仿射变换诱导的线性变换

教育   2024-11-20 23:55   江苏  
本文说明欧氏空间的仿射变换诱导向量映射,且诱导的向量映射是线性映射。
(一)欧氏空间的仿射变换

按照欧几里得《几何原本》,或希尔伯特《几何基础》德文第七版设定的公理体系,欧氏空间由点构成,具有直线和平面结构,满足相应公理。

欧氏空间的(自由)向量定义为有序点对的等价类,这里的等价关系是所谓“平行四边形关系”;欧氏空间 的全体向量构成向量空间 (详见本公众号文章"什么是向量")。

定义欧氏空间的仿射变换是欧氏空间到自身的连续双射,把直线映为直线,平面映为平面,保持平行性,且保持任意共线三点的仿射比(有向线段之比)不变。

对于仿射变换 及共线三点 如下的有向线段之比等式成立:

(二)仿射变换诱导的向量映射

是仿射变换。

我们定义 诱导的向量映射

为此,任取向量 

任取点 则存在唯一点 使得

我们希望定义

为此,又任取点 则存在唯一点 使得
利用欧氏几何的平行线的性质,以及仿射变换保持共线三点的仿射比的性质,可以证明
因此定义 是合理的。

这样,我们能够定义向量映射 使得对于任何

命题向量映射 是线性映射。
证明需要证明对于任何向量 及实数
为证第一个等式,任取 

则有 使得 

又有 使得 

从而有 因此得到
为证第二个等式,不妨设 

任取 则有 使得 

则存在直线 上的点 使得

从而有

因为 是仿射变换,所以
因此得到
命题证毕。

利用线性代数知识,可以知道:

诱导的线性映射 是满射,从而是线性同构。




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