在 n 维线性空间中,同一元素在不同基下的坐标是不同的。那么,同一元素在不同基下的坐标之间有怎样的关系呢?
一、基变换公式与过渡矩阵
Section titled “一、基变换公式与过渡矩阵”设 α₁, α₂, …, αₙ 与 β₁, β₂, …, βₙ 是 n 维线性空间 V 的两组基。很明显,β₁, β₂, …, βₙ 可由 α₁, α₂, …, αₙ 线性表示。设
β₁ = p₁1α₁ + p₂1α₂ + … + pₙ1αₙ, β₂ = p₁2α₁ + p₂2α₂ + … + pₙ2αₙ, vdots βₙ = p₁nα₁ + p₂nα₂ + … + pₙnαₙ, (9.1)为方便起见,将式 (9.1) 形式地表示为矩阵相乘的形式:
(β₁, β₂, …, βₙ) = (α₁, α₂, …, αₙ) p₁1 & p₁2 & … & p₁n p₂1 & p₂2 & … & p₂n vdots & vdots & & vdots pₙ1 & pₙ2 & … & pₙn . (9.2)式 (9.1) 或式 (9.2) 称为基变换公式。矩阵 P = (pᵢj) 称为从基 α₁, α₂, …, αₙ 到基 β₁, β₂, …, βₙ 的过渡矩阵。
过渡矩阵 P 的第 j 列,就是基向量 βⱼ 在原基 α₁, α₂, …, αₙ 下的坐标。
设 α₁, α₂, …, αₙ 与 β₁, β₂, …, βₙ 是 n 维线性空间 V 的两组基,P 是从基 α₁, α₂, …, αₙ 到基 β₁, β₂, …, βₙ 的过渡矩阵,则 P 是可逆矩阵。
用反证法。已知 (β₁, β₂, …, βₙ) = (α₁, α₂, …, αₙ)P。设 P = (pᵢj)。
若 P 不可逆,则 |P| = 0,于是齐次线性方程组 Px = 0 有非零解 x^* = (x₁^*, x₂^*, …, xₙ^*)^T。因此
x₁^* β₁ + x₂^* β₂ + … + xₙ^* βₙ = (β₁, β₂, …, βₙ)x^*= [(α₁, α₂, …, αₙ)P]x^* = (α₁, α₂, …, αₙ)(Px^*) = 0(0 表示零元素)。这表明 β₁, β₂, …, βₙ 线性相关,与 β₁, β₂, …, βₙ 是基矛盾。所以 P 是可逆的。
此处将 (α₁, α₂, …, αₙ) 与 (β₁, β₂, …, βₙ) 形式地看成 1 × n 的行矩阵,目的是形式地利用矩阵乘法的结合律来简便运算。
二、坐标变换公式
Section titled “二、坐标变换公式”下面的定理给出了 n 维线性空间中同一元素在不同基下的坐标之间的关系。
设 n 维线性空间 V 中元素 α 在基 α₁, α₂, …, αₙ 与基 β₁, β₂, …, βₙ 下的坐标分别为 x = (x₁, x₂, …, xₙ)^T 与 y = (y₁, y₂, …, yₙ)^T。
如果从基 α₁, α₂, …, αₙ 到基 β₁, β₂, …, βₙ 的过渡矩阵为 P,则
x = Py 或 y = P⁻1x,称 x = Py 或 y = P⁻1x 为坐标变换公式。
已知 α = (β₁, β₂, …, βₙ)y = (α₁, α₂, …, αₙ)x,且
(β₁, β₂, …, βₙ) = (α₁, α₂, …, αₙ)P.于是
α = (β₁, β₂, …, βₙ)y = [(α₁, α₂, …, αₙ)P]y = (α₁, α₂, …, αₙ)(Py) = (α₁, α₂, …, αₙ)x.因为 α 在基 α₁, α₂, …, αₙ 下的坐标是唯一的,所以
x = Py.由于 P 可逆,两端左乘 P⁻1 即得 y = P⁻1x。
三、典型例题
Section titled “三、典型例题”设 V 为全体二阶实对称矩阵。对于矩阵的加法与数乘运算,V 是一个三维线性空间。在 V 中取两组基:
α₁ = 1 & 0 0 & 0 , α₂ = 0 & 0 0 & 1 , α₃ = 0 & 1 1 & 0与
β₁ = 1 & 0 0 & 1 , β₂ = 1 & 0 0 & -1 , β₃ = 1 & 1 1 & 1 .求从基 α₁, α₂, α₃ 到基 β₁, β₂, β₃ 的过渡矩阵 P。
解
由各基矩阵直接展开:
β₁ = 1 & 0 0 & 1 = α₁ + α₂,β₂ = 1 & 0 0 & -1 = α₁ - α₂,β₃ = 1 & 1 1 & 1 = α₁ + α₂ + α₃.即
(β₁, β₂, β₃) = (α₁, α₂, α₃) 1 & 1 & 1 1 & -1 & 1 0 & 0 & 1 .所求过渡矩阵为
P = 1 & 1 & 1 1 & -1 & 1 0 & 0 & 1 .在 R³ 中取两组基:
α₁ = (0, 1, 1)^T, α₂ = (1, 0, 1)^T, α₃ = (1, 1, 0)^T与
β₁ = (-1, 1, 1)^T, β₂ = (1, -1, 1)^T, β₃ = (1, 1, -1)^T.求从基 α₁, α₂, α₃ 到基 β₁, β₂, β₃ 的过渡矩阵 P,并分别求 ε₁ = (1, 0, 0)^T 在基 α₁, α₂, α₃ 与基 β₁, β₂, β₃ 下的坐标。
解
设 (β₁, β₂, β₃) = (α₁, α₂, α₃)P,即
-1 & 1 & 1 1 & -1 & 1 1 & 1 & -1 = 0 & 1 & 1 1 & 0 & 1 1 & 1 & 0 P.则
P = 0 & 1 & 1 1 & 0 & 1 1 & 1 & 0 ⁻1 -1 & 1 & 1 1 & -1 & 1 1 & 1 & -1= 1/2 -1 & 1 & 1 1 & -1 & 1 1 & 1 & -1 -1 & 1 & 1 1 & -1 & 1 1 & 1 & -1 = 1/2 3 & -1 & -1 -1 & 3 & -1 -1 & -1 & 3 .设 ε₁ = (β₁, β₂, β₃)y = (α₁, α₂, α₃)x,则
x = (α₁, α₂, α₃)⁻1ε₁ = 0 & 1 & 1 1 & 0 & 1 1 & 1 & 0 ⁻1 1 0 0 = 1/2 -1 & 1 & 1 1 & -1 & 1 1 & 1 & -1 1 0 0 = 1/2 -1 1 1 ;y = (β₁, β₂, β₃)⁻1ε₁ = -1 & 1 & 1 1 & -1 & 1 1 & 1 & -1 ⁻1 1 0 0 = 1/2 0 & 1 & 1 1 & 0 & 1 1 & 1 & 0 1 0 0 = 1/2 0 1 1 .故 ε₁ 在基 α₁, α₂, α₃ 下的坐标为 x = 1/2(-1, 1, 1)^T;在基 β₁, β₂, β₃ 下的坐标为 y = 1/2(0, 1, 1)^T。