十三、通过线性变换,将R2中的三角形映射到R2中的另一个三角形

1. 通过向量定义三角形

假设三个位置向量分别为:

\vec{x_0} = \begin{bmatrix} -2\\ -2 \end{bmatrix}_, \vec{x_1} = \begin{bmatrix} -2\\ 2 \end{bmatrix}_, \vec{x_2} = \begin{bmatrix} 2\\ -2 \end{bmatrix}

那么,点(-2, -2)到点(-2, 2)之间的线段为:

L_0 = \left \{ \vec{x_0} + t(\vec{x_1} - \vec{x_0}) | 0 \leqslant t\leqslant 1 \right \}

所有位置向量的终点构成了直线L0

同理,线段L1和L2分别为:

L_1 = \left \{ \vec{x_1} + t(\vec{x_2} - \vec{x_1}) | 0 \leqslant t\leqslant 1 \right \}

L_2 = \left \{ \vec{x_2} + t(\vec{x_0} - \vec{x_2}) | 0 \leqslant t\leqslant 1 \right \}

这三个线段,共同组成了一个三角形,定义集合S包含三个线段:

S = \left \{ L_0, L_1, L_2 \right \}

集合S中的所有位置向量的终点构成了一个三角形

2. 定义变换矩阵

假设线性变换为:

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

那么,A就称为变换矩阵,例如:

T(\begin{bmatrix} x_0\\ x_1 \end{bmatrix}) = \begin{bmatrix} 1 & -1\\ 2 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_0\\ x_1 \end{bmatrix}

变换矩阵为:

\begin{bmatrix} 1 & -1\\ 2 & 0 \end{bmatrix}

3. 将三角形转换成另一个三角形

将集合S中的点,通过线性变换,映射成另一些点,映射后的点组成了新的三角形,这样就将原三角形转换成了另一个三角形。

首先将L0线段进行线性变换:

\begin{align*} T(L_0) &= \left \{ T(\vec{x_0} + t(\vec{x_1} - \vec{x_0}) | 0 \leqslant t \leqslant 1 \right \}\\ &= \left \{ T(\vec{x_0}) + tT(\vec{x_1} - \vec{x_0}) | 0 \leqslant t \leqslant 1 \right \}\\ &= \left \{ T(\begin{bmatrix} -2\\ -2 \end{bmatrix}) + tT(\begin{bmatrix} -2\\ 2 \end{bmatrix} - \begin{bmatrix} -2\\ -2 \end{bmatrix}) | 0 \leqslant t \leqslant 1 \right \} \\ &= \left \{ \begin{bmatrix} 0\\ -4 \end{bmatrix} + t \begin{bmatrix} -4\\ 0 \end{bmatrix} | 0 \leqslant t \leqslant 1 \right \} \end{align*}

同理,L1线段和L2线段的线性变换为:

T(L_1) = \left \{ \begin{bmatrix} -4\\ -4 \end{bmatrix} + t \begin{bmatrix} 8\\ 8 \end{bmatrix} | 0 \leqslant t \leqslant 1 \right \}

T(L_2) = \left \{ \begin{bmatrix} 4\\ 4 \end{bmatrix} + t \begin{bmatrix} -4\\ -8 \end{bmatrix} | 0 \leqslant t \leqslant 1 \right \}

三个新的线段组成了新的三角形,且T(L0)称为L0在T变换下的像,为什么要称为“像”?因为T作用于L0,使之变形,生成了一个新的像

4. 像空间

T(V): image of V under T,子空间V在变换T下的像,称为像空间。并不是所有的子集合都是子空间,但是子空间肯定是子集合。子空间V在T下的像,仍然是子空间。

im(T): image of T,T的像

T^{-1}(S): pre \! - \! image \:\: of \:\: S \:\: under \:\: T,S在T下的原像

像是从定义域的一个子集到上域的一个子集,原像是从上域的一个子集到定义域的一个子集。

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