Natiahnutie matice lineárnym zobrazením

Moderators: Martin Sleziak, Ludovit_Balko, Martin Niepel, Tibor Macko

Post Reply
Martin Sleziak
Posts: 5686
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Natiahnutie matice lineárnym zobrazením

Post by Martin Sleziak »

$\newcommand{\R}{\mathbb R}\newcommand{\Zobr}[3]{#1\colon#2\to#3}$
Nech $A$ je matica $3\times3$ nad poľom $\R$ taká, že $\det(A)=1$. Nech $B$ je matica, ktorú dostanem z $A$, ak každý riadok zobrazím lineárnym zobrazením $\Zobr f{\R^3}{\R^3}$ zadaným predpisom
$$f(x_1,x_2,x_3)=(x_1+x_3,3x_1+2x_2-x_3,x_1+x_2+x_3).$$
Čomu sa rovná $\det(B)$? (Zdôvodnite, prečo je to tak.)
Riešenie.
Máme zadané nejaké lineárne zobrazenie, ktoré môžeme popísať maticou $$M=
\begin{pmatrix}
1 & 3 & 1 \\
0 & 2 & 1 \\
1 &-1 & 1 \\
\end{pmatrix}.
$$
To znamená, že $f(\vec x)=\vec x\cdot M$.

Ak si $\vec a_1,\vec a_2,\vec a_3$ označíme riadky matice $A$, tak matica $B$ je vlastne matica
$$B=
\begin{pmatrix}
f(\vec a_1) \\ f(\vec a_2) \\ f(\vec a_3)
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
\vec a_1M \\ \vec a_2M \\ \vec a_3M
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
\vec a_1 \\ \vec a_2 \\ \vec a_3
\end{pmatrix} \cdot M=
A \cdot M.
$$
Chceme teda vlastne vypočítať determinant $\det(B)=\det(A\cdot M)=\det(A)\cdot\det(M)=\det(M)$.

S takýmto zdôvodnením teda vidíme, že vlastne len chceme vypočítať
$$\det(B)=\det(M)=
\begin{vmatrix}
1 & 3 & 1 \\
0 & 2 & 1 \\
1 &-1 & 1 \\
\end{vmatrix}=4.
$$
Spoiler:
Napríklad cez Sarrusove pravidlo:
$$
\begin{pmatrix}
1 & 3 & 1 \\
0 & 2 & 1 \\
1 &-1 & 1 \\
\end{pmatrix}=2+3-2+1=4
$$

Alebo pár riadkovými (alebo stĺpcovými) úpravami:
$\begin{pmatrix}
1 & 3 & 1 \\
0 & 2 & 1 \\
1 &-1 & 1 \\
\end{pmatrix}=$ $
\begin{pmatrix}
1 &-1 &-1 \\
0 & 2 & 1 \\
1 &-1 & 1 \\
\end{pmatrix}=$ $
\begin{pmatrix}
1 &-1 &-1 \\
0 & 2 & 1 \\
0 & 0 & 2 \\
\end{pmatrix}=$ $2\cdot2=4$
Poznámka.Zámer, prečo som takúto úlohu zadal, je presne ten, že si vlastne môžeme uvedomiť takýto pohľad na geometrický význam rovnosti
$$\det(A\cdot M)=\det(A)\cdot\det(M).$$
Ak $M$ je matica nejakého zobrazenia tak $\det(M)$ mi hovorí, aký (orientovaný) objem bude mať útvar, ktorý dostanem zobrazením jednotkovej kocky.
Pretože ide o lineárne zobrazenie, tak rovnako zväčšuje či zmenšuje objem akéhokoľvek útvaru - teda aj rovnobežnostena určeného riadkami matice $A$. (A obraz tohto rovnobežnostena je presne rovnobežnosten určený riadkami matice $A$.)
Martin Sleziak
Posts: 5686
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Natiahnutie matice lineárnym zobrazením

Post by Martin Sleziak »

Komentáre k odovzdaným riešeniam.$\newcommand{\ul}[1]{\underline{#1}}$

Ak ste si iba vybrali nejakú jednu konkrétnu maticu $A$ a vypočítali $\det(AM)=\det(M)$, tak výsledok je správny.
Ale bez zdôvodnenia, že to vyjde rovnako som riešenie ohodnotil iba polovicou bodov.

Skúsim tu parafrázovať jedno z odovzdaných riešení, vysvetliť, kde je problém - ale aj to, že takýto prístup sa dá opraviť.

Pozeráme sa na stĺpce.
Označme si stĺpce matice $A$ ako $x_1$, $x_2$, $x_3$.
$$
B=
\begin{pmatrix}
x_1+x_3 & 3x_1+2x_2-x_3 & x_1+x_2+x_3 \\
\end{pmatrix}=
\begin{pmatrix}
x_1+\ul{x_3} & \ul{3x_1}+2x_2\ul{-x_3} & \ul{x_1+x_2}+x_3 \\
\end{pmatrix}
$$
Podčiarknuté operácie (pripočítanie násobku stĺpca k inému) determinant nemenia.
Operácia vynásobenia stĺpca skalárom determinant zmení.
Druhý stĺpec násobíme dvojkou, a to je jediná taká operácia.
Keďže $\det(A)=1$, tak $\det(B)=2\det(A)=2$.
Keď si človek vyskúša ako $A$ jednotkovú maticu, tak dostane $B=
\begin{pmatrix}
1 & 3 & 1 \\
0 & 2 & 1 \\
1 &-1 & 1 \\
\end{pmatrix}$ a táto matica má determinant $\det(B)=4$. Takže vidno, že niečo nesedí.
V skutočnosti nie je pravda, že novú maticu by sme dostali iba pomocou takýchto stĺpcových úprav.

Ale ak by človek s takouto maticou pohral, tak by sa možno vedel stĺpcovými úpravami dostať od $B$ k $A$ (alebo obrátene).
Napríklad tak, ako som napísal nižšie.
Spoiler:
$\det(B)=
\det\begin{pmatrix}
x_1+x_3 & 3x_1+2x_2-x_3 & x_1+x_2+x_3 \\
\end{pmatrix}=$ $
\det\begin{pmatrix}
x_1+x_3 & 2x_2-4x_3 & x_2 \\
\end{pmatrix}=$ $
2\det\begin{pmatrix}
x_1+x_3 & x_2-2x_3 & x_2 \\
\end{pmatrix}=$ $
2\det\begin{pmatrix}
x_1+x_3 & x_2-2x_3 & 2x_3 \\
\end{pmatrix}=$ $
4\det\begin{pmatrix}
x_1+x_3 & x_2-2x_3 & x_3 \\
\end{pmatrix}=$ $
4\det\begin{pmatrix}
x_1 & x_2 & x_3 \\
\end{pmatrix}=4\det(A)
$
Iná možnosť, ako by mohol pomôcť pohľad cez stĺpce, by mohlo byť použitie faktu, že determinant je multilineárna funkcia.
Takto by sme sa vedeli dostať od matice $B$ k matici $A$ (prípadne k matici, ktorá má rovnaké stĺpce ako $A$ ale v inom poradí).
Museli by sme ale spočítať, koľko takýchto matíc dostaneme a kedy vyjde determinant s rovnakým znamienkom ako pre $A$ (a kedy s opačným).
Čiže takéto rozpísanie na základe multilinearity by bol asi zdĺhavý postup. (A iba by sme ním dostali presne tých istých šesť sčítancov, ktoré sme dostali pri výpočte determinantu matice zobrazenia $f$.)
Post Reply