שאלת מבחן באלגברה לינארית 1 - אוניברסיטת בר-אילן 2022 - העתקה לינארית
קורס: אלגברה לינארית 1
אוניברסיטה: אוניברסיטת בר-אילן
שנה: 2022
סמסטר: א
נושאים: העתקה לינארית, תלות לינארית, הוכחה, הרכבת העתקות
רמת קושי: קשה
יהי $V$ מרחב וקטורי נוצר סופית ותהי $T : V \to V$ העתקה לינארית המקיימת שלכל העתקה לינארית $S : V \to V$ מתקיים $ST = TS$.
הוכיחו כי לכל בסיס $\{v_1, \ldots, v_n\}$ של $V$ מתקיים שלכל $1 \leq i \leq n$ הוקטורים $T(v_i), v_i$ תלויים לינארית.
רמז: לכל $i$, הגדר את **ההטלה** $S_i : V \to V$ על $\operatorname{span}\{v_i\}$ לאורך $\operatorname{span}\{v_j : j\neq i\}$. השתמש בתנאי $TS_i = S_iT$ על ידי הפעלה על $v_i$, וזהה מה אומר התנאי $S_i(T(v_i)) = T(v_i)$ על המיקום של $T(v_i)$.
פתרון: יהי $\{v_1, \ldots, v_n\}$ בסיס של $V$, ונקבע $1 \leq i \leq n$ כלשהו. נגדיר העתקה לינארית $S_i : V \to V$ על ידי:
$$S_i(v_j) = \begin{cases} v_i & j = i \\ 0 & j \neq i \end{cases}$$
והרחבה לינארית לכל $V$. זוהי **ההטלה** על $\operatorname{span}\{v_i\}$ לאורך $\operatorname{span}\{v_j : j \neq i\}$.
מאחר ש-$T$ מתחלפת עם כל העתקה לינארית, ובפרט עם $S_i$, מתקיים:
$$T \circ S_i = S_i \circ T.$$
**נפעיל את שתי הצדדים על $v_i$:**
- **אגף שמאל:** $(T \circ S_i)(v_i) = T(S_i(v_i)) = T(v_i).$
- **אגף ימין:** $(S_i \circ T)(v_i) = S_i(T(v_i)).$
לכן:
$$S_i(T(v_i)) = T(v_i). \quad (*)$$
**נאפיין את נקודות השבת של $S_i$:** עבור וקטור כלשהו $w = \sum_{j=1}^n c_j v_j$, מתקיים:
$$S_i(w) = c_i v_i.$$
אם $S_i(w) = w$, אז $c_i v_i = \sum_{j=1}^n c_j v_j$, ומ**אי-תלות לינארית** של הבסיס נובע $c_j = 0$ לכל $j \neq i$, כלומר $w \in \operatorname{span}\{v_i\}$.
משוואה $(*)$ אומרת ש-$S_i(T(v_i)) = T(v_i)$, כלומר $T(v_i)$ היא נקודת שבת של $S_i$. לפי האפיון לעיל:
$$T(v_i) \in \operatorname{span}\{v_i\},$$
דהיינו קיים סקלר $\lambda_i$ כך ש-$T(v_i) = \lambda_i v_i$.
מכאן שהמשוואה הלינארית $\lambda_i v_i - T(v_i) = 0$ (עם מקדם $1$ ל-$T(v_i)$ ומקדם $-\lambda_i$ ל-$v_i$) היא **צירוף לינארי אפסי לא טריוויאלי** של $T(v_i)$ ו-$v_i$, ולכן הם **תלויים לינארית**. $\blacksquare$
יהי V מרחב וקטורי נוצר סופית ותהי T:V→V העתקה לינארית המקיימת שלכל העתקה לינארית S:V→V מתקיים ST=TS. הוכיחו כי לכל בסיס {v1,…,vn} של V מתקיים שלכל 1≤i≤n הוקטורים T(vi),vi תלויים לינארית.
העתק שאלה
שתף שאלה
סמן כחשוב
סמן כבוצע
אוניברסיטת בר-אילןמועד ב2022סמסטר א
★★★★★
העתקה לינאריתתלות לינאריתהוכחההרכבת העתקות
לכל i, הגדר את ההטלהSi:V→V על span{vi} לאורך span{vj:j=i}. השתמש בתנאי TSi=SiT על ידי הפעלה על vi, וזהה מה אומר התנאי Si(T(vi))=T(vi) על המיקום של T(vi).
יהי {v1,…,vn} בסיס של V, ונקבע 1≤i≤n כלשהו. נגדיר העתקה לינארית Si:V→V על ידי: Si(vj)={vi0j=ij=i והרחבה לינארית לכל V. זוהי ההטלה על span{vi} לאורך span{vj:j=i}.
מאחר ש-T מתחלפת עם כל העתקה לינארית, ובפרט עם Si, מתקיים: T∘Si=Si∘T.
**נפעיל את שתי הצדדים על vi:**
- אגף שמאל:(T∘Si)(vi)=T(Si(vi))=T(vi). - אגף ימין:(Si∘T)(vi)=Si(T(vi)).
לכן: Si(T(vi))=T(vi).(∗)
**נאפיין את נקודות השבת של Si:** עבור וקטור כלשהו w=∑j=1ncjvj, מתקיים: Si(w)=civi. אם Si(w)=w, אז civi=∑j=1ncjvj, ומאי-תלות לינארית של הבסיס נובע cj=0 לכל j=i, כלומר w∈span{vi}.
משוואה (∗) אומרת ש-Si(T(vi))=T(vi), כלומר T(vi) היא נקודת שבת של Si. לפי האפיון לעיל: T(vi)∈span{vi}, דהיינו קיים סקלר λi כך ש-T(vi)=λivi.
מכאן שהמשוואה הלינארית λivi−T(vi)=0 (עם מקדם 1 ל-T(vi) ומקדם −λi ל-vi) היא צירוף לינארי אפסי לא טריוויאלי של T(vi) ו-vi, ולכן הם תלויים לינארית. ■
שאלת מבחן באלגברה לינארית 1 - אוניברסיטת בר-אילן 2022 | prepd