Кіріспе

Математикада, әсіресе сызықтық алгебрада, сызықтық бейнелеу (сонымен қатар сызықтық түрлендіру, векторлық кеңістіктің гомоморфизмі немесе кейбір жағдайларда сызықтық функция деп аталады) – екі векторлық кеңістіктің арасында векторлық қосу және скалярлық көбейту операцияларын сақтайтын бейнелеу. Сақинадағы модульдердің жалпы жағдайы үшін де бірдей атаулар мен анықтама қолданылады; қараңыз Модуль гомоморфизмі. Егер сызықтық бейнелеу биекция болса, онда ол сызықтық изоморфизм деп аталады. Егер , сызықтық бейнелеу сызықтық эндоморфизм деп аталады. Кейде сызықтық оператор термині осы жағдайға қатысты қолданылады, бірақ "сызықтық оператор" термині әртүрлі конвенциялар үшін әртүрлі мағынаға ие болуы мүмкін: мысалы, оны және нақты векторлық кеңістіктер (қажетті түрде емес) екенін көрсету үшін қолдануға болады, немесе оны функционалдық талдаудағы кең таралған конвенция болып табылатын функция кеңістігі деп атап көрсетуге болады. Кейде сызықтық функция термині сызықтық бейнелеумен бірдей мағынаға ие, ал талдауда ол басқаша. Сызықтық бейнелеу әрқашан координаталық бастықты координаталық бастыққа бейнелейді, сондай-ақ ол сызықтық кіші кеңістіктерді сызықтық кіші кеңістіктерге бейнелейді (мүмкін төмен өлшемді); мысалы, ол координаталық бастан өтетін жазықтықты координаталық бастан өтетін жазықтыққа, координаталық бастан өтетін түзуге немесе тек координаталық бастыққа бейнелейді. Сызықтық бейнелеулер көбінесе матрицалар түрінде көрсетіледі, ал қарапайым мысалдарға айналу және кері айналу сызықтық түрлендірулері жатады. Категория теориясының тілінде сызықтық бейнелеулер – векторлық кеңістіктердің морфизмдері.

Мысалдар

Прототиптік мысал, сызықтық түрлендірулерге олардың атын беруге мүмкіндік береді – функция, оның графигі бастапқы нүкте арқылы өтетін түзу. Жалпы алғанда, векторлық кеңістіктің бастапқы нүктесінде орталастырылған кез келген гомотетия сызықтық түрлендіру болып табылады (мұнда c – скаляр). Екі векторлық кеңістіктің (бірдей өрісте) арасындағы нөлдік түрлендіру сызықтық болып табылады. Кез келген модульдегі сәйкестік түрлендіру сызықтық оператор болып табылады. Нақты сандар үшін түрлендіру сызықтық емес. Нақты сандар үшін түрлендіру сызықтық емес (бірақ аффиндік түрлендіру болып табылады). Егер нақты матрица болса, онда түрлендіру бағана векторын бағана векторына жіберу арқылы -ден -ға дейінгі сызықтық түрлендіруді анықтайды. Керісінше, шекті өлшемді векторлық кеңістіктер арасындағы кез келген сызықтық түрлендіру осылай бейнеленуі мүмкін; төмендегіге қараңыз. Егер нақты нормаланған кеңістіктер арасындағы изометрия болса және болса, онда сызықтық түрлендіру болып табылады. Бұл нәтиже күрделі нормаланған кеңістік үшін міндетті түрде дұрыс емес. Дифференциация барлық дифференциалданатын функциялар кеңістігінен барлық функциялар кеңістігіне дейін сызықтық түрлендіруді анықтайды. Сондай-ақ, ол барлық тегіс функциялар кеңістігінде сызықтық операторды анықтайды (сызықтық оператор – сызықтық эндоморфизм, яғни бірдей домені және кодомені бар сызықтық түрлендіру). Расында, I аралығындағы анықталған интеграл – I-дегі барлық нақты мәнді интегралданатын функциялар кеңістігінен сызықтық түрлендіру болып табылады. Расында, тұрақты интеграл бастау нүктесі белгілі болғанда, барлық нақты мәнді интегралданатын функциялар кеңістігінен барлық нақты мәнді дифференциалданатын функциялар кеңістігіне дейінгі сызықтық түрлендіруді анықтайды. Егер бастапқы нүкте белгілі болмаса, антидериватив дифференциалданатын функциялар кеңістігінің тұрақты функциялардың сызықтық кеңістігіне қатыстығы бойынша бөлінді кеңістігіне бейнеленеді. Егер және F өрісіндегі сәйкесінше m және n өлшемдері бар шекті өлшемді векторлық кеңістіктер болса, онда сызықтық түрлендірулерді n × m матрицаларға (төменде сипатталғандай) бейнелейтін функция сызықтық түрлендіру және тіпті сызықтық изоморфизм болып табылады. Кездейсоқ шаманың күтілетін мәні (фактыде функция және векторлық кеңістіктің элементі) сызықтық, себебі кездейсоқ шамалар үшін және бізде және бар, бірақ кездейсоқ шаманың дисперсиясы сызықтық емес.

Сызықтық карталардың векторлық кеңістігі

Сызықтық бейнелеулердің композициясы сызықтық: егер және сызықтық болса, онда олардың композициясы да сызықтық болады. Осыдан белгілі бір K өрісіндегі барлық векторлық кеңістіктер класы, K-сызықтық бейнелеулермен морфизмдер ретінде, категория құрайды. Сызықтық бейнелеудің керісі, егер анықталған болса, қайтадан сызықтық бейнелеу болады. Егер және сызықтық болса, онда олардың нүктелік қосындысы да сызықтық, ол мына формуламен анықталады: Егер сызықтық болса және K өрісінің элементі болса, онда бейнелеу , анықтама бойынша , сонымен қатар сызықтық болады. Осылайша, -тен өзіне дейінгі сызықтық бейнелеулер жиынтығы , кейде деп белгіленеді, K өрісіндегі векторлық кеңістік құрайды. Әрі, егер , онда бұл векторлық кеңістік, деп белгіленеді, бейнелеулердің композициясы бойынша ассоциативтік алгебра болып табылады, себебі екі сызықтық бейнелеудің композициясы тағы да сызықтық бейнелеу болады, ал бейнелеулердің композициясы әрқашан ассоциативті болады. Бұл жағдай төменде егжей-тегжейлі қарастырылады. Тағы да шекті өлшемді жағдайды қарастыра отырып, егер негіздер таңдалған болса, онда сызықтық бейнелеулердің композициясы матрица көбейтуіне, сызықтық бейнелеулерді қосу матрица қосуға, ал сызықтық бейнелеулерді скалярлармен көбейту матрицаларды скалярлармен көбейтуге сәйкес келеді.

Эндоморфизмдер мен автоморфизмдер

Сызықтық түрлендіру — векторлық кеңістіктің эндоморфизмі; мұндай эндоморфизмдердің барлық жиынтығы жоғарыда анықталғандай қосу, композиция және скалярлық көбейту арқылы өрісте сәйкестік элементі бар ассоциативтік алгебраны құрайды (және ерекше жағдайда — сақина). Бұл алгебраның көбейтулік сәйкестік элементі — сәйкестік бейнесі. Егер эндоморфизм сонымен қатар изоморфизм болса, онда ол автоморфизм деп аталады. Екі автоморфизмнің композициясы да автоморфизм болады, ал барлық автоморфизмдер жиынтығы — топты құрайды, бұл топ векторлық кеңістіктің автоморфизм тобы деп аталады және немесе арқылы белгіленеді. Автоморфизмдер композиция бойынша керісі бар эндоморфизмдер болғандықтан, — сақинадағы бірліктер тобы. Егер векторлық кеңістік шекті өлшемді болса, онда ол өрістегі барлық матрицалардың ассоциативтік алгебрасына изоморфты. Векторлық кеңістіктің автоморфизм тобы — өрістегі барлық инверттік матрицалардың жалпы сызықтық тобына изоморфты.

Сызықтық түрлендірулердің алгебралық жіктелуі

Ешбір сызықтық түрлендірулер жіктемесі толық бола алмайды. Төмендегі толық емес тізім векторлық кеңістікте қосымша құрылымды талап етпейтін маңызды жіктемелердің кейбірін көрсетеді. V және W өріс F үстіндегі векторлық кеңістіктер болсын, ал T: V → W сызықтық түрлендіру болсын.

Жалғастығы

Топологиялық векторлық кеңістіктер арасындағы сызықтық түрлендіру, мысалы, нормаланған кеңістіктер, үздіксіз болуы мүмкін. Егер оның домені мен кодомені бірдей болса, онда ол үздіксіз сызықтық оператор болады. Нормаланған сызықтық кеңістіктегі сызықтық оператор, егер және тек қана ол шектелген болса, үздіксіз болады, мысалы, домені шекті өлшемді болғанда. Шексіз өлшемді доменде үздіксіз емес сызықтық операторлар болуы мүмкін. Шегі шектелмеген, демек үздіксіз емес, сызықтық түрлендірудің мысалы – жоғарғы нормамен жабдықталған тегіс функциялар кеңістігіндегі дифференциация (кішкентай мәндердегі функцияның туындысы үлкен мәндерде болуы мүмкін, ал 0-дің туындысы 0-ге тең). Мысалы, sin(nx)/n 0-ге жуысады, бірақ оның туындысы cos(nx) жуыспайды, сондықтан дифференциация 0-де үздіксіз емес (және осы аргументтің өзгеруімен ол кез келген жерде үздіксіз емес).

Қолданбалар

Сызықтық бейнелеулердің нақты қолданылуы геометриялық түрлендірулерде, мысалы компьютерлік графикада қолданылатын түрлендірулерде көрінеді, онда 2D немесе 3D нысандардың жылжуы, бұрылуы және масштабталуы түрлендіру матрицасын қолдану арқылы жүзеге асырылады. Сызықтық бейнелеулер өзгерісті сипаттау механизмі ретінде де қолданылады: мысалы, есептеуде туындыларға сәйкес келеді; ал қатысу теориясында, координаттық жүйелердің жергілікті түрлендірулерін қадағалау құралы ретінде пайдаланылады. Осы түрлендірулердің тағы бір қолданылуы – ішкі циклдық кодты компиляторлармен оңтайландыруда және компиляторлық параллельдеу техникаларында.