Практическое занятие. Тема. Линейные операторы, действия над ними. Собственные числа и векторы матриц. Приведение матрицы к диагональному виду.
Операторомв (преобразованием пространства
) называется закон, по которому каждому вектору
ставится в соответствие единственный вектор
, и пишут
Оператор
называется линейным, если для любых векторов
и действительных чисел
выполнено условие:
.
Если - базис
, томатрицей линейного оператора
в базисе
называется квадратная матрица
порядка
, столбцами которой являются столбцы координат векторов
. Каноническим базисом
называется базис
, где
,
,
-единичные векторы. Между линейными операторами, действующими в
и квадратными матрицами порядка
, существует взаимно однозначное соответствие, что позволяет оператор
представлять в матричном виде
, где
- матрицы-столбцы координат векторов
,
- матрица оператора
в базисе
.
Для линейных операторов вводятся операции: 1) сложение операторов: ; 2) умножение оператора на число:
; 3) умножение операторов:
. Обратнымк оператору
называется оператор
такой, что
, где
- единичный(тождественный) оператор, реализующий отображение
. Обратный оператор
существует только для невырожденных операторов
(операторов, матрица которых является невырожденной). Все, рассмотренные выше, действия над линейными операторами выполняют, выполняя аналогичные действия над их матрицами.
Пусть число и вектор
,
, таковы, что выполняются равенства:
или
. Тогда число
называется собственным числом линейного оператора
(матрицы
), а вектор
- собственным вектором оператора (матрицы), соответствующим собственному числу
. Равенство
может быть записано и в виде
, где
- единичная матрица порядка
,
- матрица-столбец координат собственного вектора
, соответствующего собственному числу
,
- нулевая матрица-столбец. Характеристическим уравнением оператора
(матрицы
) называется уравнение:
.
Множество собственных чисел оператора (матрицы) совпадает с множеством корней его характеристического уравнения: , а множество собственных векторов, отвечающих собственному числу
, совпадает с множеством ненулевых решений матричного уравнения:
.
Если квадратная матрица порядка
имеет собственные числа
кратности
, где
, то она приводима к диагональному виду
тогда и только тогда, когда выполнены условия:
(
). Если нарушается хотя бы одно из условий, то матрица к диагональному виду неприводима. В диагональной матрице
на главной диагонали стоят собственные числа матрицы
.
В задачах 1.134-1.138 установить, какие из заданных отображений пространства арифметических векторов в себя являются линейными операторами, и выписать их матрицы в каноническом базисе.
1.134 .1.135
.
1.136 . 1.137
.
В задачах 1.139-1.143 в пространстве заданы линейные операторы
и
. Найти матрицу линейного оператора
, где
и его явный вид в каноническом базисе
.
1.139 ,
.
1.140 ,
.
1.141 ,
.
1.142 , .