S:={v1,v2,...,vn}T:={w1,w2,...,wn}
則 我們可將 v 用上述有序基底做線性組合唯一表示,比如說
v=c1w1+...cnwn且其對應於 T 基底的 座標向量 (coordinate vector) 與 對 S 基底的 coordinate vector 我們定義如下
[v]T:=[c1c2⋮cn];[v]S:=[a1a2⋮an]注意到事實上 上述 對 T 基底的 coordinate vector 可看成是函數,比如說令 L:V→Rn 滿足
L(v)=[v]T同理,對 S 基底的 coordinate vector 令 L′:V→Rn 滿足
L′(v)=[v]S
Comment:
1. 上述 L,L′ 統稱為 coordinate mapping
2. Coordinate mapping 為 bijective linear transformation 或稱 isomorphism。
現在若我們想建構 對於 S 基底的座標向量 與 T 基底座標向量之間兩者的關係,利用 coordinate mapping [v]S 為 linear transformation 性質 ,我們有
[v]S=[c1w1+...cnwn]S=[c1w1]S+...+[cnwn]S=c1[w1]S+...+cn[wn]S=[|||[w1]S[w2]S...[wn]S|||][c1c2⋮cn]=PS←T[c1c2⋮cn]其中 PS←T:=[|||[w1]S[w2]S...[wn]S|||] 稱為 從 T 基底到 S 基底的座標轉換矩陣 (Transition Matrix from T-basis to the S basis )且對於個別的 coordinate vector; e.g., [wj]S 我們有
[wj]S=[a1ja2j⋮anj]
故我們有以下結果
[v]S=PS←T[v]T
以下是一些關於 Transition Matrix 的性質:
令 S,T 為向量空間的兩組 ordered basis 則
FACT 1. PT←T=I
FACT 2. PS←T 為 nonsingular
現在看幾個例子:
Example 1.
令 S:={v1,v2}={[12],[01]};T:={w1,w2}={[11],[23]}為 ordered bases for R2。現在令 v=[15]T 與 w:=[54]T 。
(a) 試求 coordinate vectors [v]T 與 [w]T
(b) 試求 PS←T
(c) 試求 coordinate vectors [v]S 與 [w]S
Solution(a)
由 [v]T 的定義可知 [v]T=[a1a2]且
[15]=a1[11]+a2[23]⇒[1213][a1a2]=[15]⇒{a1=−7a2=4同理 [w]T=[b1b2]
[54]⏟=w=b1[11]+b2[23]⇒[1213][b1b2]=[54]⇒{b1=7b2=−1
Solution (b)
我們要求 PS←T,由 part (a) 可知我們有 [v]T=[−74] 故
[v]S=[−7w1+4w2]S=−7[w1]S+4[w2]S=[||[w1]S[w2]S||]⏟=PS←T[−74]⏟=[v]T=[b11b12b21b22]⏟PS←T[−74]
現在我們分別求取 [w1]S 與 [w2]S如下:
[w1]S=[b11b21]⇒b11[12]+b21[01]=[11]⏟=w1⇒[1021][b11b21]=[11]⇒{b11=1b21=−1
且
[w2]S=[b12b22]⇒b12[12]+b22[01]=[23]⏟=w2⇒[1021][b11b21]=[23]⇒{b12=2b21=−1故
PS←T=[12−1−1]
Solution (c)
[v]S=PS←T[v]T=[12−1−1][−74]=[13][w]S=PS←T[w]T=[12−1−1][7−1]=[5−6]
Example 2.
令 V:=R3 且令 S:={v1,v2,v3} 且 T={w1,w2,w3} 為 R3 的ordered basis,其中
v1=[201];v2=[120];v3=[111]w1=[633];w2=[4−13];w3=[552]
(a) 試計算 PS←T
(Exercise) 令 v=[4−95] 驗證 [v]S=PS←T[v]T
Solution (a):
由前面討論可知
PS←T:=[|||[w1]S[w2]S[w3]S|||]故我們需分別求出 [w1]S,[w2]S 與 [w3]S:
首先求 [w1]S=[a11a21a31] 如下:由於 w1 可用 S 有序基底作唯一線性組合表示,故
[633]=a11[201]+a21[120]+a31[111]⇒[211021101][a11a21a31]=[633]⇒{a11=2a21=1a31=1
接著我們求 [w2]S=[a12a22a32] ,由 w2 可用 S 有序基底作唯一線性組合表示,我們可得
[4−13]=a12[201]+a22[120]+a32[111]⇒[211021101][a11a21a31]=[4−13]⇒{a12=2a22=−1a32=1
最後求 [w3]S=[a13a23a33],同前述方法,利用 w3 可透過 S 有序基底作唯一線性組合表示,我們可得
[552]=a13[201]+a23[120]+a33[111]⇒[211021101][a11a21a31]=[552]⇒{a13=1a23=2a33=1
PS←T:=[|||[w1]S[w2]S[w3]S|||]=[a11a12a13a12a22a23a13a32a33]=[2211−12111]
L(v)=[v]T同理,對 S 基底的 coordinate vector 令 L′:V→Rn 滿足
L′(v)=[v]S
Comment:
1. 上述 L,L′ 統稱為 coordinate mapping
2. Coordinate mapping 為 bijective linear transformation 或稱 isomorphism。
現在若我們想建構 對於 S 基底的座標向量 與 T 基底座標向量之間兩者的關係,利用 coordinate mapping [v]S 為 linear transformation 性質 ,我們有
[v]S=[c1w1+...cnwn]S=[c1w1]S+...+[cnwn]S=c1[w1]S+...+cn[wn]S=[|||[w1]S[w2]S...[wn]S|||][c1c2⋮cn]=PS←T[c1c2⋮cn]其中 PS←T:=[|||[w1]S[w2]S...[wn]S|||] 稱為 從 T 基底到 S 基底的座標轉換矩陣 (Transition Matrix from T-basis to the S basis )且對於個別的 coordinate vector; e.g., [wj]S 我們有
[wj]S=[a1ja2j⋮anj]
故我們有以下結果
[v]S=PS←T[v]T
以下是一些關於 Transition Matrix 的性質:
令 S,T 為向量空間的兩組 ordered basis 則
FACT 1. PT←T=I
FACT 2. PS←T 為 nonsingular
現在看幾個例子:
Example 1.
令 S:={v1,v2}={[12],[01]};T:={w1,w2}={[11],[23]}為 ordered bases for R2。現在令 v=[15]T 與 w:=[54]T 。
(a) 試求 coordinate vectors [v]T 與 [w]T
(b) 試求 PS←T
(c) 試求 coordinate vectors [v]S 與 [w]S
Solution(a)
由 [v]T 的定義可知 [v]T=[a1a2]且
[15]=a1[11]+a2[23]⇒[1213][a1a2]=[15]⇒{a1=−7a2=4同理 [w]T=[b1b2]
[54]⏟=w=b1[11]+b2[23]⇒[1213][b1b2]=[54]⇒{b1=7b2=−1
Solution (b)
我們要求 PS←T,由 part (a) 可知我們有 [v]T=[−74] 故
[v]S=[−7w1+4w2]S=−7[w1]S+4[w2]S=[||[w1]S[w2]S||]⏟=PS←T[−74]⏟=[v]T=[b11b12b21b22]⏟PS←T[−74]
現在我們分別求取 [w1]S 與 [w2]S如下:
[w1]S=[b11b21]⇒b11[12]+b21[01]=[11]⏟=w1⇒[1021][b11b21]=[11]⇒{b11=1b21=−1
且
[w2]S=[b12b22]⇒b12[12]+b22[01]=[23]⏟=w2⇒[1021][b11b21]=[23]⇒{b12=2b21=−1故
PS←T=[12−1−1]
Solution (c)
[v]S=PS←T[v]T=[12−1−1][−74]=[13][w]S=PS←T[w]T=[12−1−1][7−1]=[5−6]
Example 2.
令 V:=R3 且令 S:={v1,v2,v3} 且 T={w1,w2,w3} 為 R3 的ordered basis,其中
v1=[201];v2=[120];v3=[111]w1=[633];w2=[4−13];w3=[552]
(a) 試計算 PS←T
(Exercise) 令 v=[4−95] 驗證 [v]S=PS←T[v]T
Solution (a):
由前面討論可知
PS←T:=[|||[w1]S[w2]S[w3]S|||]故我們需分別求出 [w1]S,[w2]S 與 [w3]S:
首先求 [w1]S=[a11a21a31] 如下:由於 w1 可用 S 有序基底作唯一線性組合表示,故
[633]=a11[201]+a21[120]+a31[111]⇒[211021101][a11a21a31]=[633]⇒{a11=2a21=1a31=1
接著我們求 [w2]S=[a12a22a32] ,由 w2 可用 S 有序基底作唯一線性組合表示,我們可得
[4−13]=a12[201]+a22[120]+a32[111]⇒[211021101][a11a21a31]=[4−13]⇒{a12=2a22=−1a32=1
最後求 [w3]S=[a13a23a33],同前述方法,利用 w3 可透過 S 有序基底作唯一線性組合表示,我們可得
[552]=a13[201]+a23[120]+a33[111]⇒[211021101][a11a21a31]=[552]⇒{a13=1a23=2a33=1
PS←T:=[|||[w1]S[w2]S[w3]S|||]=[a11a12a13a12a22a23a13a32a33]=[2211−12111]
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