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怎么求过渡矩阵

2025-09-25 09:33:46

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怎么求过渡矩阵,急!求解答,求不敷衍我!

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2025-09-25 09:33:46

怎么求过渡矩阵】在线性代数中,过渡矩阵是一个非常重要的概念,尤其在坐标变换和基变换中起着关键作用。过渡矩阵用于将一个向量在不同基下的坐标进行转换。本文将总结如何求解过渡矩阵,并通过表格形式清晰展示步骤与方法。

一、什么是过渡矩阵?

设 $ V $ 是一个向量空间,$ B = \{ \mathbf{v}_1, \mathbf{v}_2, \dots, \mathbf{v}_n \} $ 和 $ B' = \{ \mathbf{u}_1, \mathbf{u}_2, \dots, \mathbf{u}_n \} $ 是 $ V $ 的两个基。若要将向量在基 $ B $ 下的坐标表示转换为基 $ B' $ 下的坐标表示,则需要用到过渡矩阵(或称基变换矩阵)。

过渡矩阵记作 $ P_{B' \leftarrow B} $,它满足:

$$

\mathbf{x}]_{B'} = P_{B' \leftarrow B} [\mathbf{x}]_B

$$

其中 $ [\mathbf{x}]_B $ 是向量 $ \mathbf{x} $ 在基 $ B $ 下的坐标,$ [\mathbf{x}]_{B'} $ 是其在基 $ B' $ 下的坐标。

二、如何求过渡矩阵?

步骤 1:确定两个基

- 基 $ B $:已知一组线性无关的向量。

- 基 $ B' $:另一组线性无关的向量。

步骤 2:将基 $ B $ 中的每个向量用基 $ B' $ 表示

即,对于每一个 $ \mathbf{v}_i \in B $,找到其在基 $ B' $ 下的坐标表示:

$$

\mathbf{v}_i = a_{i1}\mathbf{u}_1 + a_{i2}\mathbf{u}_2 + \cdots + a_{in}\mathbf{u}_n

$$

这些系数 $ a_{ij} $ 构成列向量 $ [\mathbf{v}_i]_{B'} $。

步骤 3:将所有列向量按顺序排列,形成过渡矩阵

将 $ [\mathbf{v}_1]_{B'}, [\mathbf{v}_2]_{B'}, \dots, [\mathbf{v}_n]_{B'} $ 按列排列,得到过渡矩阵:

$$

P_{B' \leftarrow B} = \begin{bmatrix}

\mathbf{v}_1]_{B'} & [\mathbf{v}_2]_{B'} & \cdots & [\mathbf{v}_n]_{B'}

\end{bmatrix}

$$

三、过渡矩阵的性质

性质 描述
可逆性 若 $ B $ 和 $ B' $ 都是基,则过渡矩阵是可逆的
逆矩阵 $ P_{B \leftarrow B'} = P_{B' \leftarrow B}^{-1} $
矩阵乘法 若有三个基 $ B, B', B'' $,则 $ P_{B'' \leftarrow B} = P_{B'' \leftarrow B'} P_{B' \leftarrow B} $

四、实例说明

假设在 $ \mathbb{R}^2 $ 中:

- 基 $ B = \{ (1,0), (0,1) \} $

- 基 $ B' = \{ (1,1), (1,-1) \} $

要求从 $ B $ 到 $ B' $ 的过渡矩阵。

第一步:将 $ B $ 中的向量用 $ B' $ 表示

- $ (1,0) = a(1,1) + b(1,-1) $

- 解得:$ a = \frac{1}{2}, b = \frac{1}{2} $

- 所以 $ [(1,0)]_{B'} = \begin{bmatrix} \frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} \end{bmatrix} $

- $ (0,1) = c(1,1) + d(1,-1) $

- 解得:$ c = \frac{1}{2}, d = -\frac{1}{2} $

- 所以 $ [(0,1)]_{B'} = \begin{bmatrix} \frac{1}{2} \\ -\frac{1}{2} \end{bmatrix} $

第二步:构造过渡矩阵

$$

P_{B' \leftarrow B} = \begin{bmatrix}

\frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\

\frac{1}{2} & -\frac{1}{2}

\end{bmatrix}

$$

五、总结表格

步骤 内容
1 确定两个基 $ B $ 和 $ B' $
2 将 $ B $ 中的每个向量用 $ B' $ 表示
3 将每个向量的坐标表示作为列向量
4 将所有列向量按顺序排列,构成过渡矩阵

通过以上步骤,我们可以系统地求出任意两个基之间的过渡矩阵。理解并掌握这一过程,有助于更深入地理解线性变换和坐标变换的本质。

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