Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Глава III. ЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.doc
Скачиваний:
18
Добавлен:
01.05.2019
Размер:
2.7 Mб
Скачать

3.7. Норма линейного преобразования

Линейное преобразование называется ограниченным сверху, если можно подобрать такое число , что для каждого нормированного вектора из пространства Rn выполняется неравенство

Теорема 3.12. Каждое линейное преобразование пространства ограничено сверху.

Доказательство. Пусть − произвольный нормирован-ный вектор из пространства Rn. Тогда квадрат длины этого вектора

.

Отсюда вытекает

1,…, 1 + … + .

Теперь полагаем , где

,

и докажем, что Действительно,

Из доказанной теоремы следует, что множество

ограничено сверху. Следовательно, это множество имеет точную верхнюю грань, обозначаемую символом . Будем называть ее нормой линейного преобразования , а также называть нормой матрицы . Итак,

= Sup{ }

на множестве нормированных векторов пространства Rn.

Лемма. Для каждого вектора из пространства Rn справедливо неравенство

Доказательство. Если вектор = , то вектор . Отсюда и , значит утверждение теоремы справедливо.

Если же вектор , то отсюда и из определения нормы линейного преобразования следует‌‌

Теорема 3.13. Линейное преобразование обратимо тогда и только тогда, когда

{‌ }

на множестве нормированных векторов пространства Rn.

Необходимость. Сначала установим, что норма каждой обратимой матрицы больше нуля. Действительно, если длина вектора равна единице, т. е. = 1, то и из обратимости матрицы следует и, значит, Теперь, из определения нормы линейного преобразования имеем или

По условию матрица обратима, а поэтому обратима матрица . Из доказанного выше утверждения следует > 0. Наконец, если – произвольный вектор длины единицы, то, используя лемму, имеем

Отсюда

{ }

Достаточность. Дано { } . Для доказательства обратимости преобразования достаточно установить, что = (теорема 3.6). Предположим противное, т. е. пусть . Это означает, что в подпространстве найдется ненулевой вектор и . Теперь рассмотрим следующую цепочку равенств:

, = = = .

Итак, нашелся такой нормированный вектор , что = 0. Отсюда вытекает, что

{ } = 0 (13)

на множестве нормированных векторов ε пространства Rn. Равенство (13) противоречит условию достаточности теоремы. ■

Задачи

1. Доказать, что на множестве нормированных векторов пространства Rn.

2. Найти норму линейного преобразования .

3. Доказать, что норма линейного преобразования равна наибольшему из чисел , ,…, , где

.

4. Доказать, что норма ненулевой матрицы больше нуля.

5. Доказать, что для любых квадратных матриц и справедливы неравенства:

а) ;

б) .

3.8. Ортогональные преобразования

и ортогональные матрицы

Ортогональные преобразования

Линейное преобразование называется ортогональным, если для каждой пары векторов из пространства Rn выполняется равенство

Следующая теорема иногда облегчает доказательство ортогональности линейного преобразования.

Теорема 3.14. Линейное преобразование будет ортогональным тогда и только тогда, когда выполняются следующие два условия:

1) , т. е. преобразование не изменяет длины векторов;

2) , т. е. преобразование не изменяет углы между векторами.

Необходимость вытекает из следующих равенств:

Достаточность. Ортогональность преобразования следует из следующей цепочки равенств:

. ■

В следующей теореме, характеризующей ортогональные преобразования, содержится, в частности, критерий, которому должны удовлетворять матрицы ортогональных преобразований.

Теорема 3.15. Рассмотрим линейное преобразование . Тогда следующие условия равносильны:

1) линейное преобразование ортогонально;

2) линейное преобразование переводит ортонормированный базис пространств Rn в ортонормированный базис, т. е. если ,…, – ортонормированный базис, то – ортонормированный базис пространства Rn;

3) столбцы матрицы образуют ортонормированную систему векторов.

Доказательство

1) 2). Пусть ,…, − ортонормированный базис Rn, т. е.

= 0, если ,

= 1,

Так как из условия 1) теоремы следует, что для каждой пары векторов , из пространства Rn, то

если ,

Отсюда вытекает, что является ортонормированной системой векторов и, значит, она линейно независимая. Так как эта система содержит n векторов, то из теоремы 1.5 следует, что базис Rn.

2) 3). Рассмотрим диагональную систему векторов , которая является ортонормированным базисом Rn. Из условия 2) теоремы получаем, что ортонормированный базис Rn. Так как из определения матрицы линейного преобразования следует , то – ортонормированная система векторов.

3) 1). Пусть и – произвольная пара векторов пространства Rn. Тогда

, (14)

,

.

По условию 3) теоремы, система векторов является ортонормированной. Теперь из свойства 3 [1. §7] ортогональных систем векторов получаем, что

. (15)

Из сопоставления соотношений (14) и (15) вытекает равенство

,

т. е. ортогональность линейного преобразования