R²中的基变换问题求解——线性代数教材习题解析
没问题,我来一步步帮你拆解这个基变换的问题,逻辑和计算过程都给你理清楚:
a) 求从标准基到基B和B'的基变换矩阵
首先明确,$\mathbb{R}^2$的标准基是 $E = {e_1=(1,0), e_2=(0,1)}$,基变换矩阵的核心定义是:把目标基的向量作为列向量组成的矩阵,就是从标准基到该目标基的坐标变换矩阵(简单说,这个矩阵能把标准基下的坐标映射到目标基下坐标对应的向量)。
对于基 $B = {u_1=(1,1), u_2=(1,-1)}$:
我们先把每个基向量用标准基线性表示:
$u_1 = 1\cdot e_1 + 1\cdot e_2$,$u_2 = 1\cdot e_1 + (-1)\cdot e_2$
所以从标准基到B的基变换矩阵 $P$ 就是将 $u_1, u_2$ 作为列向量构成的矩阵:P = [[1, 1], [1, -1]]对于基 $B' = {u'_1=(2,0), u'_2=(3,1)}$:
同理,$u'_1 = 2\cdot e_1 + 0\cdot e_2$,$u'_2 = 3\cdot e_1 + 1\cdot e_2$
从标准基到B'的基变换矩阵 $Q$ 为:Q = [[2, 3], [0, 1]]
b) 求从基B到B'的基变换矩阵
这里的核心思路是利用基变换的复合性:要从B变换到B',可以先从B切换到标准基,再从标准基切换到B',两步复合起来就是最终的变换矩阵。
- 从B到标准基的变换矩阵是 $P^{-1}$(因为P是标准基到B的正向变换矩阵,逆矩阵就是反向变换的矩阵)
- 从标准基到B'的坐标变换矩阵是 $Q^{-1}$(Q是把标准基向量转换为B'下坐标的映射矩阵,逆矩阵则是反向操作)
你已经算出 $Q^{-1}$(也就是B'对应基变换矩阵的逆矩阵)是:
Q⁻¹ = [[1/2, -3/2], [0, 1 ]]
接下来先计算 $P$ 的逆矩阵 $P^{-1}$:
$P$ 的行列式是 $1\times(-1) - 1\times1 = -2$,所以逆矩阵为:
P⁻¹ = [[1/2, 1/2], [1/2, -1/2]]
然后,从B到B'的基变换矩阵就是从标准基到B'的变换矩阵乘以从B到标准基的变换矩阵,也就是 $Q^{-1} \times P$:
$$
\begin{bmatrix}
1/2 & -3/2 \
0 & 1
\end{bmatrix}
\times
\begin{bmatrix}
1 & 1 \
1 & -1
\end{bmatrix}
(1/2)\times1 + (-3/2)\times1 & (1/2)\times1 + (-3/2)\times(-1) \
0\times1 + 1\times1 & 0\times1 + 1\times(-1)
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
-1 & 2 \
1 & -1
\end{bmatrix}
$$
简单验证一下:比如取B中的向量 $u_1=(1,1)$,它在B下的坐标是 $(1,0)$,用这个变换矩阵乘以 $(1,0)$ 得到 $(-1,1)$,对应B'下的向量就是 $-1\times u'_1 + 1\times u'_2 = -1\times(2,0)+1\times(3,1)=(1,1)$,和原向量完全一致,说明计算是正确的。
内容的提问来源于stack exchange,提问作者winklerm




