Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
Bài giảng số 02. HẠNG VÀ MA TRẬN CỦA ÁNH XẠ TUYẾN TÍNH
I. Tóm lược lý thuyết
Cho E và F là hai K – không gian véc tơ có số chiều lần lượt là n và m. Giả sử {e1, e2, …,en} là cơ
sở của E và {f1, f2, …, fm} là cơ sở của F. Gọi f là một ánh xạ tuyến tính từ không gian véc tơ E vào
không gian véc tơ F.
Định nghĩa 2.1: Hạng của ánh xạ tuyến tính f là hạng của hệ véc tơ: { f (e1 ), f (e2 ), , f (en )}.
Kí hiệu hạng của ánh xạ tuyến tính f là rg ( f ).
từ không gian véc tơ E vào F là đẳng cấu tuyến tính nếu
Tính chất 2.2: Ánh xạ tuyến tính f
rg ( f ) dim F m.
Với mỗi véc tơ ei (i =1, 2, …, n), ta có
f (ei ) a1i f1 a2i f 2 ami f m .
Bộ số (a1i, a2i, …, ami) được gọi là toạ độ của véc tơ f(ei) đối với cơ sở
f1 , f 2 , , f n
của không
gian véc tơ F.
Định nghĩa 2.3: Ma trận A của ánh xạ tuyến tính f : E F trong các cơ sở e1 , e2 , , en của E và
f1 , f 2 , , f n của F
là ma trận cấp m n có dạng:
a11
a21
a
m1
a12
a22
am 2
a1n
a 2n
amn
Nhận xét 2.4:
i) Mỗi cột thứ i của ma trận A là toạ độ tương ứng của véc tơ f(ei).
ii) Ma trận A của ánh xạ tuyến tính f phụ thuộc vào cơ sở của E và F.
iii)
Nếu dim E =dim F = n thì ma trận A của f là ma trận vuông cấp n.
Đặc biệt nếu E = F và lấy cơ sở của E và F trùng nhau thì A là ma trận của tự đồng cấu f đối với cơ sở
e1 , e2 , , en .
iv) Cho véc tơ v E , v x1e1 x2e2 xn en , ta có:
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
f (v) x1 f (e1 ) x2 f (e2 ) xn f (en ). Vậy nên nếu biết ảnh của các véc tơ ei, tức là biết ma trận A của
ánh xạ tuyến tính f thì ảnh f(v) của véc tơ v được hoàn toàn xác định và khi đó f(v) =Av.
Tính chất 2.5: Nếu f là ánh xạ tuyến tính từ không gian véc tơ E vào F có ma trận A trong các cơ sở đã
cho thì rg ( f ) rankA dim Im f .
Tính chất 2.6: Nếu f là một tự đồng cấu tuyến tính của E và ma trận A trong một cơ sở nào đó của f là
không suy biến thì f là đẳng cấu tuyến tính.
Định lý 2.7: Cho phép biến đổi tuyến tính f của K- không gian véc tơ E có số chiều n, gọi A là ma trận của
f trong cơ sở e1 , e2 , , en của E. Các tính chất sau đây là tương đương:
a) Kerf {0}.
b) f là một đơn cấu
c) Hệ véc tơ { f (e1 ), f (e2 ), , f (en )} là độc lập tuyến tính
d) f là một toàn cấu
e) rg ( f ) n.
f) f là một đẳng cấu
g) Ma trận A của f là khả nghịch.
Tính chất 2.8: Cho f là một tự đồng cấu tuyến tính của không gian véc tơ E. Giả sử A và B lần lượt là các
ma trận của tự đồng cấu tuyến tính f trong các cơ sở e1 , e2 , , en và h1 , h2 , , hn của E. Gọi T là ma
trận chuyển cơ sở từ cơ sở { e1 , e2 , , en sang cơ sở h1 , h2 , , hn , khi đó B =T-1AT.
II. Các ví dụ minh hoạ
Ví dụ 1:
Xét ánh xạ tuyến tính f : M 13 () M 13 ( ) , xác định bởi:
f ( x, y, z ) ( x, 2 x 3 y 2 z , z ).
Gọi e1 (1, 0, 0), e2 (1, 1, 0), e3 (1, 1, 1) là một cơ sở của M 13 ( ).
1) Tìm ma trận của ánh xạ tuyến tính f trong cơ sở:
a) e1 , e2 , e3
b) e3 , e2 , e1
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
c) e1 , e2 , e3 và e3 , e2 , e1
2) Tìm hạng của ánh xạ tuyến tính f.
Giải
1)
a) Dễ thấy f(e1) = (1, 2, 0), f(e2) = (1, 5, 0) và f(e3) = (1, 7, 1).
Ta có f(e1) = e1 +2e2, f(e2) = e1 +5e2, f(e3) = e1 +7e2 +e3.
Vậy ma trận của f trong cơ sở e1 , e2 , e3 là:
1 1 1
Af 2 5 7
0 0 1
b) Tương tự, ta cũng có f(e2) = 5e2 -4e1, f(e3) = 6e2 +e3 -6e1, f(e1) = 2e2 -e1.
Vậy trận của f trong cơ sở e3 , e2 , e1 là:
5 6 2
Bf 0 1 0
4 6 1
c) Ta có f(e1) = 2e2 - e1, f(e2) = 5e2 - e1 và f(e3) = 6e2 + e3 -6e1.
Vậy ma trận của f trong cặp cơ sở {e1, e2, e3} và {e2, e3, e1} là:
2 5 6
Cf 0 0 1
1 4 6
2) Ta có: rg ( f ) dim Im f dim[ f (e1 ), f (e2 ), f ( e3 )] rank ( A f ) 3.
Ví dụ 2:
Giả sử f : 1 ( x) 2 ( x), là ánh xạ tuyến tính xác định bởi: f(p) = xp + p.
1) Tìm ma trận của ánh xạ tuyến tính đó đối với các cơ sở B {1, x} và B ' {1, 1 x, 1 x 2 }.
2) Tìm đa thức f ( p) biết p 2 3x.
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
Giải:
1) Ta có:
f (1) 1 x 0.1 1.(1 x ) 0.(1 x 2 ) và f ( x) x 2 x 2.1 1. (1 x) 1.(1 x 2 ) ,
nên ma trận của f trong các cơ sở B và B’ là:
0 2
Af = 1 1
0 1
2) Toạ độ của p trong cơ sở B là (2, - 3), vậy toạ độ của f(p) trong cơ sở B’ là:
6
2
f ( p) Af 1 .
3 3
Vậy đa thức f ( p) cần tìm là p( x) 6.1 1.(1 x ) 3.(1 x 2 ) 2 x 3x 2 .
Ví dụ 3:
Cho phép biến đổi tuyến tính f : 4 4 , xác định bởi:
f ( x, y, z , t ) ( x y z 1, x y z t , x y z t , x y z t ).
Chứng minh rằng phép biến đổi f là một đẳng cấu.
Giải:
Phép biến đổi tuyến tính f là một đẳng cấu nếu ma trận Af của f trong một cơ sở nào đó của 4
là khả nghịch.
Xét ma trận của f trong cơ sở chính tắc của 4 , ta có:
f(e1) = (-1, 1, 1, 1), f(e2) = (1, -1, 1, 1), f(e3) = (1, 1, -1, 1), f(e4) = (1, 1, 1, -1).
Vậy ma trận của f có dạng:
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
1 1 1 1
1 1 1 1
Af
1 1 1 1
1 1 1 1
1
0
Ta có det( A f )
0
0
1
0
2
2
1
2
0
2
1
2
2
0
1
0
0
0
1
2
2
0
1
2
0
2
1
0
2
2
1
0
0
0
1 1
2 2
0 2
0 0
1
0
16 0
2
4
Vậy Af là khả nghịch.
Ví dụ 4:
Cho một tự đồng cấu fa của không gian véc tơ R3 có ma trận trong cơ sở chính tắc là
a 1 1
Ma 1 a 1
1 1 a
1) Xác định theo tham số a hạng của fa
2) Xác định Kerf a và Im f a .
Giải:
1) Ta có rg fa = rank Ma. Bằng các phép biến đổi sơ cấp ma trận ta đưa ma trận Ma về dạng tam
giác trên:
1
a
1
1 a
0 a 1
0
0
2 a a 2
biện luận:
a 1
+) Nếu 2 a a 2 0
thì rg f a rank M a 3.
a 2
a 1
+) Nếu 2 a a 2 0
a 2
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
i)
Nếu a 2 thì rg f a rank M a 2.
ii)
Nếu a 1 thì rg f a rank M a 1.
a 1
2) Trường hợp 1: Nếu
thì dim Im f a rg f a 3 .
a 2
mà dim Kerf a dim Im f a 3 nên dim Kerf a 0. Vậy Kerf a 0 và Im f a 3 .
Trường hợp 2: a 2 , Kerf a {x ( x1 , x2 , x3 ) 3 | f a ( x) 0},
x x2 2 x3 0
ta có: f a ( x) 0 M a x 0 1
x1 x2 x3 .
x2 x3 0
Vậy Kerf a [(1, 1, 1)].
Im f a {( y1 , y2 , y3 ) 3 | ( x1 , x2 , x3 ) 3 mà f ( x1 , x2 , x3 ) ( y1 , y2 , y3 )}, ta có:
2 x1 x2 x3 y1
f ( x1 , x2 , x3 ) ( y1 , y2 , y3 ) x1 2 x2 x3 y2 y1 y2 y3 0
x x 2x y
3
3
1 2
Vậy Im f a {( y1 , y2 , y3 ) 3 | y1 y2 y3 0} [( 1, 1, 0), ( 1, 0, 1)]} .
Trường hợp 3: a 1 , ta có:
Kerf a {( x1 , x2 , x3 ) 3 | f a ( x ) 0} {( x1 , x2 , x3 ) 3 | x1 x2 x3 0}
[(1, 1, 0), ( 1, 0, 1)].
Và Im f a {( y1 , y2 , y3 ) 3 | y1 y2 y3 } [(1, 1, 1)].
Ví dụ 5:
Cho E là K – không gian véc tơ có số chiều bằng 4 và cơ sở b {e1 , e2 , e3 , e4 }. Xét tự đồng cấu u
theo cơ sở b có ma trận là:
3 1
9 3
A
0 0
0 0
1 7
3 1
4 8
2 4
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
1) Xác định Ker u, rgu và Im u
2) Imu và Ker u có bù nhau trong không gian véc tơ E không?
3) Chứng minh rằng {e3, u(e3), u2(e3), u3(e3)} là một cơ sở của E.
4) Xác định ma trận của u trong cơ sở trên.
5) Chứng minh rằng nếu u3 0 thì u4 = 0.
Giải:
3 x y z 7t 0
z 2t
9 x 3 y 3 z t 0
1) ( x, y, z , t ) Keru
3 x y 5t 0
4
z
8
t
0
9 x 3 y 5t 0
2 z 4t 0
z 2t
t 0
y 3x 5t
z 0
20t 0
y 3x
.
Vậy ( x, y, z , t ) Keru ( x, y, z , t ) ( x, 3x, 0, 0).
Suy ra: Ker u [(1, 3, 0, 0)].
Ta có rg u = dim Im u = dim E – dim Ker u = 3.
Im u = [u(e1), u(e2), u(e3), u(e4)]. Dễ thấy u(e1) = (3, 9, 0, 0), u(e2) = (-1, -3, 0, 0) suy ra u(e1) = -3u(e2).
Vậy Im u =[u(e2), u(e3), u(e4)], vì dim Im u = 3 nên {u(e2), u(e3), u(e4)} là cơ sở của Im u.
2) Ta có (1, 3, 0, 0) Ker u mà (1, 3, 0, 0) u (e2 ) Im u , vậy Ker u Im u {0} nên Ker u và Im u
không bù nhau trong E.
0
1
10
0
3 2
10
3) Ta có e3
, u (e3 ) Ae3
, u (e3 ) A( Ae3 )
1
4
0
0
2
0
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
40
120
và u 3 (e3 ) A(u 2 (e3 ))
.
0
0
Kí hiệu các véc tơ trên tương ứng là f1, f2, f3 và f4, ta xét
2 103 404 0
3 10 120 0
2
3
4
1 f1 2 f 2 3 f 3 4 f 4 0
1 2 3 4 0
4
0
1
2
22 0
Vậy hệ véc tơ {f1, f2, f3, f4} là độc lập tuyến tính. Vì dim E = 4 nên hệ véc tơ trên là cơ sở của E.
4) Ta có
u(f1) = u(e3) = f2
u(f2) = u2(e3) = f3
u(f3) = u3(e3) = f4
40 0
120 0
và u ( f 4 ) Au 3 (e3 ) A
.
0 0
0 0
Vậy ma trận của u trong cơ sở {f1, f2, f3, f4} của E là:
0
1
B
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
5) Vì u3(e3) = f4 0 nên u3 0. Ta có u4(e3) = 0 nên u(f4) = u4(e3) = 0
Vì e3 = f1 nên ta có u4(f1) = 0, u4(f2) = u4(u(e3)) = u(u4(e3)) = u(0) = 0,
u4(f3) = u4(u2(e3)) = u2(u4(e3)) = u2(0) = 0 và u4(f4) = u4(u3(e3)) = u7(e3) = u3(u4(e3)) = u(0) = 0.
Vậy ảnh của cơ sở {f1, f2, f3, f4}của E qua ánh xạ tuyến tính u4 là véc tơ không nên u4 = 0.
Ví dụ 6:
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
Cho một tự đồng cấu tuyến tính f : 3 3 có ma trận trong cơ sở chính tắc {e1, e2, e3} là:
15 11 5
A 20 15 8
8 7 6
1) Chứng minh f1 = 2e1 + 3e2 + e3, f2 = 3e1 + 4e2 + e3, f3 = e1 + 2e2 + 2e3 là một cơ sở của R3.
2) Tìm ma trận của f trong cơ sở {f1, f2, f3}.
Giải:
1) Xét: a1f1 + a2f2 + a3f3 + a4f4 = 0
a1(2e1 + 3e2 + e3) + a2(3e1 + 4e2 + e3) + a3(e1 + 2e2 + 2e3) = 0
(2a1 + 3a2 + a3)e1 + (3a1 + 4a2 +2a3)e2 + (a1 + a2 + 2a3)e3 = 0.
Vì {e1, e2, e3} độc lập tuyến tính nên ta có:
2a 1 3a 2 a 3 0
3a 1 4a 2 2a 3 0 a 1 a 2 a 3 0 .
a a 2a 0
2
3
1
Vậy hệ véc tơ {f1, f2, f3} độc lập tuyến tính và vì dim R3 = 3 nên hệ véc tơ trên là cơ sở của R3.
2) Ma trận chuyển từ cơ sở {e1, e2, e3} sang cơ sở {f1, f2, f3} của R3 là ma trận T có dạng:
2 3 1
T = 3 4 2
1 1 2
T là ma trận khả nghịch và ma trận nghịch đảo của T là:
6 5 2
T = 4 3 1
1 1 1
-1
Vậy ma trận B của f trong cơ sở {f1, f2, f3} của R3 có dạng
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
6 5 2 15 11 5 2 3 1
B = T AT = 4 3 1 20 15 8 3 4 2 =
1 1 1 8 7 6 1 1 2
-1
1 0 0
0 2 0
0 0 3
Ví dụ 7:
Cho R2(x) là không gian véc tơ các đa thức với hệ số thực có bậc không vượt quá 2, b = {1, x, x2}
là một cơ sở chính tắc của R2(x). Xét phép biến đổi tuyến tính T: R2 ( x) R2 ( x) , ở đó với mọi đa thức
p(x) =a0 +a1x + a2x2 ta có T(p(x)) = p(2x +1) = a0 + a1(2x +1) +a2(2x +1)2.
1) Tính T(1), T(x), T(x2) và viết ma trận A của T tương ứng với cơ sở {1, x, x2}.
2) Dùng ma trận A hãy tính T(3 +x +2x2). Kiểm tra lại bằng cách tính trực tiếp.
3) Ma trận của T T: R2 ( x) R2 ( x) là gì đối với cơ sở chính tắc trên.
4) Xét một cơ sở mới c = {1+ x, 1 + x2, x + x2} của R2(x). Dùng ma trận chuyển cơ sở hãy tính ma
trận của T trong cơ sở c
5) Hãy kiểm tra lại phần 4 bằng cách tính trực tiếp.
Giải:
1) T (1) 1
T ( x) 1.(2 x 1) 1 2 x
T ( x 2 ) 1.(2 x 1) 2 1 4 x 4 x 2
1 1 1
Vậy ma trận của T trong cơ sở b là: A 0 2 4
0 0 4
3 1 1 1 3 6
2) Ta có toạ độ của véc tơ T (3 x 2 x ) là: A 1 0 2 4 1 10
2 0 0 4 2 8
2
Vậy T(3 +x +2x2) = 6 +10x +8x2.
Mặt khác tính trực tiếp ta có
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
T(3 +x +2x2) =3T(1) +T(x) +2T(x2) = 3 + 1+2x + 2(1 +2x)2 = 6 + 10x + 8x2.
3) Cách 1:
Ta có T T(p(x)) =T(T(p(x)) = T(p(2x +1)) =T[a0 +a1(1 +2x) +a2(1 +2x)2]
= T[(a0 +a1 +a2) +(2a1 +4a2)x +4a2x2]
= (a0 +a1 +a2) +(2a1 +4a2)(1 +2x) +4a2(1 +2x)2
= a0 + 3a1 +9a2 +(4a1 +24a2)x +16a2x2
suy ra: T2(1) = 1, T2(x) = 3 +4x, T2(x2) = 9 +24x +16x2, vậy ma trận của T2 trong cơ sở chính tắc là:
1 3 9
0 4 24
0 0 16
Cách 2: Ta có T T(p(x)) =T(Ap(x)) = A.Ap(x) = A2p(x)
1 3 9
Vậy ma trận của T trong cơ sở chính tắc là A và dễ thấy A = 0 4 24
0 0 16
2
2
2
1 1 0
4) Ma trận chuyển cơ sở từ b sang c có dạng: P = 1 0 1 . Ta có
0 1 1
1
2
1
-1
P =
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Ma trận của T trong cơ sở c là:
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
1
2
1
-1
B = P AP =
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
1
2 1 1 1 1 1 0
1
0 2 4 1 0 1
2
1 0 0 4 0 1 1
2
4 2 4 2 1 2
1
= 0 2 0 =. 0 1 0
2
0 6 8 0 3 4
5) Ta có
T(1 + x) = 1 +1.(1 +2x) = 2(1+x)
T(1 + x2) = 1 + 1.(1 +2x)2 = 2 +4x +4x2
= 1.(1 + x) +1.(1 +x2) +3. (x +x2)
T(x + x2) = 1(1 +2x) +1(1 + 2x)2 = 2 + 6x +4x2
= 2. (1 + x) + 0.(1 + x2) +4(x + x2)
Vậy ma trận B của T trong cơ sở c có dạng:
2 1 2
B = 0 1 0
0 3 4
Ví dụ 8: Xét phép biến đổi tuyến tính f: R3(x) R3(x), xác định bởi:
f(q(x)) = q(1 + x) = a0 + a1(1 + x) +a2(1 + x)2 + a3(1 + x)3
với mọi đa thức q(x) = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 thuộc R3(x). Chứng minh f là một đẳng cấu và tìm biểu thức
của f-1
Giải:
Ta có f(1) = 1
f(x) = 1.(1 + x) = 1 + x
f(x2) = 1.(1 + x)2 = 1 + 2x + x2
f(x3) = 1. (1 + x)3 = 1 + 3x + 3x2 + x3
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
Vậy ma trận của f đối với cơ sở chính tắc B = {1, x, x2, x3} là
1
0
A
0
0
1
1
0
0
1
2
1
0
1
3
.
3
1
Vì det (A) = 1 nên tự đồng cấu f là một đẳng cấu, do đó f có đẳng cấu ngược f 1.
1 1 1 1
0 1 2 3
1
.
A
0 0 1 3
0 0 0 1
Ta có:
Giả sử p(x) = p0 + p1x + p2x2 + p3x3, thế thì toạ độ của p(x) đối với cơ sở B là:
p0
1 1 1 1 p 0 p 0 p1 p 2 p3
p
p p 2 p 3p
0
1
2
3
1
2
3
1 = 1
[ p ( x)]B , ta có A1[ p ( x )]B
p2
0 0 1 3 p 2
p 2 3 p3
p3
p3
0 0 0 1 p3
Vậy
f 1 ( p( x )) ( p0 p1 p2 p3 ) + ( p1 2 p2 3 p3 )x + ( p2 3 p3 )x2 + p3x3
p0 p1 ( x 1) p2 ( x 2 2 x 1) p3 ( x3 3x 2 3x 1)
p0 p1 ( x 1) p2 ( x 1) 2 p3 ( x 1)3 p ( x 1).
Ví dụ 9:
Cho E là không gian véc tơ hữu hạn có số chiều n, u L(E). Chứng minh rằng nếu u2 = 0 thì rgu
n
.
2
Giải:
Vì dim E = n nên ta có dim Ker u + dim Im u = n
rg u = dim Im u = n – dim Ker u (1).
Mặt khác vì u2 = 0 nên u2(x) = 0 với x E suy ra u(u(x)) = 0 hay u(x) Ker u.
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Vậy Im u Ker u
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
hay dim Ker u dim Im u.
(2)
Từ (1) và (2) ta có:
rg u n – rg u rg u
n
.
2
Ví dụ 10:
Cho E là R – không gian véc tơ có số chiều hữu hạn, f và g là các tự đồng cấu của E.
1) Chứng minh rằng: ker(g|Imf)= ker(g) Im(f)
2) Chứng minh rằng:
a) rg(g f)= rg(f) –dim(ker(g) Im(f))
(1)
b) rg(g f) rg(f) + rg(g) –dim E.
(2)
Giải:
1) Ta xem g|Imf là ánh xạ tuyến tính từ Im(f) vào E.
Giả sử x ker(g|Imf) x Im(f) và g(x)=0 x ker(g) Im(f).
x Im(f)
Ngược lại nếu x ker(g) Im(f)
g|Imf (x) =0 x ker(g|Imf).
g(x) 0
Vậy ker(g|Imf) = ker(g) Im(f).
2)
a) Ta có rg(g f) = dim(Im(g f)), rg(f) = dim(Im f).
Theo 1) ta có dim(ker(g) Im(f)) = dim(ker(g|Imf)) = dim(Im f) – dim(Im(g|Imf))
dim(Im(g|Imf)) = dimIm f - dim(ker(g) Im(f)) = rg(f) - dim(ker(g) Im(f)).
Ta chứng minh dim(Im(g f)) = dim(Im(g|Imf)), thật vậy:
y Im(g|Imf) x Im f sao cho y = g(x) và x Im f
t E, x = f(t) hay y Im(g|Imf) t E sao cho y = g f(t)
y Im(g f) Im(g f)) = Im(g|Imf) dim(Im(g f)) = dim(Im(g|Imf)).
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
b) Theo 2a) bất đẳng thức cần chứng minh:
rg ( g f ) rg ( f ) rg ( g ) dim E rg ( f ) dim( Kerg Im f ) rg ( f ) rg ( g ) dim E
dim( Kerg Im f ) dim E rg ( g )
dim( Kerg Im f ) dim Kerg Kerg Im f Kerg .
Bao hàm thức cuối cùng luôn đúng nên suy ta bất đẳng thức (2) đúng.
III. Bài tập có hướng dẫn
Bài tập 1: Cho ánh xạ tuyến tính f : M 13 () M 13 (), xác định bởi:
f ( x, y, z ) ( y 2 z , 3 x 4 y 2 z , 3 z ).
Cho một cơ sở e1(1, 1, 0), e2(0, 1, 1) và e3(1, 0, 1) của M 13 ( ).
1) Tính f(e1), f(e2), f(e3) theo cơ sở {e1, e2, e3}.
2) Tìm ma trận của f trong cơ sở {e1, e2, e3}
3) Tìm ma trận của f trong cơ sở {e2, e3, e1}.
Bài tập 2: Xét ánh xạ f : 3 2 , xác định bởi:
f(x, y, z) = (x – z, y + z).
1) Chứng minh rằng f là ánh xạ tuyến tính.
2) Tìm ma trận của f trong cơ sở {e1(1, 0, 0), e2(0, 1, 0), e3(0, 0, 1)} của 3 và cơ sở {v1(1, 0),
v2(1, 1)} của 2 .
2) Tìm toạ độ của véc tơ f(u) trong cơ sở {f1, f2} với u = (1, 2, 3).
Bài tập 3: Cho ánh xạ tuyến tính f : 3 3 , có ma trận trong cơ sở chính tắc là:
0 1 1
A 1 0 1
1 1 0
1) Chứng minh rằng f là một tự đẳng cấu của 3 .
2) Tính các thành phần toạ độ x’, y’, z’ của f(v) theo các thành phần x, y, z của véc tơ v.
3) Tính các thành phần toạ độ x, y, z của véc tơ v theo các thành phần toạ độ x’, y’, z’ của f(v). Từ
đó suy ra ma trận A-1.
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
Bài tập 4: Cho ánh xạ tuyến tính f : 3 3 , xác định bởi:
f(x, y, z) = (2x – y + z, -x + y, x –z)
1) Xác định ma trận của ánh xạ tuyến tính f trong cơ sở
{f1 (1, 0, 0), f2 (1, 1, 0), f3(1, 1, 1)}.
2) Chứng minh rằng f là song ánh tuyến tính và xác định ma trận của f 1 trong cơ sở chính tắc.
5 1
2
Bài tập 5: Cho u là một tự đồng cấu của 2 có ma trận M
trong cơ sở chính tắc của . Xác
1
5
định a và b sao cho u 2 au bid 2 0.
Bài tập 6: Cho tự đồng cấu tuyến tính u : 3 3 có ma trận trong cơ sở chính tắc của 3 là:
2 1 2
A 15 6 11 . Cho {f1 = (1, 1, 2), f2 = (0, 3, 2), f3 = (0, 0, 1)} là một cơ sở của R3. Tìm ma trận B
14 6 11
của tự đồng cấu u trong cơ sở {f1, f2, f3}. Tính An theo n, I, A và A2.
Bài tập 7: Cho phép biến đổi tuyến tính f : 2 ( x) 2 ( x ), xác định bởi:
f (1 2 x x 2 ) 2 4 x 5 x 2 , f (1 x 2 ) 2 x x 2 , f (2 x 1) x 2 2. Hãy tìm ma trận của f trong cơ sở
chính tắc {1, x, x2} của 2 ( x ) . Từ đó suy ra f là một tự đẳng cấu.
Bài tập 8: Cho E là - không gian véc tơ có số chiều bằng 3. Gọi {e1, e2, e3} là một cơ sở chính tắc của
E và xét một tự đồng cấu f của E có ma trận trong cơ sở chính tắc là:
1 2 2
A 1 1 2
2 2 3
1) Chứng minh rằng {e1, f(e1), f2(e1)} là một cơ sở của E và tìm ma trận của f trong cơ sở đó.
2) Chứng minh rằng f 4 Id E .
Bài tập 9: Cho E là không gian véc tơ trên , {e1, e2, e3, e4} là một cơ sở của E,
f L(E) sao cho:
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
f (e1 ) (m 2)e1 2e2 e4
f (e ) e me 4e 3e
2
1
2
3
4
f (e3 ) (m 1)e3 e4
f (e4 ) e1 me2 4e3 me4
1) Xác định giá trị của tham số m để f là đơn ánh
2) Tìm cơ sở và số chiều của hạt nhân của f.
Bài tập 10: Cho E là không gian véc tơ có số chiều n, cho f, g L(E) sao cho f + g là song ánh và
f g 0. Tính rg(f) + rg(g).
Bài tập 11: Cho E, F và G là các khộng gian véc tơ hữu hạn chiều.
1) Giả sử u L(E, F) và v L(F, G). Chứng minh rằng
a) dim Ker(vu) dim Ker u + dim Ker v.
b) rg u + rg v – dim F rg(vu) min {rg u, rg v}
2) Giả sử u, v L(E, F). Chứng minh rằng:
|rg u – rg v| rg(u +v) rg u + rg v.
ĐÁP ÁN BÀI GIẢNG SỐ 2
Bài 1:
f (e1 ) 3e1 4e2 4e3
1) f (e2 )
2e2 e3
f (e )
e2 2e3
3
3 0 0
2) Af 4 2 1
4 1 2
2 1 4
3) B f 1 2 4
0 0 3
Bài 2:
1 1 2
0 1 1
2) Af
7
5
3) f (u ) Af u
Bài 3:
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
x'
2) f (v ) y '
z'
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
x y z
A y x z
z x y
x ' y ' z '
x
2
x ' y ' z '
3) y
,
2
x ' y ' z '
z
2
1
2
1
1
A
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Bài 4:
3 1 2
1) A 2 1 0
1 1 0
2) Vì det(A) = - 1 nên ánh xạ tuyến tính f là song ánh và
Bài 5:
0
A 1 0
1
2
1 1
1 2
1
1
2
a 10, b 24
2 0 0
Bài 6: B 0 1 3
0 0 1
Bài 7:
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục
Khóa học: Ánh xạ tuyến tính
3x x 2
f (1)
0 1
3
3
2
f ( x ) 1 x x A 3
2
2
2
2
1 1
f ( x )
x 3x
0
1
3
Vì det(A) = -8 nên ánh xạ f là một đẳng cấu.
Bài 8:
1) {e 1 (1, 0,0), f (e1 ) (1, 1, 2), f 2 (e1 ) ( 1, 2, 2)} là độc lập tuyến tính nên nó là cơ sở
của
3 .
4
4
2) Ta có A I f Id 3 .
m 1
m 3
Bài 9: 1)
m 1
Kerf 0
m
3
2) m 1 Kerf span ( 4, 1, 0, 1)
m 3 Kerf span (0,1, 0,1)
Bài 10: Theo §2 , ví dụ 10, phần (2a) rg ( f ) rg ( g ) n .
Trung tâm gia sư VIP –Số 4, ngõ 128, Hoàng Văn Thái Thanh Xuân, Hà Nội
Biên soạn: ThS. Đỗ Viết Tuân –Giảng viên toán khoa CNTT –Học viện Quản lý giáo dục