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第7章线性变换§ 1线性变换的定义线性空间V到自身的映射，通常叫做V的一个变换，现在讨论的线性变换是线性空间的最简单也是最重要的一种变换。
一、线性变换的定义定义7・1设V为线性空间，若对于V中的任一向量按照一定的对应规则T,总有V中的一个确定的向量0与之对应，则这个对应规则T称为线性空间V中的一个变换，记为T©) = 0或Ta =股©外，0称为Q的象，&称为0的原象。
象的全体所构成的集合称为象集，记作T (V),即T (V) ={/? = T(«) I « G v}o由此定义可见，变换类似于微积分中的函数，不过微积分中的函数是两个实数集合间的对应，而这里的变换则是线性空间中的向量与向量之间的对应。
定义7.2线性空间V中的变换T,若满足条件(1)对任意w V有(2) 2 + 0) = %) + 丁(0)；(3)对任意a eV及数域P中任意数£有T(ka) = kT (a),则称变换T为V中的线性变换。
例7.1线性空间V中的恒等变换或称单位变换£即£(«) = a (a E V)以及零变换o,即o(a) = 0 (tz G V)都是线性变换.例7.2设V是数域P上的线性空间，£是P中的某个数，定义V的变换如下：a Tka,« G V.这是一个线性变换，称为由数£决定的数乘变换，可用K表示•显然当比=1时，便得恒等变换，当比=0时, 便得零变换.例7.3在线性空间P［x］或者冲，求微商是一个线性变换•这个变换通常用©代表，即①(/(x)) =f V)-例7.4定义在闭区间［%闰上的全体连续函数组成实数域上一线性空间，以C(a,b)代表•在这个空间中变换9(/(兀))二是一线性变换.例7.5在疋中，定义下列变换：对任意的x2G7?3,((、& +勺) (5 丫(1 ] T A：?—兀3x2—0任丿丿<旺J k宀丿丿宀丿试确定它们是否为线性变换?5、Ji''X] + XT(兀2+)；2)=T x2 + y2宀丿"+旳丿厂坷+比+£ +力、丫X] + £ '、1+力、勺+『3= +『3< K + >1 )＜州丿< >1 >解对任意的x29G R和数£ GR,= T / 卜、兀2任丿5'、+ T‘刃、宀丿g、•(kx x + 总2、' k x2=T kx2= kx§卫3八l鋼丿+ 无2'5、=k兀3=^T兀2<兀I )故T是线性变换;/ 01、( ( \r 1 )T i x2+ 『2=T.兀2 +丁2=0 ，（儿丿/（勺+儿丿" + )5（、兀1/ 、〔］、< 2、兀2+ T.y2——0+0——0U3 J<^3>宀丿」丿上两式不等，故T］不是线性变换。
第七章线性变换计划课时：24学时.( P 307—334)§7.1 线性变换的定义及性质（2学时）教学目的及要求：理解线性变换的定义，掌握线性变换的性质教学重点、难点：线性变换的定义及线性变换的性质本节内容可分为下面的两个问题讲授.一. 线性变换的定义（P307）注意：向量空间V到自身的同构映射一定是V上的线性变换，反之不然。
二. 线性变换的性质定理7.1.1（P309）定理7.1.2 （P309）推论7.1.3 （P310）注意：1.定理7.1.2给出了在有限维向量空间构造线性变换的方法，且说明了一个线性变换完全被它对基向量的作用所决定。
2.两个线性变换相等当且仅当它们对任意一个向量的作用结果相等，推论7.1.3 （P310）告诉我们，只要这两个线性变换对某个基中的每个基向量的作用结果相等即可。
作业：习题七P330 1，2，3.§7.2 线性变换的运算（4学时）教学目的及要求：掌握线性变换的运算及线性变换可逆的条件教学重点、难点：线性变换的运算及线性变换可逆的条件本节内容分为下面四个问题讲授：一. 加法运算定义1 （P310）注意：＋是V的线性变换.二. 数乘运算定义2（P311）显然k也是V的一个线性变换.定理7.2.1 L(V)对于线性变换的加法与数乘运算构成数域F上的一个向量空间.三. 乘法运算(1). 乘法运算定义3 （P311-312）注意：线性变换的乘法适合结合律，但不适合交换律及消去律. 两个非零线性变换的乘积可能是零变换.(2). 线性变换的方幂四. 可逆线性变换定义4 （P 313）线性变换可逆的充要条件例2 （P 314）线性变换的多项式的概念 (阅读内容).作业：P 330 习题七 4，5.§7.3 线性变换的矩阵（6学时）教学目的及要求：理解线性变换关于一个基的矩阵的定义，掌握 与 ()关于同一个基的坐标之间的关系、线性变换与它们的和、数乘、乘积在同一个基下的矩阵的关系、同一个线性变换在不同基下的矩阵是相似的理论，掌握L (V )与M n (F )的同构理论。
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第七章线性变换总结篇（高等代数）第 7章线性变换7.1知识点归纳与要点解析一．线性变换的概念与判别 1.线性变换的定义数域P 上的线性空间V 的一个变换σ称为线性变换，如果对V 中任意的元素,αβ和数域P 中的任意数k ，都有：()()()σαβσασβ+=+，()()k k σασα=。
注：V 的线性变换就是其保持向量的加法与数量乘法的变换。
2.线性变换的判别设σ为数域P 上线性空间V 的一个变换，那么：σ为V 的线性变换?()()()k l k l ,,V ,k,l P σαβσασβαβ+=+?∈?∈3.线性变换的性质设V 是数域P 上的线性空间，σ为V 的线性变换，12s ,,,,V αααα?∈ 。
性质1. ()()00,σσαα==-;性质2. 若12s ,,,ααα 线性相关，那么()()()12s ,,,σασασα 也线性相关。
性质3. 设线性变换σ为单射，如果12s ,,,ααα 线性无关，那么()()()12s ,,,σασασα也线性无关。
注：设V 是数域P 上的线性空间，12,,,m βββ ，12,,,s γγγ 是V 中的两个向量组，如果：11111221221122221122s ss sm m m ms sc c c c c c c c c βγγγβγγγβγγγ=+++=+++=+++记：()()1121112222121212,,,,,,m m m s s s ms c c c c c c c c c βββγγγ??= ?于是，若()d i m V n =，12,,,n ααα 是V 的一组基，σ是V 的线性变换，12,,,m βββ 是V 中任意一组向量，如果：()()()11111221221122221122n n n nm m m mn nb b b b b b b b b σβααασβααασβααα=+++=+++=+++记：()()()()()1212,,,,m m σβββσβσβσβ=那么：()()1121112222121212,,,,,,m m m n nn mn b b c b b c b b c σβββααα??= ?设112111222212m m nn mn b b c b b c B b b c ??= ?，12,,,m ηηη 是矩阵B 的列向量组，如果12,,,r i i i ηηη 是12,,,m ηηη 的一个极大线性无关组，那么()()()2,ri i i σβσβσβ 就是()()()12,m σβσβσβ 的一个极大线性无关组，因此向量组()()()12,m σβσβσβ 的秩等于秩()B 。
第7章 线性变换§1 线性变换的定义线性空间V 到自身的映射，通常叫做V 的一个变换，现在讨论的线性变换是线性空间的最简单也是最重要的一种变换。
一、线性变换的定义定义7.1 设V 为线性空间，若对于V 中的任一向量α，按照一定的对应规则T ，总有V 中的一个确定的向量β与之对应，则这个对应规则T 称为线性空间V 中的一个变换，记为βα=)(T 或 )(,V T ∈=αβα，β称为α的象，α称为β的原象。
象的全体所构成的集合称为象集，记作T （V ），即T （V ）={}V T ∈=ααβ|)(。
由此定义可见，变换类似于微积分中的函数，不过微积分中的函数是两个实数集合间的对应，而这里的变换则是线性空间中的向量与向量之间的对应。
定义7.2 线性空间V 中的变换T ，若满足条件（1） 对任意V ∈βα,有（2） )()()(βαβαT T T +=+；（3） 对任意V ∈α及数域P 中任意数k 有)()(ααkT k T =，则称变换T 为V 中的线性变换。
例7.1 线性空间V 中的恒等变换或称单位变换E ，即E )()(V ∈=ααα 以及零变换ℴ，即ℴ)(0)(V ∈=αα都是线性变换.例7.2 设V 是数域P 上的线性空间，k 是P 中的某个数，定义V 的变换如下： V k ∈→ααα,.这是一个线性变换，称为由数k 决定的数乘变换，可用K 表示.显然当1=k时，便得恒等变换，当0=k 时，便得零变换.例7.3 在线性空间][x P 或者n x P ][中，求微商是一个线性变换.这个变换通常用D 代表，即 D （)(x f ）=)(x f '.例7.4 定义在闭区间[]b a ,上的全体连续函数组成实数域上一线性空间，以),(b a C 代表.在这个空间中变换ℐ（)(x f ）=⎰xadt t f )( 是一线性变换.例7.5 在3R 中，定义下列变换：对任意的∈⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛321x x x 3R ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛T 1321321x x x x x x x ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T 3321101x x x x ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛T 2332213212x x x x x x x x试确定它们是否为线性变换？解 对任意的∈⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛321321,y y y x x x 3R 和数∈k R ，⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛++⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++++=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++T =⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T 1321132111332211332211321321)(y y y y x x x x y x y x y x y x y x yx y x y y y x x x=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T +⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T 321321y y y x x x ；⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T =⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T =⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T 32113211321321321x x x k x x x x k kx kx kx kx kx kx kx x x x k 。
故T 是线性变换；⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++T =⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T 333322111321321101y x y x y x y x y y y x x x ，⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T +⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T 333332113211020101y x y x y y y x x x 。
上两式不等，故1T 不是线性变换。
同理可验证2T 也不是线性变换。
（也可取特殊的向量来验证不是线性变换）二、线性变换的性质命题7.1 设V 是n 维线性空间，T 是V 的一个线性变换，则有：（1）)()(,0)0(ααT -=-T =T ；（2）线性变换保持线性组合与线性关系式不变.即 )()()()(22112211m m m m k k k k k k ααααααT ++T +T =+++T ；（3）若m a a a ,,,21 线性相关，则)(,),(),(21m αααT T T 也线性相关。
证明 此命题的证明请读者自己证之。
注意命题7.1（3）的逆命题是不成立的。
即若m a a a ,,,21 线性无关，则)(,),(),(21m αααT T T 不一定线性无关。
(如前面的微分变换)§2 线性变换的运算一、线性变换的乘法设A,B 是线性空间V 的两个线性变换，定义它们的乘积为.(AB )(α)= A,(B (α)) (V ∈α).则线性变换的乘积也是线性变换.（自己验证）线性变换的乘法适合结合律，即(AB)C=A(BC).但线性变换的乘法不适合交换律.例如，在实数域上的线性空间中，线性变换D （)(x f ）=)(x f '. ℐ（)(x f ）=⎰xadt t f )( 的乘积D ℐ=ℰ，但一般ℐD ≠ℰ.对于任意线性变换A ，都有A ℰ=ℰA = A .二、线性变换的加法设A,B 是线性空间V 的两个线性变换，定义它们的和A+B 为(A+B )(α)= A (α)+B (α) (V ∈α).则线性变换的和还是线性变换（自己验证）.线性变换的加法适合结合律与交换律，即A+(B+C)=(A+B)+C .A+B=B+A .对于加法，零变换ℴ与所有线性变换A 的和仍等于A ：A +ℴ=A .对于每个线性变换A ，可以定义它的负变换（-A ）： (-A )(α)=- A (α) (V ∈α).则负变换（-A ）也是线性变换，且A +（-A ）=ℴ.线性变换的乘法对加法有左右分配律，即A(B+C)=AB+AC ，(B+C)A=BA+CA.三、线性变换的数量乘法数域P 中的数与线性变换A 的数量乘法定义为 k A =KA即k A (α)=K (A (α))=KA (α),当然A 还是线性变换.线性变换的数量乘法适合以下的规律：)(kl A =k (l A ),)(l k +A =k A +l A , k (A+B )=k A +k B , 1A =A .线性空间V 上全体线性变换，对于如上定义的加法与数量乘法，也构成数域P 上一个线性空间.V 的变换A 称为可逆的，如果有V 的变换B 存在，使AB=BA=E .这时，变换B 称为A 的逆变换，记为A 1-.如果线性变换A 是可逆的，那么它的逆变换A 1-也是线性变换.既然线性变换的乘法满足结合律，当若干个线性变换A 重复相乘时，其最终结果是完全确定的，与乘法的结合方法无关.因此当n 个（n 是正整数）线性变换A 相乘时，就可以用个n A AA来表示，称为A 的n 次幂，简记为A n .作为定义，令A 0= E .根据线性变换幂的定义，可以推出指数法则：A n m +=A m A n ,(A m )n =Am n )0,(≥n m 当线性变换A 可逆时，定义A 的负整数幂为 A n -=(A 1-)n (n 是正整数).值得注意的是，线性变换乘积的指数法则不成立，即一般说来(AB )n ≠A n B n .设 011)(a x a x a x f m m m m +++=--是][x P 中一多项式，A 是V 的一个线性变换，定义f (A )=m a A m +1-m a A 1-m +…+0a E显然f (A )是一线性变换，它称为线性变换A 的多项式.不难验证，f (A )g ( A )=g ( A )f ( A ).即同一个线性变换的多项式的乘法是可交换的.例 在线性空间n P ][λ中，求微商是一个线性变换，用D 表示.显然有D=n ℴ.其次，变换的平移 P a a f f ∈+→)()(λλ也是一个线性变换，用ℐa 表示.根据泰勒展开式)()!1()(!2)()()()1(12λλλλλ---++''+'+=+n n f n a f a f a f a f ,因之ℐa 实质上是D 的多项式：ℐa =ℰ+a D +!22a D 2+…+)!1(1--n a n D 1-n . §3 线性变换和矩阵一、线性变换关于基的矩阵设V 是数域P 上n 维线性空间.n εεε,,,21 V 的一组基，现在建立线性变换与矩阵关系.空间V 中任意一个向量ξ可以被基n εεε,,,21 线性表出，即有关系式n n x x x εεεξ+++= 2211 (1)其中系数是唯一确定的，它们就是ξ在这组基下的坐标.由于线性变换保持线性关系不变，因而在ξ的像A ξ与基的像A 1ε,A 2ε,…，A n ε之间也必然有相同的关系：A ξ=A （n n x x x εεε+++ 2211）=1x A (1ε)+2x A (2ε)+…+n x A (n ε) (2)上式表明，如果知道了基n εεε,,,21 的像，那么线性空间中任意一个向量ξ的像也就知道了，或者说1. 设n εεε,,,21 是线性空间V 的一组基，如果线性变换A 与ℬ在这组基上的作用相同，即A i ε=B i ε，,,,2,1n i =那么A = B .结论1的意义就是，一个线性变换完全被它在一组基上的作用所决定.下面指出，基向量的像却完全可以是任意的，也就是2. 设n εεε,,,21 是线性空间V 的一组基，对于任意一组向量n ααα,,,21 一定有一个线性变换A 使A i ε=i α .,,2,1n i =定理1 设n εεε,,,21 是线性空间V 的一组基，n ααα,,,21 是V 中任意n 个向量.存在唯一的线性变换A 使A i ε=i α .,,2,1n i =定义2 设n εεε,,,21 是数域P 上n 维线性空间V 的一组基，A 是V 中的一个线性变换.基向量的像可以被基线性表出：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+++=+++=+++=.,,22112222112212211111n nn n n n n n n n a a a A a a a A a a a A εεεεεεεεεεεε 用矩阵表示就是A （n εεε,,,21 ）=（A (1ε)，A (2ε)，…， A (n ε)）=A n ),,,(21εεε (5) 其中⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=nnn n n n a a a a a a a a a A 212222111211 矩阵A 称为线性变换A 在基n εεε,,,21 下的矩阵. 例1 在4][x R 中，取基1,,,432231====ααααx x x 求微分运算D 的矩阵。
