Kapitola 2: Lineární zobrazení

Transkript

1 Sbírka příkladů Matematika II pro strukturované studium Kapitola 2: Lineární zobrazení Chcete-li ukončit prohlížení stiskněte klávesuesc. Chcete-li pokračovat stiskněte klávesuenter.. p.1/11

2 Lineární zobrazení Lineární zobrazení zên doêm Inverzní matice. p.2/11

3 LineárnízobrazenízÊn doêm Příklad Napište maticiareprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 do Ê4 definované vztahem L((x, y, z) T )=(4x+2y+ z,3x+y,2x+2y+2z, x y 2z) T. Najděte vektor v = L( u), který je obrazem vektoru u =(1, 3,2) T v tomto zobrazení. Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem, který se zobrazí na vektor v. Pokud není jediným, nalezněte alespoň jeden další. Příklad Najděte vektor v, který je obrazem vektoru u =(1,1,1) T v lineárním zobrazení L prostoruê3 doê3 reprezentovaném maticí A= Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem z prostoruê3, který se na vektor v zobrazí. Pokud není jediný, najděte všechny další. Příklad Dokažte, že zobrazení L1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) Ț L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Příklad Najděte jádroklineárního zobrazení L:Ê3 Ê4 reprezentovaného maticí A= Určete dimenzik p.3/11

4 Příklad Napište maticiareprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê4 definované vztahem L((x, y, z) T )=(4x+2y+ z,3x+y,2x+2y+2z, x y 2z) T. Najděte vektor v = L( u), který je obrazem vektoru u =(1, 3,2) T v tomto zobrazení. Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem, který se zobrazí na vektor v. Pokud není jediným, nalezněte alespoň jeden další.?. p.4/11

5 Příklad Napište maticiareprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê4 definované vztahem L((x, y, z) T )=(4x+2y+ z,3x+y,2x+2y+2z, x y 2z) T. Najděte vektor v = L( u), který je obrazem vektoru u =(1, 3,2) T v tomto zobrazení. Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem, který se zobrazí na vektor v. Pokud není jediným, nalezněte alespoň jeden další. Výsledek: A= , v = , L((0,0,0)T )= p.4/11

6 Příklad Napište maticiareprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê4 definované vztahem L((x, y, z) T )=(4x+2y+ z,3x+y,2x+2y+2z, x y 2z) T. Najděte vektor v = L( u), který je obrazem vektoru u =(1, 3,2) T v tomto zobrazení. Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem, který se zobrazí na vektor v. Pokud není jediným, nalezněte alespoň jeden další. Návod: MaticeAbude typu4 3 a musí splňovat L((x, y, z) T )=A(x, y, z) T. Z této rovnosti zjistíme prvky maticea. Protože L( u)=a u, je v =A u. Vektor bude jediný právě když je hodnost maticearovna dimenzi vektorového prostoru vzorů, v našem případě 3. Pokudh(A) <3, musíme další vektory určit jako řešení soustavy lineárních rovnic A(x, y, z) T = v.. p.4/11

7 Příklad Napište maticiareprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê4 definované vztahem L((x, y, z) T )=(4x+2y+ z,3x+y,2x+2y+2z, x y 2z) T. Najděte vektor v = L( u), který je obrazem vektoru u =(1, 3,2) T v tomto zobrazení. Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem, který se zobrazí na vektor v. Pokud není jediným, nalezněte alespoň jeden další. Řešení: L((x, y, z) T )=A = x y z = a 11 x+a 12 y+ a 13 z a 21 x+a 22 y+ a 23 z a 31 x+a 32 y+ a 33 z a 41 x+a 42 y+ a 43 z Porovnáme poslední dva vektory a dostaneme a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 a 41 a 42 a 43 = 4x+2y+ z 3x+ y 2x+2y+2z x y 2z x y z. = a 11 = 4 a 12 = 2 a 13 = 1 a 21 = 3 a 22 = 1 a 23 = 0 a 31 = 2 a 32 = 2 a 33 = 2 a 41 = 1 a 42 = 1 a 43 = 2 Další. p.4/11

8 Příklad Napište maticiareprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê4 definované vztahem L((x, y, z) T )=(4x+2y+ z,3x+y,2x+2y+2z, x y 2z) T. Najděte vektor v = L( u), který je obrazem vektoru u =(1, 3,2) T v tomto zobrazení. Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem, který se zobrazí na vektor v. Pokud není jediným, nalezněte alespoň jeden další. Řešení: Tedy A= MaticeAreprezentuje lineární zobrazení L, neboli L( u)=a u = v, A u = 3 = = v Protože L je lineární zobrazení prostoruê3 doê4, víme, že se nulový vektor (0,0,0) T Ê3 zobrazí na nulový vektor(0,0,0,0) T Ê4. Určitě tedy není vektor u jediný vektor, který se zobrazí na v. Máme-li tedy najít alespoň jeden další vektor, který se zobrazí na vektor v =(0,0,0,0) T Ê4 nemusíme už nic počítat a správná odpověd je, že na vektor v se zobrazí také vektor(0,0,0) T Ê3... p.4/11

9 Příklad Napište maticiareprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê4 definované vztahem L((x, y, z) T )=(4x+2y+ z,3x+y,2x+2y+2z, x y 2z) T. Najděte vektor v = L( u), který je obrazem vektoru u =(1, 3,2) T v tomto zobrazení. Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem, který se zobrazí na vektor v. Pokud není jediným, nalezněte alespoň jeden další. Maple: > with(linalg): > eqns:= {4*x+2*y+z=a1,3*x+y=a2,2*x+2*y+2*z=a3,x-y-2*z=a4}; eqns:= { 4 x+2 y+ z=a1,3 x+y=a2,2 x+2 y+2 z=a3, x y 2 z=a4 } > A := genmatrix(eqns, [x,y,z]); A:= > u:=vector([1,-3,2]); Další > v:=evalm(a&*u); u:=[1, 3,2] v:=[0,0,0,0]. p.4/11

10 Příklad Napište maticiareprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê4 definované vztahem L((x, y, z) T )=(4x+2y+ z,3x+y,2x+2y+2z, x y 2z) T. Najděte vektor v = L( u), který je obrazem vektoru u =(1, 3,2) T v tomto zobrazení. Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem, který se zobrazí na vektor v. Pokud není jediným, nalezněte alespoň jeden další. Maple: > linsolve (A,v); [t 1, 3 t 1,2 t 1 ] > uall:=t1->vector([t1,-3*t1,2*t1]); > uall(1); > uall(0); uall:=t1 [t1, 3t1,2t1] [1, 3,2] [0,0,0] > uall(5); [5, 15,10]. p.4/11

11 Příklad Napište maticiareprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê4 definované vztahem L((x, y, z) T )=(4x+2y+ z,3x+y,2x+2y+2z, x y 2z) T. Najděte vektor v = L( u), který je obrazem vektoru u =(1, 3,2) T v tomto zobrazení. Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem, který se zobrazí na vektor v. Pokud není jediným, nalezněte alespoň jeden další. Mathematica: A={Coefficient[4x+2y+ z, {x, y, z}], Coefficient[3x+y, {x, y, z}], Coefficient[x y 2z, {x, y, z}]}; MatrixForm[A] u={1, 3,2}; v=a.u {0,0,0} LinearSolve[A, v] {0,0,0}. p.4/11

12 Příklad Najděte vektor v, který je obrazem vektoru u =(1,1,1) T v lineárním zobrazení L prostoruê3 doê3 reprezentovaném maticí A= Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem z prostoruê3, který se na vektor v zobrazí. Pokud není jediný, najděte všechny další.?. p.5/11

13 Příklad Najděte vektor v, který je obrazem vektoru u =(1,1,1) T v lineárním zobrazení L prostoruê3 doê3 reprezentovaném maticí A= Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem z prostoruê3, který se na vektor v zobrazí. Pokud není jediný, najděte všechny další. Výsledek: v =(1,1,1) T, u je jediným vektorem zê3, který se na v zobrazí.. p.5/11

14 Příklad Najděte vektor v, který je obrazem vektoru u =(1,1,1) T v lineárním zobrazení L prostoruê3 doê3 reprezentovaném maticí A= Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem z prostoruê3, který se na vektor v zobrazí. Pokud není jediný, najděte všechny další. Návod: Protože L je reprezentováno maticía, je L( u)=a u. Je-li zobrazení L prosté, je vektor u jediný. Protože zobrazení je prosté právě když hodnost maticeaje rovna dimenzi vektorového prostoru vzorů, tj. počtu sloupců maticea, stačí zjistith(a). Zjistíme-li, že zobrazení není prosté, najdeme všechny vektory x Ê3, které se zobrazí na vektor v jako řešení x soustavy lineárních rovnica x = v.. p.5/11

15 Příklad Najděte vektor v, který je obrazem vektoru u =(1,1,1) T v lineárním zobrazení L prostoruê3 doê3 reprezentovaném maticí A= Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem z prostoruê3, který se na vektor v zobrazí. Pokud není jediný, najděte všechny další. Řešení: Lineární zobrazení L je reprezentováno maticía, tj. L( u)=a u = v. A u = = = v MaticeAje v horním trojúhelníkovém tvaru, její hodnost je tedy rovna počtu řádků, tj. h(a)=3= počtu sloupců maticeaazobrazení L je prosté. Vektor u je tedy jediným vektorem zê3, který se na vektor v zobrazí.. p.5/11

16 Příklad Najděte vektor v, který je obrazem vektoru u =(1,1,1) T v lineárním zobrazení L prostoruê3 doê3 reprezentovaném maticí A= Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem z prostoruê3, který se na vektor v zobrazí. Pokud není jediný, najděte všechny další. Maple: > with(linalg): > A:=matrix(3,3,[2,-1,0,0,4,-3,0,0,1]); A:= > u:=vector(3,[1,1,1]); > v:=evalm(a&*u); > allu:=linsolve(a,v); u:=[1,1,1] v:=[1,1,1] allu:=[1,1,1]. p.5/11

17 Příklad Najděte vektor v, který je obrazem vektoru u =(1,1,1) T v lineárním zobrazení L prostoruê3 doê3 reprezentovaném maticí A= Zjistěte, zda vektor u je jediným vektorem z prostoruê3, který se na vektor v zobrazí. Pokud není jediný, najděte všechny další. Mathematica: A={{2, 1,0}, {0,4, 3}, {0,0,1}}; MatrixForm[A] u={1,1,1}; v=a.u {1,1,1} u1 = LinearSolve[A, v] {1,1,1}. p.5/11

18 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T.?. p.6/11

19 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Výsledek: A= p.6/11

20 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Návod: Úlohu řešte tak, že a) najdete tvar složeného zobrazení a pak sestavíte jeho matici b) sestavíte nejprve matice jednotlivých zobrazení. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Zobrazení zên doêm je lineární právě když je reprezentováno maticí. Stačí tedy ukázat, že existují maticea 1 aa 2, které reprezentují zobrazení L 1 a L 2. a) Na vektor x =(x 1, x 2, x 3, x 4 ) T Ê4 aplikujeme zobrazení L 2 a na výsledný vektor z Ê3 aplikujeme zobrazení L 1. Výsledek složení je vektor zê4. Protože zobrazení L 1 a L 2 jsou lineární, je lineární i složené zobrazení L 1 (L 2 ( x)). Je reprezentováno maticía, kterou získáme z rovnicea x = L 1 (L 2 ( x)). b) Zobrazení L 1 je reprezentováno maticía 1, jejíž prvky získáme porovnáním vektorů A 1 y a L1 ( y), y Ê3. Obdobně získáme maticia 2. Výsledná maticea=a 1 A 2.. p.6/11

21 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Řešení: Zobrazení z konečnědimenzionálního prostoru do konečnědimenzionálního prostoru je lineární právě když je reprezentováno maticí. Najdeme-li tedy matice, které reprezentují zobrazení L 1 a L 2, dokážeme tím současně, že zobrazení jsou lineární. Necht y =(y1, y 2, y 3 ) T Ê3. Pak = L 1 ( y)=a 1 y = a 11 y 1 + a 12 y 2 + a 13 y 3 a 21 y 1 + a 22 y 2 + a 23 y 3 a 31 y 1 + a 32 y 2 + a 33 y 3 a 41 y 1 + a 42 y 2 + a 43 y 3 Porovnáme poslední dva vektory a dostaneme a 11 = 1 a 12 = 2 a 13 = 1 a 21 = 4 a 22 = 2 a 23 = 1 a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 a 41 a 42 a 43 = a 31 = 1 a 32 = 5 a 33 = 3 y 1 y 2 y 3 = y 1 2y 2 + y 3 4y 1 +2y 2 y 3 y 1 5y 2 +3y 3 2y 1 3y 2 +8y 3 Tedy zobrazení L 1 je reprezentováno maticía 1, a je tedy lineární, Další. a 41 = 2 a 42 = 3 a 43 = 8. p.6/11

22 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Řešení: A 1 = Obdobně pro L 2. Necht y =(y 1, y 2, y 3, y 4 ) T Ê4. = L 2 ( y)=a 2 y = a 11 y 1 + a 12 y 2 + a 13 y 3 + a 14 y 4 a 21 y 1 + a 22 y 2 + a 23 y 3 + a 24 y 4 a 31 y 1 + a 32 y 2 + a 33 y 3 + a 34 y 4 Porovnáme poslední dva vektory a dostaneme. a 11 a 12 a 13 a 14 a 21 a 22 a 23 a 24 a 31 a 32 a 33 a 34 = y 1 y 2 y 3 y 4 = y 1 2y 2 + y 3 y 4 y 1 7y 4 2y 1 y 3 + y 4. a 11 = 1 a 12 = 2 a 13 = 1 a 14 = 1 a 21 = 1 a 22 = 0 a 23 = 0 a 24 = 7 a 31 = 2 a 32 = 0 a 33 = 1 a 34 = 1 Další. p.6/11

23 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Řešení: Tedy zobrazení L 2 je reprezentováno maticía 2, a je také lineární, A 2 = a) Složíme zobrazení L 1 L 2. Necht x =(x 1, x 2, x 3, x 4 ) T Ê4. L 1 (L 2 ( x))=l 1 ((x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T )= =(x 1 2x 2 + x 3 x 4 2x 1 +14x 4 +2x 1 x 3 + x 4, 4x 1 8x 2 +4x 3 4x 4 +2x 1 14x 4 2x 1 + x 3 x 4, x 1 +2x 2 x 3 + x 4 5x 1 +35x 4 +6x 1 3x 3 +3x 4, 2x 1 4x 2 +2x 3 2x 4 3x 1 +21x 4 +16x 1 8x 3 +8x 4 ) T = (x 1 2x 2 +14x 4,4x 1 8x 2 +5x 3 19x 4,2x 2 4x 3 +39x 4,15x 1 4x 2 6x 3 +27x 4 ) T. Toto složené zobrazení je reprezentováno maticíatypu4 4 tak, žea x = L 1 (L 2 ( x)), tj. Další. p.6/11

24 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Řešení: a 11 x 1 + a 12 x 2 + a 13 x 3 + a 14 x 4 a 21 x 1 + a 22 x 2 + a 23 x 3 + a 24 x 4 a 31 x 1 + a 32 x 2 + a 33 x 3 + a 34 x 4 = x 1 2x 2 +14x 4 4x 1 8x 2 +5x 3 19x 4 2x 2 4x 3 +39x 4. a 41 x 1 + a 42 x 2 + a 43 x 3 + a 44 x 4 Porovnáme poslední dva vektory a dostaneme 15x 1 4x 2 6x 3 +27x 4 a 11 = 1 a 12 = 2 a 13 = 0 a 14 = 14 a 21 = 4 a 22 = 8 a 23 = 5 a 24 = 19 a 31 = 0 a 32 = 2 a 33 = 4 a 34 = 39 a 41 = 15 a 42 = 4 a 43 = 5 a 44 = 27 Tedy lineární zobrazení L 1 L 2 je reprezentováno maticía, A= b) Matice jednotlivých zobrazení jsme už sestavili. Pro maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2, platía=a 1 A 2. Ověřte sami, že skutečně dostanete stejnou maticiajako v a).. p.6/11

25 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Maple: > with(linalg): > L1:=(x1,x2,x3)->(x1-2*x2+x3,4*x1+2*x2-x3,-x1-5*x2+3*x3, 2*x1-3*x2+8*x3 ); L1:=(x1,x2,x3) (x1 2x2+x3,4x1+2x2 x3, x1 5x2+3x3, 2x1 3x2+8x3) > L2:=(x1,x2,x3,x4)->(x1-2*x2+x3-x4,x1-7*x4,2*x1-x3+x4); L2:=(x1,x2,x3,x4) (x1 2x2+x3 x4,x1 7x4,2x1 x3+x4) > L1(L2(x1,x2,x3,x4)); x1 2x2+14x4,4x1 8x2+5x3 19x4,2x2 4x3+39x4, 15x1 4x2 6x3+27x4 > A1:=matrix(4,3,[1,-2,1,4,2,-1,-1,-5,3,2,-3,8]); A1:= Další. p.6/11

26 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Maple: > A2:=matrix(3,4,[1,-2,1,-1,1,0,0,-7,2,0,-1,1]); A2:= > A:=evalm(A1&*A2); A:= p.6/11

27 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Mathematica: L1[x1, x2,x3]=, {x1 2x2+x3,4x1+2x2 x3, x1 5x2+3x3,2x1 2x1 3x2+8x3}; A1={{1, 2,1}, {4,2, 1}, { 1, 5,3}, {2, 3,8}}; L2[x1, x2,x3,,x4]= {x1 2x2+x3 x4,x1 7x4,2x1 x3+x4}; A2={{1, 2,1, 1}, {1,0,0, 7}, {2,0, 1,1}}; sloz=apply[l1,l2[x1,x2,x3, L2[x1,x2,x3, x2,x3, x4]] {3x1 2x2 2(x1 7x4), 2x1+x3+2(x1 7x4)+4(x1 2x2+x3 x4) x4, x1+2x2 x3 5(x1 7x4)+x4+3(2x1 x3+x4), 3(x1 7x4)+2(x1 2x2+x3 x4)+8(2x1 x3+x4)} L[x1,x2,x3]=Expand[sloz] {x1 2x2+14x4,4x1 8x2+5x3 19x4,2x2 4x3+39x4,15x1 4x2 6x3+27x4} A={{1, 2,0,14}, {4, 8,5, 19}, {0,2, 4,39},{15, 4, 6,27}}; MatrixForm[A] Další. p.6/11

28 Příklad Dokažte, že zobrazení L 1 :Ê3 Ê4 a zobrazení L 2 :Ê4 Ê3 jsou lineární, a najděte maticia, která reprezentuje složené zobrazení L 1 L 2. L 1 ((x 1, x 2, x 3 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3,4x 1 +2x 2 x 3, x 1 5x 2 +3x 3,2x 1 3x 2 +8x 3 ) T, L 2 ((x 1, x 2, x 3, x 4 ) T )=(x 1 2x 2 + x 3 x 4, x 1 7x 4,2x 1 x 3 + x 4 ) T. Mathematica: MatrixForm[A1.A2] p.6/11

29 Příklad Najděte jádroklineárního zobrazení L:Ê3 Ê4 reprezentovaného maticí A= Určete dimenzik.?. p.7/11

30 Příklad Najděte jádroklineárního zobrazení L:Ê3 Ê4 reprezentovaného maticí A= Určete dimenzik. Výsledek: dim K=1, K= { x Ê3, x = α(1,1,5) T, α Ê}.. p.7/11

31 Příklad Najděte jádroklineárního zobrazení L:Ê3 Ê4 reprezentovaného maticí A= Určete dimenzik. Návod: Protože jádro lineárního zobrazení L:Ê3 Ê4 je množina K= { x Ê3, L( x)= 0 }={ x Ê3, A x = 0 }, vyřešíme homogenní soustavu lineárních rovnica x =0. Jádro je rovno vektorovému prostoru všech řešení této homogenní soustavy.. p.7/11

32 Příklad Najděte jádroklineárního zobrazení L:Ê3 Ê4 reprezentovaného maticí A= Určete dimenzik. Řešení: Jádro lineárního zobrazení L z prostoruê3 doê4 je množina K= { x Ê3, L( x)= 0 }. Je-li toto zobrazení reprezentováno maticía, můžeme rovnost L( x)= 0 nahradit rovnostía x = 0. Abychom tedy našli jádro, musíme vyřešit homogenní soustavu lineárních rovnica x = 0. Jádro je množina všech řešení této homogenní soustavy. Matici soustavyapřevedeme pomocí ekvivalentních úprav na horní trojúhelníkový tvar: ( K sedminásobku 2. řádku jsme přičetli( 3)násobek prvního, k sedminásobku 3. řádku jsme přičetli šestinásobek prvního a k sedminásobku 4. řádku jsme přičetli první řádek. Vznikla matice, ve které třetí a čtvrtý řádek jsou násobky druhého, proto je vynecháme. Hodnost matice jeh(a)=2, počet neznámých je n=3. Vektorový prostor všech řešení této homogenní soustavy (= hledané jádro K) má dimenzi Další dim K= n h(a)=3 2=1. ).. p.7/11

33 Příklad Najděte jádroklineárního zobrazení L:Ê3 Ê4 reprezentovaného maticí A= Určete dimenzik. Řešení: Pomocí zpětného chodu Gaussovy eliminace najdeme K. Hledáme všechny vektory x =(x, y, z) T Ê3, které řeší homogenní soustavu. Jednu neznámou volíme jako parametr. Dostaneme z=t, 5y z=0 y= 1 5 t, 7x+3y 2z=0 x=1 5 t, t Ê. Tedy K= { x Ê3, x = t ( ) 1 T 5,1 5,1, t Ê}={ x Ê3, x = α(1,1,5) T, α Ê}. Poznamenejme, že oba zápisy jsou správně. Použitím α jsme se jen zbavili zlomků. To lze, nebot je-li x = t ( 1 5, 1 5,1)T řešení naší homogenní soustavy, je jistě i x = α(1,1,5)t řešení této soustavy. Přesvědčte se o tom.. p.7/11

34 Příklad Najděte jádroklineárního zobrazení L:Ê3 Ê4 reprezentovaného maticí A= Určete dimenzik. Maple: > with(linalg): > A:=matrix(4,3,[7,3,-2,3,2,-1,-6,-4,2,-1,-4,1]); A:= > kernel(a, nulldim ); > nulldim; {[1,1,5]} 1. p.7/11

35 Příklad Najděte jádroklineárního zobrazení L:Ê3 Ê4 reprezentovaného maticí A= Určete dimenzik. Mathematica: A={{7,3, 2}, {3,2, 1},{ 6, 4,2}, { 1, 4,1}}; MatrixForm[A] K= NullSpace[A] {{1,1,5}} dim = MatrixRank[K] 1. p.7/11

36 Inverzní matice Příklad Zjistěte, zda k maticiaexistuje matice inverzní. Pokud ano, vypočtěte ji A= Příklad Určete matici reprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê3 definované vztahem L((x 1, x 2, x 3 ) T )=(2x 1 + x 3, x 1 x 2 x 3, x 1 +3x 2 +2x 3 ) T a nalezněte k ní matici inverzní. Příklad Řešte maticovou rovniciax+x=a 2, kde A= p.8/11

37 Příklad Zjistěte, zda k maticiaexistuje matice inverzní. Pokud ano, vypočtěte ji A= ?. p.9/11

38 Příklad Zjistěte, zda k maticiaexistuje matice inverzní. Pokud ano, vypočtěte ji A= Výsledek: A 1 = p.9/11

39 Příklad Zjistěte, zda k maticiaexistuje matice inverzní. Pokud ano, vypočtěte ji A= Návod: Vypočteme determinant maticea. Je-lidetA 0, inverzní matice existuje. Najdeme ji Gaussovou-Jordanovou metodou, t.j. matici(a E) převedeme pomocí ekvivalentních úprav na matici(e A 1 ), kdeeje jednotková matice.. p.9/11

40 Příklad Zjistěte, zda k maticiaexistuje matice inverzní. Pokud ano, vypočtěte ji A= Řešení: Inverzní maticea 1 k maticiaexistuje právě když maticeaje regulární, tj.deta 0. Vypočteme tedy determinant maticea. Počítáme rozvojem podle druhého sloupce: deta=1 ( 1) ( 1) = =1+2 ( 1) =1+2(1 2)= 1. Využili jsme toho, že determinant horní trojúhelníkové matice je roven součinu diagonálních prvků, druhý determinant matice3 3 jsme počítali rozvojem podle 1. řádku. Determinant maticeaje nenulový, tedy maticeaje regulární a inverzní matice existuje. Necht E je jednotková matice. Výpočet provedeme Gaussovou-Jordanovou metodou, tj. matici(a E) převedeme pomocí ekvivalentních úprav na matici(e A 1 ): Další. p.9/11

41 Příklad Zjistěte, zda k maticiaexistuje matice inverzní. Pokud ano, vypočtěte ji A= Řešení: (A E) = K( 2)násobku druhého řádku jsme přičetli první řádek Od prvního a čtvrtého řádku jsme odečetli druhý. V dalším kroku jsme k prvnímu řádku přičetli dvojnásobek třetího řádku a ke čtvrtému řádku jsme přičetli( 2)násobek třetího. Zbývá upravit čtvrtý sloupec. Další. p.9/11

42 Příklad Zjistěte, zda k maticiaexistuje matice inverzní. Pokud ano, vypočtěte ji A= Řešení: =(E A 1 ). K prvnímu řádku jsme přičetli dvojnásobek čtvrtého, k druhému řádku jsme přičetli ( 2)násobek čtvrtého, od třetího řádku jsme odečetli čtvrtý. Při poslední úpravě vydělíme každý řádek diagonálním prvkem. Dostaneme vlevo jednotkovou maticiea vpravo hledanou inverzní maticia 1.. p.9/11

43 Příklad Zjistěte, zda k maticiaexistuje matice inverzní. Pokud ano, vypočtěte ji A= Maple: > with(linalg): > A:= matrix(4,4,[2,1,0,0,1,0,-1,2,0,0,1,-1,0,1,0,-1]); A:= > det(a); > inverse(a); p.9/11

44 Příklad Zjistěte, zda k maticiaexistuje matice inverzní. Pokud ano, vypočtěte ji A= Mathematica: A={{2,1,0,0}, {1,0, 1,2}, {0,0,1, 1}, {0,1,0, 1}}; Det[A] 1 B= Inverse[A]; MatrixForm[B] p.9/11

45 Příklad Určete matici reprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê3 definované vztahem L((x 1, x 2, x 3 ) T )=(2x 1 + x 3, x 1 x 2 x 3, x 1 +3x 2 +2x 3 ) T a nalezněte k ní matici inverzní.?. p.10/11

46 Příklad Určete matici reprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê3 definované vztahem L((x 1, x 2, x 3 ) T )=(2x 1 + x 3, x 1 x 2 x 3, x 1 +3x 2 +2x 3 ) T a nalezněte k ní matici inverzní. Výsledek: A= , A 1 = p.10/11

47 Příklad Určete matici reprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê3 definované vztahem L((x 1, x 2, x 3 ) T )=(2x 1 + x 3, x 1 x 2 x 3, x 1 +3x 2 +2x 3 ) T a nalezněte k ní matici inverzní. Návod: Porovnáním vektorů A x a L( x) získáme prvky maticea. Inverzní matici vypočteme Gaussovou-Jordanovou metodou nebo pomocí algebraických doplňků.. p.10/11

48 Příklad Určete matici reprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê3 definované vztahem L((x 1, x 2, x 3 ) T )=(2x 1 + x 3, x 1 x 2 x 3, x 1 +3x 2 +2x 3 ) T a nalezněte k ní matici inverzní. Řešení: Protože L( x)=a x, dostaneme prvky a ij matice A typu3 3 porovnáním vektorů A x a L( x): a 11 x 1 + a 12 x 2 + a 13 x 3 2x 1 + x 3 a 21 x 1 + a 22 x 2 + a 23 x 3 = x 1 x 2 x 3. a 31 x 1 + a 32 x 2 + a 33 x 3 x 1 +3x 2 +2x 3 Tedy maticeareprezentující lineární zobrazení L:Ê3 Ê3 je A= Nyní vypočteme Gaussovou-Jordanovou metodou inverzní matici, tj. pomocí ekvivalentních úprav převedeme matici(a E) na matici(e A 1 ): (A E) = Další. p.10/11

49 Příklad Určete matici reprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê3 definované vztahem L((x 1, x 2, x 3 ) T )=(2x 1 + x 3, x 1 x 2 x 3, x 1 +3x 2 +2x 3 ) T a nalezněte k ní matici inverzní. Řešení: K( 2)násobku druhého řádku jsme přičetli první, ke dvojnásobku třetího řádku jsme přičetli první. Při další úpravě jsme k třetímu řádku přičetli( 3)násobek druhého Ke čtyřnásobku prvního řádku jsme přičetli třetí řádek, ke čtyřnásobku druhého řádku jsme přičetli trojnásobek třetího. Zbývá vydělit každý řádek diagonálním prvkem =(E A 1 ) = A 1 = p.10/11

50 Příklad Určete matici reprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê3 definované vztahem L((x 1, x 2, x 3 ) T )=(2x 1 + x 3, x 1 x 2 x 3, x 1 +3x 2 +2x 3 ) T a nalezněte k ní matici inverzní. Maple: > with(linalg): > eqns := {2*x1+x3=y1,x1-x2-x3=y2,-x1+3*x2+2*x3=y3}; eqns:= {2x1+x3=y1,x1 x2 x3=y2, x1+3x2+2x3=y3 } > A := genmatrix(eqns, [x1,x2,x3]); > B:=inverse(A); A:= B:= p.10/11

51 Příklad Určete matici reprezentující lineární zobrazení L prostoruê3 doê3 definované vztahem L((x 1, x 2, x 3 ) T )=(2x 1 + x 3, x 1 x 2 x 3, x 1 +3x 2 +2x 3 ) T a nalezněte k ní matici inverzní. Mathematica: A={{2,0,1}, {1, 1, 1}, { 1,3,2}}; MatrixForm[A] B= Inverse[A]; MatrixForm[B] p.10/11

52 Příklad Řešte maticovou rovniciax+x=a 2, kde A= ?. p.11/11

53 Příklad Řešte maticovou rovniciax+x=a 2, kde Výsledek: A= X:= p.11/11

54 Příklad Řešte maticovou rovniciax+x=a 2, kde Návod: A= Nejprve vyjádříme maticixobecně z maticové rovnice, teprve potom dosadíme konkrétní maticia,a 2,A+E a inverzní matici ka+e.eje jednotková matice, matici A+E dostaneme vytknutím maticexamatici(a+e) 1 musíme spočítat (pozor, včas ověřte, že inverzní matice existuje), abychom mohli vypočítat výslednou maticix... p.11/11

55 Příklad Řešte maticovou rovniciax+x=a 2, kde Řešení: A= Nejprve vyjádříme maticixobecně z maticové rovnice. Vytkneme v levé části rovnice maticixvpravo: AX+X=A 2 = (A+E)X=A 2, E je jednotková matice, E=diag(1,1,1) Ê3. Nyní bychom potřebovali celou rovnici vynásobit zleva maticí(a+e) 1. To ale musíme vědět, že inverzní matice existuje. Tedy musíme vypočítat maticia+e a ověřit, že je regulární, tj.det(a+e) 0. Determinant budeme počítat rozvojem podle třetího řádku.. A+E= = , det(a+e)= = 2+(4 1)=1. Celou rovnici tedy vynásobíme inverzní maticí(a+e) 1 zleva a použijeme definici inverzní matice, tj.(a+e) 1 (A+E)=E, a dále rovnostex=x. Další. p.11/11

56 Příklad Řešte maticovou rovniciax+x=a 2, kde Řešení: A= (A+E) 1 (A+E)X=(A+E) 1 A 2 = X=(A+E) 1 A 2. Dostali jsme obecný předpis pro maticix. Vypočteme konkrétní matice: A 2 = , (A+E E)= Další =(E (A+E) 1 ).. p.11/11

57 Příklad Řešte maticovou rovniciax+x=a 2, kde A= Řešení: Zbývá vypočítatx: X=(A+E) 1 A 2 = = p.11/11

58 Příklad Řešte maticovou rovniciax+x=a 2, kde Maple: Další > with(linalg): A= > A:= matrix(3,3,[1,1,1,1,1,0,1,0,0]); A:= > AA:=evalm(A&*A); > E:=diag(1,1,1); AA:= E:= p.11/11

59 Příklad Řešte maticovou rovniciax+x=a 2, kde Maple: > evalm(a+e); > det(%); > B:=inverse(A+E); > X:=evalm(B&*AA); A= B:= X:= p.11/11

60 Příklad Řešte maticovou rovniciax+x=a 2, kde Mathematica: A= A={{2,0,1}, {1, 1, 1}, { 1,3,2}}; MatrixForm[A] B= Inverse[A]; MatrixForm[B] A={{1,1,1}, {1,1,0}, {1,0,0}}; MatrixForm[A] Další p.11/11