例 形状のユニークなマップT : { 0 → } → { 0 → } {\displaystyle T:\{{\vec {0}}\}\to \{{\vec {0}}\}} 線形である。 線形マップにその名を与える典型的な例は関数である。 f : R → R : x ↦ c x {\displaystyle f:\mathbb {R} \to \mathbb {R} :x\mapsto cx} 、そのグラフ は原点を通る直線である。 [ 5 ] コンピュータグラフィックスで使用される線形変換の例 より一般的には、どんな相似でも v ↦ c v {\textstyle \mathbf {v} \mapsto c\mathbf {v} } ベクトル空間の原点を中心とする線形写像(ここでc はスカラー)が存在する。 ゼロマップx ↦ 0 {\textstyle \mathbf {x} \mapsto \mathbf {0} } 2つのベクトル空間(同じ体 上)間の関係は線形である。 任意のモジュール上の恒等写像 は線形演算子である。 実際の数値については、地図x ↦ x 2 {\textstyle x\mapsto x^{2}} 線形ではない。 実際の数値については、地図x ↦ x + 1 {\textstyle x\mapsto x+1} 線形ではない(ただし、アフィン変換 である)。 もしA {\displaystyle A} はm × n {\displaystyle m\times n} 実数行列 の場合、A {\displaystyle A} 線形マップを定義しますR n \displaystyle \mathbb {R} ^{n}} にR m \displaystyle \mathbb {R} ^{m}} 列ベクトル を送信することによってx ∈ R n \displaystyle \mathbf {x} \in \mathbb {R} ^{n}} 列ベクトルへ A x ∈ R m \displaystyle A\mathbf {x} \in \mathbb {R} ^{m}} 逆 に、有限次元 ベクトル空間間の任意の線形写像もこの方法で表現できます。詳しくは、下記の「 行列」の項 を参照してください。 もしf : V → W {\textstyle f:V\to W} は、実ノルム空間間の等 長写像 であり、f ( 0 ) = 0 {\textstyle f(0)=0} それからf {\displaystyle f} これは線形写像である。この結果は、複素ノルム空間では必ずしも真ではない。 微分は、 すべての微分可能な関数の空間からすべての関数の空間への線形写像を定義します。また、すべての滑らかな関数 の空間上の線形作用素 も定義します(線形作用素は 線形自己準同型 写像、つまり定義域 と値域 が同じ線形写像です)。実際、d d x ( 1 f ( x ) + b g ( x ) ) = 1 d f ( x ) d x + b d g ( x ) d x 。 \displaystyle {\frac {d}{dx}}\left(af(x)+bg(x)\right)=a{\frac {df(x)}{dx}}+b{\frac {dg(x)}{dx}}.} ある区間 I 上の定積分は、 I 上のすべての実数値積分可能関数の空間から への線形写像である。 R {\displaystyle \mathbb {R} } 確かに、 ∫ u v ( 1 f ( x ) + b g ( x ) ) d x = 1 ∫ u v f ( x ) d x + b ∫ u v g ( x ) d x 。 {\displaystyle \int _{u}^{v}\left(af(x)+bg(x)\right)dx=a\int _{u}^{v}f(x)dx+b\int _{u}^{v}g(x)dx.} 固定された積分開始点を持つ不定積分 (または原始関数 )は、上のすべての実数値積分可能関数の空間から線形写像を定義します。R {\displaystyle \mathbb {R} } 上 のすべての実数値微分可能関数の空間へR {\displaystyle \mathbb {R} } 固定された開始点がない場合、原始関数は、微分可能な関数の商空間と定数関数の線形空間の商空間に写像され ます。 もしV {\displaystyle V} そしてW {\displaystyle W} は体F 上の有限次元ベクトル空間であり、それぞれの次元はm とn である。このとき、線形写像を写す関数はf : V → W {\textstyle f:V\to W} § 行列 (下記)で説明されている方法でn × m 行列に変換することは線形写像であり、線形同型写像 でもあります。 確率変数 の期待値は 、確率変数の線形関数です。確率変数については、X {\displaystyle X} そしてY {\displaystyle Y} 我々は持っていますE [ X + Y ] = E [ X ] + E [ Y ] {\displaystyle E[X+Y]=E[X]+E[Y]} そして E [ 1 X ] = 1 E [ X ] {\displaystyle E[aX]=aE[X]} 条件付き期待値 も同様です。しかし、確率 変数の分散は 線形ではありません。例えば、 バラ ( 1 X ) = 1 2 バラ ( X ) {\displaystyle {\text{Var}}(aX)=a^{2}{\text{Var}}(X)} .機能
f : R 2 → R 2 {\textstyle f:\mathbb {R} ^{2}\to \mathbb {R} ^{2}} と
f ( x 、 y ) = ( 2 x 、 y ) {\textstyle f(x,y)=(2x,y)} は線形マップです。この関数は、
x {\textstyle x} ベクトルの成分を係数で割った
値 2 {\displaystyle 2} .
機能
f ( x 、 y ) = ( 2 x 、 y ) {\textstyle f(x,y)=(2x,y)} 加算性:ベクトルを最初に加算してからマッピングするか、マッピングしてから最後に加算するかは関係ありません。
f ( 1 + b ) = f ( 1 ) + f ( b ) {\textstyle f(\mathbf {a} +\mathbf {b} )=f(\mathbf {a} )+f(\mathbf {b} )} 機能
f ( x 、 y ) = ( 2 x 、 y ) {\textstyle f(x,y)=(2x,y)} 均質である: ベクトルが最初にスケーリングされてからマッピングされるか、最初にマッピングされてからスケーリングされるかは関係ない:
f ( λ 1 ) = λ f ( 1 ) {\textstyle f(\lambda \mathbf {a} )=\lambda f(\mathbf {a} )}
線形自己準同型写像と線形同型写像 線形写像が全単射で ある場合、それは線形同型性 。 の場合、 V = W {\displaystyle V=W} 線形写像は線形自己準同型 と呼ばれます。 線形演算子は この場合を指しますが、 [ 7 ] 「線形演算子」という用語は慣例によって異なる意味を持つことがあります。
線形拡張 多くの場合、線形マップはベクトル空間の部分集合上で定義され、その後線形性によって 領域の線形範囲 にX {\displaystyle X} そしてY {\displaystyle Y} はベクトル空間であり、f : S → Y {\displaystyle f:S\to Y} ある部分集合上で定義された関数 である。 S ⊆ X {\displaystyle S\subseteq X} 。それから線形 拡張f {\displaystyle f} にX 、 {\displaystyle X,} 存在する場合、それは線形マップであるF : X → Y {\displaystyle F:X\to Y} 定義済みX {\displaystyle X} 拡張 するf {\displaystyle f} [ 注3 ] (つまり、F ( s ) = f ( s ) {\displaystyle F(s)=f(s)} すべての人々 のためにs ∈ S {\displaystyle s\in S} ) であり、その値は の値域から取られます。f {\displaystyle f} . 部分集合がS {\displaystyle S} はベクトル部分空間であるX {\displaystyle X} それから( Y {\displaystyle Y} -値) の線形拡張f {\displaystyle f} すべての人へX {\displaystyle X} 存在が保証されるのは、f : S → Y {\displaystyle f:S\to Y} は線形写像である。特に、f {\displaystyle f} 線形拡張を持つスパン S 、 {\displaystyle \operatorname {span} S,} そしてそれはすべてに線形拡張される X {\displaystyle X} .
地図f : S → Y {\displaystyle f:S\to Y} 線形マップに拡張可能F : スパン S → Y {\displaystyle F:\operatorname {span} S\to Y} いつでもn > 0 {\displaystyle n>0} は整数です。c 1 、 … 、 c n {\displaystyle c_{1},\ldots ,c_{n}} はスカラーであり、s 1 、 … 、 s n ∈ S {\displaystyle s_{1},\ldots ,s_{n}\in S} は、次の条件を満たすベクトルである。 0 = c 1 s 1 + ⋯ + c n s n {\displaystyle 0=c_{1}s_{1}+\cdots +c_{n}s_{n}} 、そして必然的に 0 = c 1 f ( s 1 ) + ⋯ + c n f ( s n ) {\displaystyle 0=c_{1}f\left(s_{1}\right)+\cdots +c_{n}f\left(s_{n}\right)} . 線形拡張の場合f : S → Y {\displaystyle f:S\to Y} 線形拡張が存在する場合F : スパン S → Y {\displaystyle F:\operatorname {span} S\to Y} ユニークで F ( c 1 s 1 + ⋯ c n s n ) = c 1 f ( s 1 ) + ⋯ + c n f ( s n ) {\displaystyle F\left(c_{1}s_{1}+\cdots c_{n}s_{n}\right)=c_{1}f\left(s_{1}\right)+\cdots +c_{n}f\left(s_{n}\right)} すべて に適用されるn 、 c 1 、 … 、 c n {\displaystyle n,c_{1},\ldots ,c_{n}} 、そしてs 1 、 … 、 s n {\displaystyle s_{1},\ldots ,s_{n}} 上記のとおり。 もしS {\displaystyle S} が線形独立であれば、すべての関数f : S → Y {\displaystyle f:S\to Y} 任意のベクトル空間への線形拡張は、(線形)写像に拡張される。スパン S → Y {\displaystyle \operatorname {span} S\to Y} (逆もまた真である。)
例えば、X = R 2 {\displaystyle X=\mathbb {R} ^{2}} そしてY = R {\displaystyle Y=\mathbb {R} } そして課題( 1 、 0 ) → − 1 {\displaystyle (1,0)\to -1} そして( 0 、 1 ) → 2 {\displaystyle (0,1)\to 2} 線形独立なベクトルの集合から線形に拡張することができるS := { ( 1 、 0 ) 、 ( 0 、 1 ) } {\displaystyle S:=\{(1,0),(0,1)\}} 線形マップへ スパン { ( 1 、 0 ) 、 ( 0 、 1 ) } = R 2 {\displaystyle \operatorname {span} \{(1,0),(0,1)\}=\mathbb {R} ^{2}} . 独自の線形拡張F : R 2 → R {\displaystyle F:\mathbb {R} ^{2}\to \mathbb {R} } 送信するマップは( x 、 y ) = x ( 1 、 0 ) + y ( 0 、 1 ) ∈ R 2 {\displaystyle (x,y)=x(1,0)+y(0,1)\in \mathbb {R} ^{2}} に F ( x 、 y ) = x ( − 1 ) + y ( 2 ) = − x + 2 y 。 {\displaystyle F(x,y)=x(-1)+y(2)=-x+2y.}
すべての(スカラー値)線形汎関数 f {\displaystyle f} 実ベクトル空間または複素ベクトル空間のベクトル部分空間 上で定義されるX {\displaystyle X} すべてに線形拡張されています X {\displaystyle X} 実際 、ハーン・バナッハ優勢拡張定理は 、この線形汎関数がf {\displaystyle f} ある特定の半ノルムによって支配される p : X → R {\displaystyle p:X\to \mathbb {R} } (つまり、| f ( m ) | ≤ p ( m ) {\displaystyle |f(m)|\leq p(m)} すべてのm {\displaystyle m} の 領域においてf {\displaystyle f} ) すると、線形拡張が存在するX {\displaystyle X} また、それは に支配されている p {\displaystyle p} .
行列 もしV {\displaystyle V} そしてW {\displaystyle W} は有限次元 ベクトル空間であり、各ベクトル空間に対して基底 が定義されると、からのすべての線形写像はV {\displaystyle V} にW {\displaystyle W} は行列 で表現できます。[ 10 ] これは具体的な計算を可能にするため便利です。行列は線形マップの例を提供します。A {\displaystyle A} 本当のm × n {\displaystyle m\times n} 行列、次にf ( x ) = A x {\displaystyle f(\mathbf {x} )=A\mathbf {x} } 線形マップを記述するR n → R m {\displaystyle \mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} ^{m}} (ユークリッド空間 を参照)。
させて{ v 1 、 … 、 v n } {\displaystyle \{\mathbf {v} _{1},\ldots ,\mathbf {v} _{n}\}} の 基礎となるV {\displaystyle V} 。そしてすべてのベクトルv ∈ V {\displaystyle \mathbf {v} \in V} 係数によって一意に決定されるc 1 、 … 、 c n {\displaystyle c_{1},\ldots ,c_{n}} 現場で R {\displaystyle \mathbb {R} } : v = c 1 v 1 + ⋯ + c n v n 。 {\displaystyle \mathbf {v} =c_{1}\mathbf {v} _{1}+\cdots +c_{n}\mathbf {v} _{n}.}
もしf : V → W {\textstyle f:V\to W} 線形マップです。 f ( v ) = f ( c 1 v 1 + ⋯ + c n v n ) = c 1 f ( v 1 ) + ⋯ + c n f ( v n ) 、 {\displaystyle f(\mathbf {v} )=f(c_{1}\mathbf {v} _{1}+\cdots +c_{n}\mathbf {v} _{n})=c_{1}f(\mathbf {v} _{1})+\cdots +c_{n}f\left(\mathbf {v} _{n}\right),}
これは、関数f がベクトルによって完全に決定されることを意味する。 f ( v 1 ) 、 … 、 f ( v n ) {\displaystyle f(\mathbf {v} _{1}),\ldots ,f(\mathbf {v} _{n})} 。それでは{ w 1 、 … 、 w m } {\displaystyle \{\mathbf {w} _{1},\ldots ,\mathbf {w} _{m}\}} の 基礎となるW {\displaystyle W} 。そうすれば、各ベクトルを表現できます。f ( v j ) {\displaystyle f(\mathbf {v} _{j})} として f ( v j ) = 1 1 j w 1 + ⋯ + 1 m j w m 。 {\displaystyle f\left(\mathbf {v} _{j}\right)=a_{1j}\mathbf {w} _{1}+\cdots +a_{mj}\mathbf {w} _{m}.}
したがって、関数f {\displaystyle f} は、 の値によって完全に決定されます。 1 私 j {\displaystyle a_{ij}} これらの 値をm × n {\displaystyle m\times n} マトリックス M {\displaystyle M} 、そうすれば、ベクトル出力を計算するのに便利に利用できます。f {\displaystyle f} 任意のベクトルに対して V {\displaystyle V} . 取得するには M {\displaystyle M} 、各列j {\displaystyle j} のM {\displaystyle M} ベクトルです ( 1 1 j ⋮ 1 m j ) {\displaystyle {\begin{pmatrix}a_{1j}\\\vdots \\a_{mj}\end{pmatrix}}} に対応するf ( v j ) {\displaystyle f(\mathbf {v} _{j})} 上記で定義したとおり。より明確に定義するために、ある列についてj {\displaystyle j} これはマッピングに対応します f ( v j ) {\displaystyle f(\mathbf {v} _{j})} 、 M = ( ⋯ 1 1 j ⋯ ⋮ 1 m j ) {\displaystyle \mathbf {M} ={\begin{pmatrix}\ \cdots &a_{1j}&\cdots \ \\&\vdots &\\&a_{mj}&\end{pmatrix}}} どこM {\displaystyle M} は の行列ですf {\displaystyle f} つまり 、すべての列j = 1 、 … 、 n {\displaystyle j=1,\ldots ,n} 対応するベクトルを持つf ( v j ) {\displaystyle f(\mathbf {v} _{j})} その座標1 1 j 、 ⋯ 、 1 m j {\displaystyle a_{1j},\cdots ,a_{mj}} 列の要素です j {\displaystyle j} 単一の線形写像は、 複数の行列で表現されることがあります。これは、行列の要素の値が選択された基底に依存するためです。
線形変換の行列は、視覚的に次のように表現できます。
行列T {\textstyle T} に対して B {\displaystyle B} :A {\textstyle A} 行列T {\textstyle T} に対して B ′ {\displaystyle B'} :A ′ {\textstyle A'} 遷移行列B ′ {\textstyle B'} へ B {\displaystyle B} :P {\textstyle P} 遷移行列B {\textstyle B} へ B ′ {\displaystyle B'} :P − 1 {\textstyle P^{-1}} 線形変換における行列間の関係 左下隅から始まる[ v ] B ′ {\textstyle \left[\mathbf {v} \right]_{B'}} そして右 下隅を探す[ T ( v ) ] B ′ {\displaystyle \textstyle \left[T\left(\mathbf {v} \right)\right]_{B'}} 、左から乗算する、つまり、 A ′ [ v ] B ′ = [ T ( v ) ] B ′ {\displaystyle \textstyle A'\left[\mathbf {v} \right]_{B'}=\left[T\left(\mathbf {v} \right)\right]_{B'}} 。同等の方法は、同じ地点から時計回りに進む「より長い」方法であり、[ v ] B ′ {\textstyle \left[\mathbf {v} \right]_{B'}} 左から乗算される P − 1 A P {\displaystyle P^{-1}AP} 、または P − 1 A P [ v ] B ′ = [ T ( v ) ] B ′ {\displaystyle \textstyle P^{-1}AP\left[\mathbf {v} \right]_{B'}=\left[T\left(\mathbf {v} \right)\right]_{B'}} .
種子 線形変換のより微妙な不変量f : V → W {\textstyle f:V\to W} は共 核 であり、次のように定義されます。 コーカー ( f ) := W / f ( V ) = W / 私は ( f ) 。 {\displaystyle \operatorname {coker} (f):=W/f(V)=W/\operatorname {im} (f).}
これはカーネルの双対 概念です。カーネルが領域のサブスペースであるのと同様に 、 コカーネルはターゲットの商 空間です。 形式的には、次の正確なシーケンスが得られます。 0 → カー ( f ) → V → W → コーカー ( f ) → 0. {\displaystyle 0\to \ker(f)\to V\to W\to \operatorname {coker} (f)\to 0.}
これらは次のように解釈できます。解くべき線形方程式f ( v ) = wが与えられた場合、
共核の次元と像の次元(ランク)を足し合わせると、ターゲット空間の次元になります。有限次元の場合、これは商空間W / f ( V ) の次元が、ターゲット空間の次元から像の次元を引いた値になることを意味します。
簡単な例として、 f ( x , y ) = (0, y ) で与えられる写像f : R 2 → R 2 を考えます。方程式f ( x , y ) = ( a , b ) が解を持つためには、a = 0 (1つの制約) でなければならず、その場合、解空間は( x , b ) または同等に (0, b ) + ( x ,0) (1つの自由度) となります。カーネルは部分空間( x ,0) < Vとして表現できます 。x の値は解における自由度です。一方、コカーネルは写像W → R を 介して表現できます。( 1 、 b ) ↦ ( 1 ) {\displaystyle (a,b)\mapsto (a)} : ベクトル( a , b )が与えられたとき、 a の値は解が存在することを妨げる障害物 です
無限次元の場合を示す例として、写像f : R ∞ → R ∞ が挙げられます。{ 1 n } ↦ { b n } {\textstyle \left\{a_{n}\right\}\mapsto \left\{b_{n}\right\}} b 1 = 0 かつb n + 1 = a n ( n > 0 の場合)である。その像は最初の要素が0 であるすべてのシーケンスから構成され、したがってそのコカーネルは最初の要素が同一のシーケンスのクラスから構成される。したがって、そのカーネルの次元は 0 (ゼロシーケンスのみをゼロシーケンスにマッピングする) であるのに対し、そのコカーネルの次元は 1 である。定義域とターゲット空間が同じであるため、カーネルのランクと次元の合計は、コカーネルのランクと次元の合計と同じになる ( ℵ 0 + 0 = ℵ 0 + 1 {\displaystyle \aleph _{0}+0=\aleph _{0}+1} )、しかし無限次元の場合、自己準 同型の核と余核が同じ次元 ( 0 ≠ 1 ) を持つとは推論できない。逆の状況は写像h : R ∞ → R ∞ で起こる。{ 1 n } ↦ { c n } {\textstyle \left\{a_{n}\right\}\mapsto \left\{c_{n}\right\}} c n = a n + 1 である。その像はターゲット空間全体であり、したがってそのコカーネルの次元は 0 であるが、最初の要素のみが非ゼロであるすべてのシーケンスをゼロシーケンスにマッピングするため、そのカーネルの次元は 1 である。
索引 有限次元の核と共核を持つ線形演算子の場合、インデックスは 次のように定義できます。 インド ( f ) := 薄暗い ( カー ( f ) ) − 薄暗い ( コーカー ( f ) ) 、 {\displaystyle \operatorname {ind} (f):=\dim(\ker(f))-\dim(\operatorname {coker} (f)),} すなわち、自由度から制約の数を引いた値である。
有限次元ベクトル空間間の変換の場合、これは単に dim( V ) − dim( W ) の差であり、ランクと零空間の差です。これは、解の数または制約の数を示します。より大きな空間からより小さな空間への写像の場合、写像は全射である可能性があり、制約がなくても自由度を持ちます。逆に、より小さな空間からより大きな空間への写像の場合、写像は全射ではないため、自由度がなくても制約を持ちます。
演算子の指数は、2項複体0 → V → W → 0の オイラー標数 に正確に等しい。演算子論では、 フレドホルム演算子 の指数は研究対象であり、主要な成果としてアティヤー・シンガー指数定理 がある。[ 16 ]
線形写像の分類は、網羅的なものにはなり得ない。以下に、ベクトル空間に関する追加的な構造を必要としない、いくつかの重要な分類を不完全な形で列挙する。
V とWを 体F 上のベクトル空間とし、T : V → Wを 線形写像とする。
単射性 T は、以下のいずれかの同値条件が真である場合に、単射 または単相写像 であると言われる。
Tは 集合 の写像として1 対 1 である。ker T = {0 V } dim(ker T ) = 0 T はモニック または左キャンセル可能であり、つまり任意のベクトル空間U と任意の線形写像R : U → V およびS : U → V に対して、式TR = TSは R = S を意味します。Tは 左可逆で ある。つまり、ST がV 上の恒等写像 となるような線形写像S : W → V が存在する。
上相形態 T は、以下のいずれかの同値条件が真である場合に、全射 または全準同型 であると言われる。
T は集合の写像として全射で ある。コーカー T = {0 W }T はエピック または右キャンセル可能であり、つまり任意のベクトル空間U と任意の線形写像R : W → U およびS : W → U に対して、方程式RT = STは R = S を意味します。Tは 右可逆で ある。つまり、TS がW 上の恒等写像 となるような線形写像S : W → V が存在する。
同型性 T が左可逆かつ右可逆である場合、Tは 同型 であると言われます。これは、 T が 単射かつ全射(集合間の全単射 )であること、またはT が 全射かつ単射であり、したがって双同型で あることと同値です。
T : V → V が自己準同型写像である場合、次のことが成り立つ。
ある正の整数n に対して、T のn 番目の反復T n が恒等的にゼロである場合、T は 冪零で あると言われる。T 2 = T の場合、Tは 冪等 であると言われる。T = kI の場合( k はあるスカラー)、Tは スケーリング変換またはスカラー乗算マップと呼ばれます。スカラー行列を 参照してください。
基準の変更 線形写像(行列がA である自己準同型 写像)が与えられた場合、空間の基底B において、ベクトル座標[ u ]を [ v ] = A [ u ] に変換します。ベクトルはB の逆行列によって変化するため(ベクトル座標は反変 です)、その逆変換は[ v ] = B [ v ′] です。
これを最初の式に代入すると B [ v ′ ] = A B [ u ′ ] {\displaystyle B\left[v'\right]=AB\left[u'\right]} したがって [ v ′ ] = B − 1 A B [ u ′ ] = A ′ [ u ′ ] 。 {\displaystyle \left[v'\right]=B^{-1}AB\left[u'\right]=A'\left[u'\right].}
したがって、新しい基底における行列はA ′ = B −1 AB であり、B は与えられた基底の行列である。
したがって、線形マップは 1-co- 1-contra-バリアント オブジェクト、またはタイプ (1, 1)テンソル であると言われます。
連続 位相ベクトル空間 、例えばノルム空間 間の線形変換は 連続で ある可能性がある。定義域と値域が同じであれば、それは連続線形作用素 となる。ノルム線形空間上の線形作用素は、例えば定義域が有限次元の場合のように、有界である場合に限り連続である。 [ 17 ] 無限次元領域には不連続線形作用素が 存在する可能性がある。
非有界、したがって不連続な線形変換の一例として、上限ノルムを備えた滑らかな関数の空間における微分が挙げられます(値が小さい関数でも導関数は大きな値を持つことがあります。一方、 0の導関数は 0 です)。具体的な例として、sin( nx )/ n は0 に収束しますが、その導関数cos( nx ) は収束しないため、微分は0 で連続ではありません(この議論の変形により、どこでも連続ではありません)。