二六、标准坐标与非标准坐标、标准基底的变换矩阵与非标准基底的变换矩阵的互相转换

1. 坐标定义

假设V是Rn的一个子空间,V的一组基为:

B = \left \{ \vec{v}_1, \vec{v}_2, \cdots, \vec{v}_k \right \}

\vec{a} \in V

\vec{a} = c_1 \vec{v}_1 + c_2 \vec{v}_2 + \cdots + c_k \vec{v}_k

此时,我们称常数

c_1, c_2, \cdots, c_k

为向量a在基B下的坐标:

\left [ \vec{a} \right ]_B = \begin{bmatrix} c_1 \\ c_2 \\ \vdots \\ c_k \end{bmatrix}

我们原来一直说的坐标为向量在标准基下的坐标,例如,R2的标准基为:

S = \left \{ \begin{bmatrix} 1\\ 0 \end{bmatrix}, \begin{bmatrix} 0\\ 1 \end{bmatrix} \right \}

向量在基S下的坐标称为标准坐标

标准坐标和非标准坐标只是相同向量的不同表示方式

2. 基变换矩阵

假设基B构成的矩阵为C:

C = \begin{bmatrix} \vec{v}_1 & \vec{v}_2 & \hdots & \vec{v}_k \end{bmatrix}

\Rightarrow C \left [ \vec{a} \right ]_B = \vec{a}

此时,矩阵C称为基变换矩阵,向量a称为标准坐标。

3. 标准坐标和非标准坐标的互相转换

如果基变换矩阵可逆,那么标准坐标和非标准坐标就可以互相转换

\vec{a} = C \left [ \vec{a} \right ]_B

\left \[ \vec{a} \right \]_B = C^{-1} \vec{a}

4. 标准基底的变换矩阵与非标准基底的变换矩阵的互相转换

假设:

T(\vec{x}) = A \vec{x}

\left \[ T(\vec{x}) \right \] _B = D \left \[ \vec{x} \right \] _B

其中,A为标准基底下的变换矩阵,D为非标准基底B下的变换矩阵,C为基底B构成的基变换矩阵,则:

D = C^{-1}AC

证明:

\left \[ T(\vec{x}) \right \]_B = D \left \[ \vec{x} \right \]_B

\Rightarrow C^{-1} T(\vec{x}) = DC^{-1} \vec{x}

\Rightarrow C^{-1} A \vec{x} = DC^{-1} \vec{x}

\Rightarrow C^{-1}A = DC^{-1}

\Rightarrow D = C^{-1}AC

5. 为什么要改变基底

线性代数是一门选择合适基底的艺术,选择合适的基底,计算会变得简单很多

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