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.
In mathematics, and more specifically in linear algebra, a linear map (also called a linear mapping, linear transformation, vector space homomorphism, or in some contexts linear function) is a mapping between two vector spaces that preserves the operations of vector addition and scalar multiplication. The same names and the same definition are also used for the more general case of modules over a ring; see Module homomorphism. If a linear map is a bijection then it is called a Linear isomorphism. In the case where , a linear map is called a linear endomorphism. Sometimes the term Linear operator refers to this case, but the term "linear operator" can have different meanings for different conventions: for example, it can be used to emphasize that and are real vector spaces (not necessarily with ), or it can be used to emphasize that is a function space, which is a common convention in functional analysis. Sometimes the term linear function has the same meaning as linear map, while in analysis it does not. A linear map from to always maps the origin of to the origin of Moreover, it maps linear subspaces in onto linear subspaces in (possibly of a lower dimension); for example, it maps a plane through the origin in to either a plane through the origin in , a line through the origin in , or just the origin in Linear maps can often be represented as matrices, and simple examples include rotation and reflection linear transformations. In the language of category theory, linear maps are the morphisms of vector spaces.
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.
A definite integral over some interval I is a linear map from the space of all real valued integrable functions on I to Indeed,
An indefinite integral (or antiderivative) with a fixed integration starting point defines a linear map from the space of all real valued integrable functions on to the space of all real valued, differentiable functions on Without a fixed starting point, the antiderivative maps to the quotient space of the differentiable functions by the linear space of constant functions. If and are finite dimensional vector spaces over a field F, of respective dimensions m and n, then the function that maps linear maps to n × m matrices in the way described in (below) is a linear map, and even a linear isomorphism. The expected value of a random variable (which is in fact a function, and as such an element of a vector space) is linear, as for random variables and we have and , but the variance of a random variable is not linear.
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.
If is linear and is an element of the ground field , then the map , defined by , is also linear. Thus the set of linear maps from to itself forms a vector space over , sometimes denoted Furthermore, in the case that , this vector space, denoted , is an associative algebra under composition of maps, since the composition of two linear maps is again a linear map, and the composition of maps is always associative. This case is discussed in more detail below. Given again the finite dimensional case, if bases have been chosen, then the composition of linear maps corresponds to the matrix multiplication, the addition of linear maps corresponds to the matrix addition, and the multiplication of linear maps with scalars corresponds to the multiplication of matrices with scalars.
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.
An endomorphism of that is also an isomorphism is called an automorphism of The composition of two automorphisms is again an automorphism, and the set of all automorphisms of forms a group, the automorphism group of which is denoted by or Since the automorphisms are precisely those endomorphisms which possess inverses under composition, is the group of units in the ring
If has finite dimension , then is isomorphic to the associative algebra of all matrices with entries in The automorphism group of is isomorphic to the general linear group of all invertible matrices with entries in .
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.