Свойства собственных значений и собственных чисел.
Матричная запись линейных операторов.
Понятие линейного оператора. Основные свойства. Собственные числа и собственные векторы. Квадратичные формы.
Лекция 16.
Цель: Изучить понятия линейного оператора и его собственных чисел и собственных векторов, методы их нахождения.
Определение. Пусть и
– линейные пространства размерности
и
соответственно,
– будем называть оператором, действующим из
и
,
или
, говорят что y – образ элемента x, а x – прообраз y.
Определение. Оператор , действующий из
в
называется линейным, если для
и
выполняются соотношения:
1. .
2. .
Если (комплексная плоскость), то
– называют линейным функционалом. Если
совпадает с
, то
– называют линейным преобразованием пространства.
Определение.Произведение λ на называется оператор λA определяемый равенством
.
, где
нулевой оператор,
, противоположный
оператор.
- I – тождественный или единичный оператор.
Определение.Произведением оператора на
называется оператор, для которого верны следующие соотношения
:
1);
2);
3);
4);
5).
Определение.Операторназывается обратным для
если,
, обозначают
.
Определение. Ядром линейного оператора называется множество всех элементов
пространства
, для которых
:
.
Определение.Образом линейного оператора называется множество элементов
таких что
:
.
Определение.Рангом линейного оператора называется число равное .
Теорема. Пусть и пусть
, тогда
.
Фиксируем в линейном пространстве базис
пусть
– произвольный элемент
и
(разложение
по базису
).
Пусть – линейный оператор
. Тогда имеем
,
…,.
. Пусть
образы базисных векторов, тогда
, т. е.
, j=1,…,n,
.
Рассмотрим матрицу линейного оператора в заданном базисе
, это матрица столбцами которой являются координаты базисных векторов
. Причем единственный линейный оператор
, матрицей которого в заданном базисе
будет матрица
.
,
- оператор.
При этом соотношения ,
, с одной стороны связывают образ
с координатами прообраза
, с другой стороны, описывают действие линейного оператора
заданного матрицей A. При изменении базиса матрица линейного оператора A также изменится.
Пусть задан базис в пространстве
и
- новый базис, а U – матрица перехода от базиса
, тогда матрица линейного оператора в двух базисах связаны следующим соотношением:
, т. к.
,
и
,
.
Определение. Число λ называется собственным значением если существует ненулевой вектор
такой, что
, при этом
называется собственным вектором оператора
. Т.к.
,
, тогда чтобы однородная система имела ненулевое решение необходимо и достаточно, чтобы
. Многочлен
называется характеристическим многочленом
.
Чтобы найти собственные числа нужно решить уравнение .
Чтобы найти собственный вектор , соответствующий собственному числу
необходимо решить систему
.
1. Каждый линейный оператор имеет собственное значение.
2. Собственные числа и векторы не всегда вещественные.
3. У симметричной матрицы собственные числа всегда вещественны.
4. Собственные векторы соответствующие собственным значениям различные линейно независимы.
5. Если характеристический многочлен n-ой степени оператора имеет n – различных корней, то в некотором базисе матрица оператора A имеет диагональный вид.
6. Для того чтобы матрица A линейного оператора в данном базисе
была диагональной, необходимо и достаточно, чтобы базисные векторы
были собственными векторами этого оператора.
Определение. Линейный оператор называется самосопряженным, если для любых
выполняется равенство:
.