线性变换是向量空间之间保持向量加法和标量乘法的函数。它描述的是与向量的代数结构相容的变换,无论这些向量是坐标序列、多项式还是函数。线性变换也称为线性映射,是线性代数的核心研究对象。定义域与目标空间的维数不必相同;当二者是同一个向量空间时,这种变换通常称为线性算子。(dummit.cos.northeastern.edu)
定义与基本性质
设 和 是同一域(数学) 上的向量空间。若对任意 和 ,映射 都满足
则称 为线性映射。
等价地,它同时满足可加性 和齐次性 。这些条件意味着 ,并且任意有限线性组合都得到保持:
因此,线性变换完全由它在定义域的一组基(线性代数)上的取值决定。反过来,为一组基中的每个向量任意指定一个目标空间中的向量,就能确定唯一的线性变换。线性变换不要求保持长度、角度或向量的乘法。(math.mit.edu)
矩阵表示
对于有限维空间,选定有序基后,就可以用矩阵表示线性变换。若 的维数(向量空间)为 , 的维数为 ,则表示矩阵 有 行、 列。它的第 列由 在所选的 的基下的坐标组成。因此,
其中方括号表示坐标列向量。在标准坐标下,这一关系写成 。每个 矩阵都定义了一个线性变换 。(opentext.uleth.ca)
变换是抽象的映射,而它的矩阵则取决于所选的基。对于算子 ,更换基后,新旧矩阵之间满足矩阵相似关系:
其中 将新坐标转换为旧坐标。矩阵的元素可能改变,但秩、行列式和特征值等内在性质不会改变。(dummit.cos.northeastern.edu)
几何示例与仿射映射
在实坐标空间中,线性变换包括缩放、绕原点旋转、关于包含原点的子空间的反射、剪切和投影。例如,平面内逆时针旋转角度 的矩阵为
而水平剪切的矩阵为
这一剪切将 映射为 ,改变形状而不引入平移。到水平轴的正交投影将 映射为 ,舍弃其中一个坐标。(math.mit.edu)
线性变换将直线映射为直线或一个点,并且始终保持原点不动。仿射映射具有更一般的形式 。它是线性的,当且仅当 。因此,在普通坐标下,平移不是线性变换;不过,借助齐次坐标,可以用更大的矩阵表示仿射映射,使其在扩充后的坐标空间上线性地作用。(groups.csail.mit.edu)
核、像与秩
两个相关的子空间分别描述了变换丢失了什么,以及它能产生什么。变换的核(线性映射)为
其像(线性映射)为
二者分别是 和 的线性子空间。变换是单射函数,当且仅当其核为 ;变换是满射函数,当且仅当其像等于 。(ximera.osu.edu)
像的维数称为秩,核的维数称为零化度。对于有限维的定义域,秩—零化度定理指出
变换的秩等于它的任意表示矩阵的秩。从几何上看,零化度表示被压缩为零的独立输入方向的个数,而秩表示独立输出方向的个数。对于 ,核是 轴,像是整个坐标平面,并且 。(ximera.osu.edu)
复合、逆与特征向量
线性变换的函数复合仍是线性变换。选取相容的基时,复合对应于矩阵乘法:先应用 ,再应用 ,所得矩阵为 。双射线性变换的逆也是线性的,因此它是向量空间之间的同构。对于有限维空间上的算子,可逆性等价于其矩阵的行列式非零。(dummit.cos.northeastern.edu)
对于算子 ,特征值与特征向量刻画了所在方向保持不变的非零向量:
如果一组基完全由特征向量组成,那么算子在这组基下的矩阵就是对角矩阵。这种矩阵对角化可以简化变换的反复应用,因为只需将对角元素分别取相应次幂,就能得到对角矩阵的幂。并非每个算子在其所用的域上都具有由特征向量组成的基。(math.uchicago.edu)
函数空间与连续性
线性性并不限于几何向量。在适当的可微函数空间上,求导定义了一个线性变换,因为
在多项式空间上,求导会降低次数,并将常数多项式映射为零。这些例子说明,以函数空间中的元素为自变量的映射是否具有线性性,与某个函数自身的图像是否为直线,是两回事。(dummit.cos.northeastern.edu)
在泛函分析中,对于赋范向量空间之间的线性变换,还需考虑连续性。线性映射连续,当且仅当存在某个有限常数 ,使每个 都满足 。定义域为有限维赋范空间的线性映射总是连续的,但在无限维空间中未必如此;仅有代数意义上的线性性并不能保证这样的界存在。(users.oden.utexas.edu)