background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 4,  Macierz wektora; macierz, jądro i obraz przekształcenia liniowego 

 
1.  Macierze wektorów 

3

,

R

b

a

 ( -  

b

 w bazie 

f

:   

)

1

,

1

,

1

(

1

f

,  

)

1

,

0

,

1

(

2

f

,  

)

1

,

1

,

0

(

3

f

          -  

a

 w bazie standardowej 

e

:    

)

0

,

0

,

1

(

1

e

 , 

)

0

,

1

,

0

(

2

e

 , 

)

1

,

0

,

0

(

3

e

, ) 

      mają postać:  

1

2

1

]

[

e

a

  ,    

1

0

1

]

[

f

b

 . Wyznaczyć macierze:  

f

a]

[

  oraz  

e

b]

[

. 

 

2.  Wyznaczyć macierz 

e
e

f

A

]

[

 przekształcenia liniowego 

3

3

:

R

R

f

 w bazie standardowej 

e

,  

      jeśli 

2

2

1

1

)

(

,

)

(

v

e

f

v

e

f

,  

b

x

f

)

(

. Określić 

f

Im

oraz 

Kerf

. W bazie standardowej 

e

                      

3

2

1

1

v

 ,       

1

1

2

2

v

  ,        

1

1

1

x

  ,       



2

3

1

b

 

 

3.   Wyznaczyć macierz przekształcenia  

3

2

]

[

:

R

R

g

 określonego wzorem:  

 

)

1

(

)

0

(

)

1

(

)

(

w

w

w

w

g

 

4.  W przestrzeni wielomianów 

)

(x

w

stopnia drugiego 

]

[

2

R

, wprowadzamy obok bazy standardowej   

       

)

,

,

(

2

1

0

e

e

e

e

, złożonej z jednomianów: 

1

)

(

0

x

e

 ,  

x

x

e

)

(

1

 ,  

2

2

)

(

x

x

e

, drugą bazę    

       

)

,

,

(

0

2

1

e

e

e

f

. Wykazać, że przekształcenie 

:

f

]

[

2

R

 

  

]

[

2

R

 określone wzorem  

        

)

1

(

)

)(

(

x

w

x

w

f

  jest liniowe. Wyznaczyć macierze przekształcenia f przy różnym wyborze   

      baz:   

e
e

]

[

  ,  

f
f

]

[

  , 

f

e

]

[

 ,  

e

f

]

[

,   a także macierz superpozycji 

f

:    

e
e

]

[

2

  . 

 

5.  Niech 

e
e

f

A

]

[

  oznacza macierz przekształcenia 

2

3

:

R

R

f

 w bazach standardowych 

e

.   

     W bazie standardowej 

e

:  

2

1

)

(

1

e

f

  ,   



2

1

)

(

2

e

f

 . Podać jedną z możliwych postaci   

     wektora  

)

(

3

e

f

 tak, aby  równanie liniowe  

b

Ax

 miało rozwiązanie dla każdego 

2

R

b

.   

     Określić 

f

Im

oraz 

Kerf

. 

  

6.  Macierz przekształcenia 

2

3

:

R

R

f

 w bazach standardowych 

e

przyjmuje postać:  

       

2

1

2

1

2

1

]

[

e
e

f

A

 .  Dla jakich wektorów 

3

,

R

b

a

  równanie 

a

Ax

 ma jedno   

      rozwiązanie natomiast równanie 

b

Ax

 nie ma rozwiązań? Określić 

f

Im

oraz 

Kerf

.  

 

 
7.  Czy przekształcenie 

3

3

:

R

R

f

 posiadające w bazie standardowej 

e

macierz    

       

1

2

1

0

1

2

1

2

1

]

[

e
e

f

A

  jest bijekcją? Określić 

f

Im

oraz 

Kerf

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 4 – Uwagi, szkice rozwiązań 

 

 1.  Aby dokonać transformacji wektora kolumnowego 

3

2

1

]

[

x

x

x

x

e

  na  wektor 

3

2

1

]

[

x

x

x

x

f

   

       zapisanych odpowiednio w bazie 

e

 lub w bazie 

f

, należy wyrazić wektory starej bazy 

e

                  

       jako kombinacje liniowe nowej bazy 

f

:   

    

3

1

j

j

ji

i

f

b

e

.   Wtedy      

3

1

i

i

ji

j

x

b

x

        lub macierzowo          

e

f

x

B

x

]

[

]

[

.       

      Kolumny macierzy 

B

 utworzone są ze współrzędnych  wektorów  

i

e

, zapisanych  w bazie 

f

      Znalezienie współczynników  

1

j

b

 , 

2

j

b

 , 

3

j

b

 sprowadza się w każdym przypadku do rozwiązania   

      układu 3 równań liniowych, który jest równoważny jednemu równaniu wektorowemu. Na  
      przykład  dla 

1

i

  

                   



1

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

31

21

11

b

b

b

        lub                   

31

21

11

31

11

21

11

0

0

1

b

b

b

b

b

b

b

 

      Stąd     

3

1

11

b

 ,    

3

2

21

b

  ,   

3

1

31

b

 .  Postępując tak samo dla 

3

,

2

i

 otrzymuje się: 

             

3

1

12

b

 ,    

3

1

22

b

  ,   

3

2

32

b

        oraz          

3

1

13

b

 ,    

3

1

23

b

  ,   

3

1

33

b

 

      Ostatecznie  

1

2

1

1

1

2

1

1

1

3

1

B

    i     

3

/

2

3

/

1

3

/

4

2

1

4

3

1

1

2

1

1

2

1

1

1

2

1

1

1

3

1

]

[

]

[

e

f

a

B

a

 

 

      Podobnie, jeśli zapiszemy  

3

1

j

j

ji

i

e

a

f

  to      

3

1

i

i

ji

j

x

a

x

    lub     

f

e

x

A

x

]

[

]

[

 .   

      Kolumny macierzy 

A

 utworzone są ze współrzędnych  wektorów  

i

f

,  zapisanych  w bazie 

e

      W tym przypadku nie trzeba rozwiązywać układu równań, bowiem:   

              

3

2

1

1

e

e

e

f

  ,      

3

1

2

e

e

f

 ,      

3

2

3

e

e

f

 

   

      Stąd    

1

1

1

1

0

1

0

1

1

A

        i                

0

2

1

1

0

1

1

1

1

1

0

1

0

1

1

]

[

]

[

f

e

b

A

b

 

      Uwaga:  Można sprawdzić, że macierz  

1

A

B

 

 

                         

1

0

0

0

1

0

0

0

1

1

1

1

1

0

1

0

1

1

1

2

1

1

1

2

1

1

1

3

1

BA

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 4 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 
2.  Wektory kolumnowe 

]

[

j

A

 macierzy 

A

 przekształcenia liniowego 

Y

X

f

:

 są obrazami  

      kolejnych elementów bazy 

e

 przestrzeni 

X

, zapisanymi w bazie 

e

przestrzeni Y :    

       

e

j

j

e

f

A

)]

(

[

]

[

.

SPOSÓB 1   wyznaczenia macierzy 

A

   Dwie pierwsze kolumny macierzy

A

 znamy. Pozostałe elementy macierzy

A

 

wyznaczamy z równania 

b

x

f

)

(

, które w formie macierzowej przyjmuje postać 

b

Ax

.

 

           



2

3

1

1

1

1

1

3

1

2

2

1

33

23

13

a

a

a

   ,  stąd    

2

2

4

33

23

13

a

a

a

 ,       czyli       

2

1

3

2

1

2

4

2

1

A

 

SPOSÓB 2   wyznaczenia macierzy 

A

   Zauważmy, że wektor 

3

2

1

e

e

e

x

 . Z liniowości przekształcenia 

f

 wynika więc, że   

      

)

(

)

(

)

(

)

(

3

2

1

e

f

e

f

e

f

x

f

   przy czym   

b

x

f

)

(

  .   Stąd 

         



2

2

4

1

1

2

3

2

1

2

3

1

)]

(

[

]

[

3

3

.

e

e

f

A

    ,      czyli       

2

1

3

2

1

2

4

2

1

A

 

 

   Obrazem przekształcenia liniowego

f

jest powłoka rozpięta przez wektory kolumnowe 

macierzy

A

                              



2

2

4

,

1

1

2

,

3

2

1

Im f

 

Dokonując redukcji kolumnowej macierzy 

A

 ( zerowanie wyrazów w wierszu względem 

elementu oznaczonego nawiasem lub przez przemnożenie kolumn przez odpowiednie liczby ) , 
otrzymujemy jej prostą postać: 
 

         

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

1

3

1

)

1

(

2

0

0

1

10

5

3

10

5

2

0

0

1

2

1

3

2

1

2

4

2

)

1

(

 

Wynika stąd, że  



1

1

0

,

1

0

1

Im f

 jest podprzestrzenią liniową o wymiarze 

2

)

dim(Im

f

,                    

              rozpiętą przez wektory:      

1

1

0

,

1

0

1

2

1

u

u

.   

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 4 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

    Jądro 

Kerf

 przekształcenia liniowego 

f

tworzą wektory, będące rozwiązaniami równania 

jednorodnego  

0

Ax

                                           

0

0

0

2

1

3

2

1

2

4

2

1

3

2

1

x

x

x

 

Dokonując redukcji wierszowej macierzy 

A

 ( zerowanie wyrazów w kolumnie względem 

elementu oznaczonego nawiasem lub przez przemnożenie wierszy przez odpowiednie liczby ) , 
otrzymujemy jej prostą postać, określającą równoważne równanie: 

       

0

0

0

2

1

0

0

0

1

2

1

0

2

)

1

(

0

4

2

1

10

5

0

10

5

0

4

2

1

2

1

3

2

1

2

4

2

)

1

(

 

 

     

0

0

0

0

0

0

2

1

0

0

0

1

3

2

1

x

x

x

   ,  stąd    

e

dowo

x

x

x

x

ln

2

0

3

3

2

1

           czyli   

1

2

0

3

3

2

1

x

x

x

x

 

Wynika stąd, że  



1

2

0

Kerf

 jest podprzestrzenią liniową rozpiętą przez wektor 

1

2

0

1

u

,            

o wymiarze

1

)

dim(

Kerf

 

3.  Jeżeli w treści zadania nie ma informacji o bazach, to przyjmujemy bazy standardowe:                                            
          -   w przestrzeni wielomianów 

)

(x

w

stopnia drugiego 

]

[

2

R

:               

                

1

)

(

1

x

e

 ,  

x

x

e

)

(

2

 ,  

2

3

)

(

x

x

e

,            

          -   w 

3

R

 :   

)

0

,

0

,

1

(

1

e

 , 

)

0

,

1

,

0

(

2

e

 , 

)

1

,

0

,

0

(

3

e

, )                                                                                                                                                             

Wektory kolumnowe 

]

[

j

A

 macierzy 

A

 przekształcenia liniowego 

3

2

]

[

:

R

R

g

 są obrazami  

      kolejnych elementów bazy 

e

 przestrzeni 

]

[

2

R

, zapisanymi w bazie 

e

przestrzeni 

3

R

:    

       

e

j

j

e

g

A

)]

(

[

]

[

.

                 

1

1

1

)

1

(

)

(

1

g

e

g

   ,    



1

0

1

)

(

)

(

2

x

g

e

g

   ,     

1

0

1

)

(

)

(

2

3

x

g

e

g

 

 

        czyli    

1

1

1

0

0

1

1

1

1

A

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 4 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 

4.  Przekształcenie to jest liniowe, bowiem: 

          -   

)

))(

(

(

)

1

(

)

1

)(

(

)

)(

(

x

w

f

x

w

x

w

x

w

f

 , 

          -   

)

)(

(

)

)(

(

)

1

(

)

1

(

)

1

)(

(

)

)(

(

2

1

2

1

2

1

2

1

x

w

f

x

w

f

x

w

x

w

x

w

w

x

w

w

f

 

W celu wyznaczenia postaci macierzy 

A

 przekształcenia liniowego f wygodnie jest 

przenumerować elementy bazy 

e

 ( zmiana indeksów 0,1,2  na  1,2,3 ). Wtedy:  

    -    

1

)

(

1

x

e

 ,  

x

x

e

)

(

2

 ,  

2

3

)

(

x

x

e

           -    

x

x

f

)

(

1

 ,  

2

2

)

(

x

x

f

 ,  

1

)

(

3

x

f

Wektory kolumnowe 

]

[

j

A

 macierzy 

A

 przekształcenia liniowego 

Y

X

f

:

 są obrazami  

kolejnych elementów bazy 

e

 przestrzeni 

X

, zapisanymi w bazie 

e

przestrzeni Y . 

Wystarczy więc przedstawić wielomiany:  

)

(

,

)

(

,

)

1

(

2

x

f

x

f

f

 jako kombinacje liniowe w obu 

bazach. 

 

)

(

)

(

1

)

1

(

3

1

x

f

x

e

f

 

  

)

(

)

(

)

(

)

(

1

)

(

3

1

2

1

x

f

x

f

x

e

x

e

x

x

f

 

  

)

(

)

(

)

(

2

)

(

)

(

2

)

(

)

1

(

)

(

3

2

1

3

2

1

2

2

x

f

x

f

x

f

x

e

x

e

x

e

x

x

f

 

Stąd 

           

1

0

0

2

1

0

1

1

1

]

[

e
e

f

  ,   

1

1

1

1

0

0

2

1

0

]

[

f

e

f

 ,  

0

1

0

0

2

1

1

1

1

]

[

e

f

f

 ,  

1

1

1

0

1

0

0

2

1

]

[

f
f

f

 

Macierz superpozycji dwóch przekształceń jest iloczynem macierzy tych przekształceń. 

           

1

0

0

4

1

0

4

2

1

1

0

0

2

1

0

1

1

1

1

0

0

2

1

0

1

1

1

]

[

]

[

]

[

2

e
e

e
e

e
e

f

f

f

 

       lub 

                 

1

0

0

4

1

0

4

2

1

1

1

1

1

0

0

2

1

0

0

1

0

0

2

1

1

1

1

]

[

]

[

]

[

2

f

e

e

f

e
e

f

f

f

 

Można też obliczyć bezpośrednio 

 

)

(

1

)

1

(

))

1

(

(

)

1

(

)

(

1

2

1

2

x

e

f

f

f

f

e

f

 

 

2

1

2

2

2

2

2

1

)

1

(

)

1

(

))

(

(

)

(

)

(

e

e

x

x

x

f

x

f

f

x

f

e

f

 

 

3

2

1

2

2

2

2

2

3

2

4

4

1

)

1

(

2

)

1

2

(

)

1

2

(

)

(

(

)

(

)

(

e

e

e

x

x

x

x

x

f

x

f

f

x

f

e

f

 

Stąd 

                           

1

0

0

4

1

0

4

2

1

]

[

]

[

]

[

2

f

e

e

f

e
e

f

f

f

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 4 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 

5.   Równanie liniowe  

b

Ax

 posiada rozwiązanie dla każdego 

2

R

b

 wtedy, gdy przekształcenie f  

      jest surjekcją. W tym przypadku 

2

Im

R

f

 , a to oznacza, że wektory kolumnowe macierzy 

A

 

rozpinają całą przestrzeń 

2

R

 ( dwa z nich są liniowo niezależne ).  

Wektory kolumnowe 

]

[

j

A

 macierzy 

A

 przekształcenia liniowego 

2

3

:

R

R

f

 są obrazami  

      kolejnych elementów bazy przestrzeni

3

R

. Niech   

23

13

3

)

(

a

a

e

f

. Wtedy  

23

13

2

1

2

1

a

a

A

   Dokonując redukcji kolumnowej macierzy ( Zad. 3 ) otrzymujemy jej prostą postać: 

          

13

23

13

23

23

13

2

0

0

0

0

1

)

2

(

0

0

0

2

1

2

1

2

)

1

(

a

a

a

a

a

a

 

Wynika stąd, że      



13

23

2

0

,

0

1

Im

a

a

f

    równe jest 

2

R

 wtedy i tylko wtedy, gdy   

13

23

2a

a

 .  

    Warunek ten jest spełniony w szczególnym przypadku, gdy  

0

13

a

 ,  

1

23

a

.   Wtedy   

                        

1

0

2

1

2

1

A

    ,                     

2

1

0

,

0

1

Im

R

f



 

    Jądro 

Kerf

 przekształcenia liniowego 

f

tworzą wektory, będące rozwiązaniami równania 

jednorodnego  

0

Ax

                                    

0

0

1

0

2

1

2

1

3

2

1

x

x

x

        

Dokonując redukcji wierszowej macierzy 

A

 ( Zad.3 ) otrzymujemy jej prostą postać, określającą 

równoważne równanie: 

                 

1

0

0

1

0

1

1

0

2

1

2

)

1

(

   ;        

0

0

1

0

0

1

0

1

3

2

1

x

x

x

 ,   

                     stąd  

0

3

2

2

2

1

x

x

x

x

x

       ,     czyli    

0

1

1

2

3

2

1

x

x

x

x

 



0

1

1

Kerf

    jest więc podprzestrzenią liniową,  rozpiętą przez wektor   

0

1

1

1

u

,            

o wymiarze

1

)

dim(

Kerf

 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 4 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 
6.   SPOSÓB 1>    

Równanie liniowe  

b

Ax

 posiada co najwyżej jedno rozwiązanie wtedy, gdy przekształcenie f  

jest injekcją: 

-  jedno rozwiązanie, gdy   

f

b

Im

   -  brak rozwiązań, gdy 

f

b

Im

      Wektory kolumnowe 

]

[

j

A

 macierzy 

A

 rozpinają podprzestrzeń, będącą obrazem przekształcenia    

      liniowego 

3

2

:

R

R

f

  

                                   



2

1

2

,

1

2

1

Im f

 

   Dokonując redukcji kolumnowej macierzy ( Zad. 3 ) otrzymujemy jej prostą postać: 

             

0

1

0

1

0

1

0

)

1

(

0

1

2

1

0

3

0

1

2

1

2

1

2

1

2

)

1

(

 

 

W tym przypadku 

0

1

0

,

1

0

1

Im f

 jest podprzestrzenią liniową o wymiarze 2  ( dwa 

liniowo niezależne wektory kolumnowe macierzy 

A

) .  Oznacza to, że przekształcenie f jest 

injekcją, bowiem      

2

dim

Im

dim

R

f

. Ponieważ 

2

dim

dim

Im

dim

R

Kerf

f

  więc    

 

0

Kerf

.  Równanie  

b

Ax

 posiada więc jedno rozwiązanie, jeśli   

            

0

1

0

1

0

1

b

  ,    

R

,

 

Dla pozostałych wektorów z 

3

R

 równanie powyższe nie posiada rozwiązań.. 

SPOSÓB 2   

Równanie niejednorodne 

b

Ax

 można rozwiązać dokonując redukcji wierszowej macierzy 

rozszerzonej ( otrzymuje się równoważne równanie ): 
 

            

1

3

1

2

1

2

1

3

1

2

1

3

2

1

0

0

2

1

0

3

2

0

1

0

0

2

)

1

(

0

2

1

2

1

1

2

2

)

1

(

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

    ,         

Równoważne równanie 

1

3

2

1

2

2

1

2

3

2

0

1

0

0

0

1

b

b

b

b

b

b

x

x

  posiada jedno rozwiązanie  

2

1

1

2

2

1

2

3

2

b

b

b

b

x

x

   gdy  

1

3

b

b

 , 

                                                     gdy 

1

3

b

b

 rozwiązań nie ma. 

background image

UKSW                                                                                                ALGEBRA  LINIOWA 
Matematyka, Informatyka i ekonometria                                                Kazimierz Jezuita 
 

 

 

ZADANIA  -   Seria 4 – Uwagi, szkice rozwiązań – c.d. 

 
 
7.   Wektory kolumnowe 

]

[

j

A

 macierzy 

A

 rozpinają podprzestrzeń, będącą obrazem przekształcenia    

      liniowego 

3

3

:

R

R

f

  

                                   



1

0

1

,

2

1

2

,

1

2

1

Im f

 

   Dokonując redukcji kolumnowej macierzy 

A

( Zad. 3 ) otrzymujemy jej prostą postać: 

      

0

1

0

0

0

1

1

0

0

0

3

0

0

0

1

1

0

0

1

)

3

(

1

0

0

1

1

0

0

1

4

1

0

1

)

1

(

1

0

0

1

4

2

0

1

2

1

0

0

1

2

1

0

1

2

)

1

(

2

1

 

W tym przypadku 

0

0

1

,

1

0

0

,

0

1

0

Im f

 jest równe 

3

R

 ( trzy liniowo niezależne wektory  

kolumnowe zredukowanej macierzy 

A

) .  Oznacza to, że przekształcenie f jest bijekcją, bowiem      

3

dim

Im

dim

R

f

. Ponieważ 

3

dim

dim

Im

dim

R

Kerf

f

  więc    

 

0

Kerf

   Gdy przekształcenie liniowe f jest bijekcją to równanie 

b

Ax

 posiada dla każdego b jedno 

rozwiązanie.