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线性映射

Linear map · Linear transformation

保持向量加法和标量乘法的函数。

条目类型
定义

形式陈述

V,W 为同一域 F 上的向量空间映射 T:VW 称为 F-线性映射,若对任意 u,vVa,bF

T(au+bv)=aT(u)+bT(v).

a=b=1 或令其中一个向量为零,便得到保持加法和标量乘法的两条常用等价条件。继续归纳可知它保持任意有限线性组合:

T(iaivi)=iaiT(vi).

核与像

kerT={v:T(v)=0},imT=T(V)

分别是 VW 的子空间。

直觉

线性映射不会改变线性组合的规则:先组合再映射,与先映射再使用原来的系数完全一致。因此,一组基的像便唯一决定整个映射。选基之后这些像可以排列成矩阵;在选基之前,映射本身并不是一张固定数表。

线性总是相对于标量域而言。一个映射可以保持实数线性组合,却不保持复数线性组合;省略标量域会掩盖真正约束。线性条件还强制 T(0)=0,所以带非零平移的仿射映射不线性。

例子与边界

微分算子

D:Pn(F)Pn1(F),pp

是线性映射,因为 (ap+bq)=ap+bq。它直接作用在多项式上,不需要先把多项式换成坐标向量,因而清楚展示“线性映射”比“矩阵乘法”更本质。

求值也能形成线性映射。定义

T:P2(R)R3,T(p)=(p(1),p(0),p(1)).

它保持加法与标量乘法;若 T(p)=0,次数至多为 2p 有三个不同零点,只能是零多项式,因此 T 单射。定义域和陪域同为三维,故它还是同构,这正是三点插值的线性代数形式。

边界来自仿射与标量域两处。平移 xAx+bb0 时不保持零向量,因此不是线性映射。复共轭 zz¯ 在实标量下线性,在复标量下却不线性,因为 iz=iz¯iz¯

推论与应用

核与像分别描述哪些输入被压到零、哪些输出能够到达。线性映射单射当且仅当 kerT={0},满射当且仅当 imT=W;线性映射的和、标量倍与复合仍保持线性。

选择定义域和陪域的基后,矩阵记录基向量的像。同一映射在不同基下得到不同矩阵,所以矩阵条目大小不是映射的固有属性。连续性、有界性、伴随与条件数还需要范数或内积结构,必须由后继页面另加假设。

参考资料
  • Sheldon Axler, Linear Algebra Done Right, 4th ed., Springer, 2024,§3A。
  • Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, 2011,Ch. 4。
关系图谱83 个相邻概念 · 2 类关系

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