十三、通過線性變換,將R2中的三角形映射到R2中的另一個三角形

1. 通過向量定義三角形

假設三個位置向量分別爲:

\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}

那麼,點(-2, -2)到點(-2, 2)之間的線段爲:

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

所有位置向量的終點構成了直線L0

同理,線段L1和L2分別爲:

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 \}

這三個線段,共同組成了一個三角形,定義集合S包含三個線段:

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

集合S中的所有位置向量的終點構成了一個三角形

2. 定義變換矩陣

假設線性變換爲:

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

那麼,A就稱爲變換矩陣,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}

變換矩陣爲:

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

3. 將三角形轉換成另一個三角形

將集合S中的點,通過線性變換,映射成另一些點,映射後的點組成了新的三角形,這樣就將原三角形轉換成了另一個三角形。

首先將L0線段進行線性變換:

\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線段和L2線段的線性變換爲:

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 \}

三個新的線段組成了新的三角形,且T(L0)稱爲L0在T變換下的像,爲什麼要稱爲“像”?因爲T作用於L0,使之變形,生成了一個新的像

4. 像空間

T(V): image of V under T,子空間V在變換T下的像,稱爲像空間。並不是所有的子集合都是子空間,但是子空間肯定是子集合。子空間V在T下的像,仍然是子空間。

im(T): image of T,T的像

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

像是從定義域的一個子集到上域的一個子集,原像是從上域的一個子集到定義域的一個子集。

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