felel meg: és i A [F] első oszlopa: (cosα+isinα) [ cosα sinα A második: i(cosα+isinα) = sinα+icosα ] sinα cosα 3

Mátrix bázispárban Definíció (F57 Definíció) b = (b,,b n ) bázis V -ben, d = (d,,d m ) bázis W-ben Ha A : V W lineáris leképezés, ] akkor A mátrixa a (b, d) bázispárban [A] d/b = [[A(b )] d,,[a(b n )] d T m n A mátrix j-edik oszlopába A(b j ) koordinátáit írjuk a d bázisban λ λ n Azaz [A] d/b = azt jelenti, hog λ m λ mn A(b ) = λ d ++λ m d m,, A(b n ) = λ n d ++λ mn d m Az előbbi példákban a sík szokásos bázisa szerepelt Vektor képének kiszámítása Tétel (F573 Tétel) Legen b bázis V -ben, d bázis W-ben, A Hom(V,W) és v V Ekkor [A(v)] d = [A] d/b [v] b Bázisok megjegzése: d = (d/b)b ( kiesik a b) Legen [A] d/b = ((λ ij )) és [v] b = ((µ j )) Ekkor λ λ n µ λ µ ++λ n µ n [A] d/b [v] b = = λ m λ mn µ n λ m µ ++λ mn µ n Tudjuk: A(v) = A(µ b ++µ n b n ) = µ A(b )++µ n A(b n ), és A(b j ) = λ j d ++λ mj d m Behelettesítve A(v) = (λ µ ++λ n µ n )d ++(λ m µ ++λ mn µ n )d m 4

2 Lineáris leképezések szorzata Példa kompozícióra Kérdés Melik transzformációt kapjuk, ha először tükrözünk az = x egenesre, majd forgatunk az origó körül 9 -kal? Ez a két transzformáció kompozíciója (egmás utánja) () x x R = x [ cos9 sin9 Mivel [F] = F ([ x ] sin9 cos9 =, ezért képe x ]) +( )x x = = = x +x Az eredmén az -tengelre való tükrözés (Házi Feladat) A kompozíció mátrixa Definíció Ha A,B : T 2 T 2 transzformációk, akkor kompozíciójuk (A B)(v) = A ( B(v) ) tetszőleges v T 2 esetén Összetett függvén: először B-t, utána A-t alkalmazzuk Tétel a c a c Ha [A] =, és [B] = b d b d, akkor aa [A B]= +cb ac +cd ba +db bc +dd Tehát [A B] = [A][B]: kompozíció mátrixa a mátrixok szorzata A mátrixok szorzását azért definiáltuk ezekkel a képletekkel, hog ez az összefüggés igaz legen A kompozíció mátrixának kiszámítása Tétel a c a c [A]=, [B]= aa b d b d = [A B]= +cb ac +cd ba +db bc +dd ( ) () a a c a aa A B = A b = b d b = +cb ba +db Ezért A B első oszlopa ténleg az, ami a tételben szerepel ( ) () c a c c ac A B = A d = b d d = +cd bc +dd Ezért A B második oszlopa is megfelelő 5

Példa: [F R] = [F][R] = = Kompozíció az általános esetben Definíció (F56 Definíció) Legenek U, V és W vektorterek uganazon T test fölött Az A : V W és a B : U V lineáris leképezések szorzata (kompozíciója) (AB)(u) = A ( B(u) ) minden u U-ra Tétel (F562 Tétel) Ha A és B lineáris, akkor AB is az AB skalárszoros-tartó: AB(λu) = A ( B(λu) ) = A ( λb(u) ) = λa ( B(u) ) = λab(u) A kompozíció definíciója miatt B skalárszoros-tartása miatt A skalárszoros-tartása miatt A kompozíció definíciója miatt HF: AB összegtartó Általános kompozíció mátrixa Tétel (F576 Tétel) Legen a bázis U-ban, b bázis V -ben, d bázis W-ben, A Hom(V,W) és B Hom(U,V) Ekkor [AB] d/a = [A] d/b [B] b/a : HF Bázisok megjegzése: d/a = (d/b)(b/a) ( kiesik a b) Következmén Inverz leképezés mátrixa a mátrix inverze: [A ] b/d = [A] d/b [A ] b/d [A] d/b = [A A] b/b = [I] b/b, ami az egségmátrix Hasonlóan [A] d/b [A ] b/d is az egségmátrix 6

3 Leképezések összege és skalárszorosa Pontonkénti műveletek Definíció (F55 és F552 Definíció) Legenek V és W vektorterek uganazon T test fölött, A,B : V W lineáris leképezések és λ T () A és B összege (A+B)(v) = A(v)+B(v) minden v V -re (2) A λ-szorosa (λa)(v) = λ ( A(v) ) minden v V -re Tétel (F53 Tétel) A + B és λa is lineáris transzformáció Mintabizonítás: λa összegtartó (λa)(u+v) = λ ( A(u+v) ) = λ ( A(u)+A(v) ) = = λ ( A(u) ) +λ ( A(v) ) = (λa)(u)+(λa)(v) A λa definíciója miatt Az A összegtartása miatt A skalárral szorzás tulajdonsága (vektortéraxióma) miatt A λa definíciója miatt (kétszer alkalmazva) A másik három állítás HF Az összeg mátrixa Tétel (F574 Tétel) Rögzített b és d bázisok esetén az A [A] d/b leképezés összegtartó Hom(V,W) és T m n között Azaz összeg mátrixa a mátrixok összege w [w] d összegtartó W és T m között Ha A,B Hom(V,W), akkor (A + B)(b i ) = A(b i ) + B(b i ) az A + B definíciója miatt Íg [(A + B)(b i )] d = [A(b i ) + B(b i )] d = [A(b i )] d + [B(b i )] d Vagis A + B mátrixának oszlopai az A, illetve a B mátrixából vett megfelelő oszlopok összegei A mátrixok összeadásának definíciója miatt tehát [A+B] d/b = [A] d/b +[B] d/b 7

A skalárszoros mátrixa Tétel (F574 Tétel) Rögzített b és d bázisok esetén az A [A] d/b leképezés skalárszoros-tartó Hom(V,W) és T m n között Azaz λ-szoros mátrixa a mátrix λ-szorosa w [w] d skalárszorostartó W és T m között Ha A Hom(V,W), akkor (λa)(b i ) = λa(b i ) a λa definíciója miatt Íg [(λa)(b i )] d = [λa(b i )] d = λ[a(b i )] d Vagis λa mátrixának oszlopai az A mátrixából vett megfelelő oszlopok λ-szorosai A mátrixok λ-szorosának definíciója miatt tehát [λa] d/b = λ[a] d/b A műveletek tulajdonságai Jelölés Hom(V,V) rövidítve Hom(V), elemei lineáris transzformációk Állítás (F53 és F563 Tétel) Legenek V és W vektorterek uganazon T test fölött Az összeadásra és skalárral szorzásra Hom(V,W) vektortér Nullelem: a nulla leképezés Az A ellentettje: ( A)(v) = A(v) Hom(V) egségelemes gűrű az összeadásra és a szorzásra, és λ(ab) = (λa)b = A(λB) (A,B Hom(V), λ T) Az egségelem az identikus transzformáció FONTOS házi feladat önállóan kidolgozni a bizonítást! Különösen ajánlom a két disztributív azonosság levezetését: A(B +C) = AB +AC és (B +C)A = BA+CA 4 Izomorf vektorterek Példák izomorfizmusra Definíció (F52 Definíció) Az A Hom(V, W) izomorfizmus, ha kölcsönösen egértelmű A V és W izomorf vektorterek, ha van közöttük izomorfizmus Jele: V =W Két fontos példa Ha V vektortér a T test fölött, és b bázis V -ben, akkor v [v] b izomorfizmus V és T n között Ezért minden V vektortér izomorf T dim(v) -vel Legen b bázis V -ben, d bázis W-ben Ekkor A [A] d/b izomorfizmus Hom(V,W) és T m n között Vagis Hom(V,W) =T dim(w) dim(v) A művelettartást láttuk, az egértelműséget most bebizonítjuk 8

Az előírhatósági tétel Tétel (F53 Tétel) Legenek V és W vektorterek a T test fölött, b,,b n bázis V -ben, és c,,c n W tetszőleges vektorok Ekkor pontosan eg olan A : V W lineáris leképezés van, melre A(b j ) = c j minden j n esetén : egértelműség Ha A megfelel a feltételeknek, akkor A(λ b ++λ n b n ) = A(λ b )++A(λ n b n ), mert A összegtartó, és ez λ A(b )++λ n A(b n ) = λ c ++λ n c n, mert A skalárszorostartó Azaz A értékét V minden elemén ki tudjuk számítani, és íg csak eg megfelelő A leképezés létezhet Az egértelműséget tehát beláttuk Az előírhatósági tétel: létezés : létezés Legen A(λ b ++λ n b n ) = λ c ++λ n c n Ez jóldefiniált, mert V minden eleme egértelműen írható fel λ b ++λ n b n alakban Az A összegtartó, mert ha v = λ b ++λ n b n és w = µ b ++µ n b n, akkor v +w = (λ +µ )b ++(λ n +µ n )b n, és íg A(v +w) = (λ +µ )c ++(λ n +µ n )c n A(v)+A(w) = (λ c ++λ n c n )+(µ c ++µ n c n ), azaz ténleg A(v +w) = A(v)+A(w) A skalárszorostartás bizonítása hasonló: HF Mivel b = b + b 2 ++ b n, ezért A(b ) = c + c 2 ++ c n = c Hasonlóan A(b j ) = c j minden j n esetén Mátrixok és leképezések: egértelműség Tétel (F574 Tétel) Rögzített b és d bázisok esetén az A [A] d/b leképezés izomorfizmus Hom(V,W) és T m n között w [w] d kölcsönösen egértelmű W és T m között, hiszen W minden eleme egértelműen írható λ d + + λ m c m alakban Ha A B Hom(V,W), akkor az előírhatósági tétel egértelműségi állítása miatt A(b ),,A(b n ) és B(b ),,B(b n ) valahol eltér Íg a koordinátavektorok is uganott eltérnek, azaz A és B mátrixa különböző Ha adott eg M T m n mátrix, akkor annak oszlopvektorai eg c,,c m vektorrendszert adnak W-ben, és az előírhatósági tételből kapott A leképezésnek M lesz a mátrixa 9

Az izomorfizmus jellemzése Tétel (F525 Tétel) Azonos test fölötti két, véges dimenziós vektortér akkor és csak akkor izomorf, ha a dimenziójuk megegezik Következmén: dim ( Hom(V,W) ) = dim(v)dim(w) vázlat Tegük föl, hog V és W dimenziója egenlő Legen b,,b n bázis V -ben és d,,d n bázis W-ben Az előírhatósági tétel miatt vannak olan B és C lineáris leképezések, melekre B(b j ) = d j és C(d j ) = b j minden j-re HF: ezek egmás inverzei, és íg izomorfizmusok Megfordítva: ha A : V W izomorfizmus és b,,b n bázis V -ben, akkor HF: A(b ),,A(b n ) bázis W-ben Ezért a két dimenzió megegezik 5 Összefoglaló A 3 előadáshoz tartozó vizsgaanag Fogalmak Összegtartás, skalárszoros-tartás, linearitás Lineáris leképezések mátrixa, összege, λ-szorosa, szorzata Izomorfizmus Tételek Nullvektor és ellentett képe lineáris leképezésnél Az α szögű forgatás mátrixa a sík szokásos bázisában Vektor képének kiszámítása a leképezés mátrixának segítségével Az összeg, λ-szoros, szorzat is lineáris; ezek mátrixa Hom(V, W) vektortér és izomorf T n k -val Hom(V) gűrű, és a megfeleltetés T n n -nel szorzattartó Vektortér-izomorfia jellemzése a dimenzióval Hom(V, W) dimenziója Az előírhatósági tétel