Tillbaka till Hans Lundmarks startsida


Linjärtransformerade Linköpingslektorer
(Exempel på linjära avbildningar i planet)

Skjuvning

Vi värmer upp med lite lätt stretching (av Brian Edgar). Avbildningsmatrisen är \( A = \begin{pmatrix} 1 & 1/2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \).

Brian   ↦   Transformerad Brian

Standardbasvektorerna \( \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix} \) och \( \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix} \) är markerade med blått resp. rött i den första bilden.

Matrisens kolonner \( \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix} \) och \( \begin{pmatrix} 1/2 \\ 1 \end{pmatrix} \) anger basvektorernas bilder. (Blått resp. rött i den andra bilden.)

Dessa bestämmer i sin tur hela avbildningen på grund av lineariteten, vilket illustreras av rutnäten. Rutorna har samma area i båda rutnäten, vilket stämmer med att determinanten (avbildningens areaskala) är 1.

Symmetrisk avbildning

Nu är det Arne Enqvists tur. Vi utsätter honom för en symmetrisk avbildning: \( A = \begin{pmatrix} 1 & 1/2 \\ 1/2 & 1 \end{pmatrix} \).

Determinanten är 3/4, så rutornas (och Arnes) area minskar lite.

Arne   ↦   Transformerad Arne

Det ska finnas en ON-bas av egenvektorer enligt spektralsatsen, eftersom avbildningen är symmetrisk. Mycket riktigt: med den vanliga beräkningen (eller med kvalificerad gissning) finner vi $$ \begin{pmatrix} 1 & 1/2 \\ 1/2 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix} = \frac32 \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix} ,\qquad \begin{pmatrix} 1 & 1/2 \\ 1/2 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \end{pmatrix} = \frac12 \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \end{pmatrix} . $$ Normerade egenvektorer är alltså \( \dfrac{1}{\sqrt2} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix} \) och \( \dfrac{1}{\sqrt2} \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \end{pmatrix} \), vilka vi tar som nya basvektorer. Vi tittar på samma avbildning igen, men i koordinatsystemet som ges av denna nya bas. Luta huvudet 45 grader åt vänster, och försök att glömma det gamla koordinatsystemet helt och hållet!

Arne   ↦   Transformerad Arne

Nu ser man tydligt varför areaskalan är 3/4: avbildningen sträcker (3/2) i en riktning och trycker ihop (1/2) i den ortogonala riktningen. Den första (blå) egenvektorn, som nu – kom ihåg vi har bytt koordinatsystem! – har koordinaterna \( \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix} \), avbildas på \( \begin{pmatrix} 3/2 \\ 0 \end{pmatrix} \), medan den röda avbildas på \( \begin{pmatrix} 0 \\ 1/2 \end{pmatrix} \). Detta ger oss kolonnerna i den nya avbildningsmatrisen D, som beskriver samma avbildning, fast i det nya koordinatsystemet: $$D = \begin{pmatrix} 3/2 & 0 \\ 0 & 1/2 \end{pmatrix}.$$ Matrisen blir alltså helt enkelt diagonal, med egenvärdena på diagonalen. Determinanten är produkten av egenvärdena. "Byt bas och se bättre!", som Peter Hackmans berömda sång säger.

Spegling i en linje

Thomas Karlsson vill nog också vara med. En spegling får det bli för hans del: \( A = \begin{pmatrix} 5/13 & 12/13 \\ 12/13 & -5/13 \end{pmatrix} \).

Till skillnad från de tidigare exemplen så är determinanten här negativ (−1 för att vara exakt), så orienteringen ändras. Mycket riktigt så är Thomas spegelvänd i den andra bilden, vilket du ser om du vrider på huvudet och tittar efter.

Thomas   ↦   Transformerad Thomas

Övning 1: Var är speglingslinjen?

Övning 2: Den här avbildningen är också symmetrisk. Hitta en ON-bas av egenvektorer. Vad blir avbildningsmatrisen i denna nya bas?

GIMP-logo


Ursprunglig version 2000-10-08. Senast ändrad 2025-10-17. Hans Lundmark (hans.lundmark@liu.se)