กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 8 นาที

สลับตำแหน่ง

ในพีชคณิตเชิงเส้นการสลับตำแหน่งเป็นการดำเนินการที่พลิกเมทริกซ์ตามแนวทแยงมุม กล่าวคือ การสลับตำแหน่งจะสลับดัชนีแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์Aเพื่อสร้างเมทริกซ์อีกเมทริกซ์หนึ่ง

สลับตำแหน่ง

เมทริกซ์ทรานสโพสAT ของเมทริกซ์Aสามารถทำได้โดยการสะท้อนองค์ประกอบของเมทริกซ์ตามแนวทแยงมุมหลัก การทำซ้ำกระบวนการนี้กับเมทริกซ์ทรานสโพสจะทำให้องค์ประกอบของเมทริกซ์กลับไปยังตำแหน่งเดิม

ในพีชคณิตเชิงเส้นการสลับตำแหน่งเป็นการดำเนินการที่พลิกเมทริกซ์ตามแนวทแยงมุม กล่าวคือ การสลับตำแหน่งจะสลับดัชนีแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์Aเพื่อสร้างเมทริกซ์อีกเมทริกซ์หนึ่ง ซึ่งเรียกว่าเมทริกซ์สลับตำแหน่งของAและมักใช้สัญลักษณ์A T (และสัญลักษณ์อื่นๆ) [ 1 ]

การสลับแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์ได้รับการแนะนำในปี พ.ศ. 2491 โดยนักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อArthur Cayley [ 2 ]

เมทริกซ์สลับแถวและคอลัมน์

คำนิยาม

เมทริกซ์ทรานสโพสของเมทริกซ์Aซึ่งแสดงด้วยA T , [ 3 ] T A , A tr , t AหรือA tสามารถสร้างได้โดยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้:

  1. สะท้อนภาพAข้ามเส้นทแยงมุมหลัก (ซึ่งวิ่งจากมุมบนซ้ายไปยังมุมล่างขวา) เพื่อให้ได้A T
  2. เขียนแถวของAเป็นคอลัมน์ของA T
  3. เขียนคอลัมน์ของAเป็นแถวของA T

ตามหลักการแล้ว องค์ประกอบในแถวที่i และคอลัมน์ที่ jของเมทริกซ์ A Tคือ องค์ประกอบ ในแถวที่j และคอลัมน์ที่ iของเมทริกซ์ A :

ถ้าAเป็น เมทริกซ์ขนาด m × nแล้วA Tจะเป็นเมทริกซ์ขนาด n × m

นิยามเมทริกซ์ที่เกี่ยวข้องกับการสลับแถวและคอลัมน์

เมทริกซ์จัตุรัสที่มีทรานสโพสเท่ากับตัวมันเอง เรียกว่าเมทริกซ์สมมาตรกล่าวคือAเป็นเมทริกซ์สมมาตร ถ้า

เมทริกซ์จัตุรัสที่มีทรานสโพสเท่ากับค่าลบของมัน เรียกว่าเมทริกซ์สมมาตรเฉียงกล่าวคือAเป็นเมทริกซ์สมมาตรเฉียง ถ้า

เมทริกซ์ จัตุรัสเชิงซ้อนที่มีทรานสโพสเท่ากับเมทริกซ์ที่แทนที่สมาชิกทุกตัวด้วยคอนจูเกตเชิงซ้อน (แสดงด้วยเส้นขีดบน) เรียกว่าเมทริกซ์เฮอร์มิเชียน (เทียบเท่ากับเมทริกซ์เท่ากับทรานสโพสคอนจูเกต ) กล่าวคือAเป็นเมทริกซ์เฮอร์มิเชียน ถ้า

เมทริกซ์ จัตุรัสเชิงซ้อนที่มีทรานสโพสเท่ากับค่าลบของคอนจูเกตเชิงซ้อนของมัน เรียกว่าเมทริกซ์เฮอร์มิเชียนแบบเฉียงกล่าวคือAเป็นเมทริกซ์เฮอร์มิเชียนแบบเฉียง ถ้า

เมทริกซ์จัตุรัสที่มีทรานสโพสเท่ากับอินเวอร์ส ของมัน เรียกว่าเมทริกซ์เชิงตั้งฉากกล่าวคือAเป็นเมทริกซ์เชิงตั้งฉาก ถ้า A = 1, ..., ..., ...

เมทริกซ์จัตุรัสเชิงซ้อนที่มีทรานสโพสเท่ากับอินเวอร์สสังยุคของมัน เรียกว่าเมทริกซ์เอกลักษณ์กล่าวคือAเป็นเมทริกซ์เอกลักษณ์ ถ้า

ตัวอย่าง

คุณสมบัติ

ให้AและBเป็นเมทริกซ์ และcเป็นค่าสเกลาร์

  • การดำเนินการหาเมทริกซ์สลับตำแหน่ง (transpose) เป็นการดำเนินการผกผันในตัวเอง (self -inverse )
  • การสลับแถวและคอลัมน์จะคำนึงถึงการบวก
  • เมทริกซ์สลับแถวและคอลัมน์ของสเกลาร์ยังคงเป็นสเกลาร์เดิม เมื่อรวมกับคุณสมบัติก่อนหน้านี้แล้ว จึงหมายความว่าเมทริกซ์สลับแถวและคอลัมน์เป็นการแปลงเชิงเส้นจากปริภูมิของ เมทริกซ์ขนาด m × nไปยังปริภูมิของเมทริกซ์ขนาดn × m
  • ลำดับของตัวประกอบจะกลับกัน โดยการอุปมาน ผลลัพธ์นี้ขยายไปสู่กรณีทั่วไปของเมทริกซ์หลายตัว ดังนั้น
    ( A 1 A 2 ... A k −1 A k ) T  =  A k T A k −1 TA 2 T A 1 T .
  • ดีเทอร์มิแนนต์ของเมทริกซ์จัตุรัสเท่ากับดีเทอร์มิแนนต์ของเมทริกซ์สลับแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์จัตุรัสนั้น
  • ผลคูณดอทของเวกเตอร์คอลัมน์สองตัวaและbสามารถคำนวณได้จากค่าเดียวของผลคูณเมทริกซ์
  • ถ้า เมทริกซ์ Aมีเฉพาะจำนวนจริงเท่านั้น เมทริกซ์ A T Aจะเป็นเมทริกซ์กึ่งบวกแน่นอน (positive-semidefinite matrix )
  • เมทริกซ์ทรานสโพสของเมทริกซ์ที่ผกผันได้ก็ผกผันได้เช่นกัน และเมทริกซ์ผกผันของเมทริกซ์ทรานสโพสคือเมทริกซ์ทรานสโพสของเมทริกซ์ผกผันของเมทริกซ์เดิม บางครั้งมีการใช้ สัญลักษณ์A −Tเพื่อแทนนิพจน์ที่เทียบเท่ากันทั้งสองนี้
  • ถ้าAเป็นเมทริกซ์จัตุรัสค่าไอเกน ของมัน จะเท่ากับค่าไอเกนของเมทริกซ์ทรานสโพส เนื่องจากมีพหุนามลักษณะ เฉพาะเดียวกัน สามารถเห็นได้โดยตรงจากหัวข้อค่าไอเกนของเมทริกซ์ทรานสโพส
  • สำหรับเวกเตอร์คอลัมน์สองตัวและผลคูณดอทมาตรฐาน
  • บนฟิลด์ใดๆเมท ริกซ์จัตุรัสจะคล้ายกับ
    นี่หมายความว่าและ มี ปัจจัยไม่เปลี่ยนแปลงเดียวกันซึ่งหมายความว่าพวกมันมีพหุนามขั้นต่ำ พหุนามลักษณะเฉพาะ และค่าลักษณะเฉพาะที่เหมือนกัน รวมถึงคุณสมบัติอื่นๆ อีกด้วย
    การพิสูจน์คุณสมบัตินี้ใช้ข้อสังเกตสองประการต่อไปนี้
    • ให้และเป็นเมทริกซ์บนฟิลด์ฐานบางฟิลด์และให้เป็นส่วนขยายฟิลด์ของถ้าและคล้ายคลึงกันในฐานะเมทริกซ์บนแล้ว พวกมันจะคล้ายคลึงกันบน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สิ่งนี้ใช้ได้เมื่อเป็นการปิดเชิงพีชคณิตของ
    • ถ้าเป็นเมทริกซ์เหนือฟิลด์ปิดเชิงพีชคณิตในรูปแบบปกติของจอร์แดนโดยสัมพันธ์กับฐานบางอย่าง แล้วจะคล้ายกับซึ่งจะลดลงเหลือการพิสูจน์ข้อเท็จจริงเดียวกันเมื่อเป็นบล็อกจอร์แดนเดี่ยว ซึ่งเป็นแบบฝึกหัดที่ตรงไปตรงมา

สินค้า

ถ้าAเป็น เมทริกซ์ขนาด m × nและAT เป็นเมทริกซ์ทรานสโพสของ Aผลลัพธ์ของการคูณเมทริกซ์ทั้งสองนี้จะได้เมทริกซ์จัตุรัสสองเมทริกซ์คือAA T ขนาดm × mและAT Aขนาดn × nยิ่งไปกว่านั้น ผลคูณทั้งสองนี้เป็นเมทริกซ์สมมาตรกล่าว คือ ผลคูณเมทริกซ์AA Tมีสมาชิกที่เป็นผลคูณภายในของแถวหนึ่งของAกับคอลัมน์หนึ่งของATแต่คอลัมน์ของATคือแถวหนึ่งของA ดังนั้นสมาชิกในผลคูณ จึงสอดคล้องกับผลคูณภายในของสองแถวของAถ้าp ijเป็นสมาชิกของผลคูณ จะได้มาจากแถวiและjในAสมาชิกp jiก็ได้มาจากแถวเหล่านี้เช่นกัน ดังนั้นp ij = p jiและเมทริกซ์ผลคูณ ( p ij ) เป็นเมทริกซ์สมมาตร ในทำนองเดียวกัน ผลคูณAT A ก็เป็นเมทริกซ์สมมาตร เช่นกัน

การพิสูจน์สมมาตรของAA T อย่างรวดเร็ว มาจากข้อเท็จจริงที่ว่ามันคือทรานสโพสของตัวมันเอง:

[ 4 ]

การนำการสลับแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์ไปใช้ในคอมพิวเตอร์

ภาพประกอบแสดงลำดับการจัดเรียงตามแถวและคอลัมน์

ในคอมพิวเตอร์เรามักจะหลีกเลี่ยงการสลับแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์ในหน่วยความจำได้โดยการเข้าถึงข้อมูลเดียวกันในลำดับที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นไลบรารีซอฟต์แวร์สำหรับพีชคณิตเชิงเส้นเช่นBLASมักจะมีตัวเลือกให้ระบุว่าเมทริกซ์บางตัวควรถูกตีความในลำดับที่สลับแถวและคอลัมน์แล้ว เพื่อหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการเคลื่อนย้ายข้อมูล

อย่างไรก็ตาม ยังมีสถานการณ์หลายอย่างที่จำเป็นหรือพึงประสงค์ที่จะจัดเรียงเมทริกซ์ในหน่วยความจำใหม่ให้เป็นลำดับแบบสลับแถวและคอลัมน์ ตัวอย่างเช่น สำหรับเมทริกซ์ที่จัดเก็บในลำดับแบบแถวหลักแถวของเมทริกซ์จะอยู่ติดกันในหน่วยความจำ ในขณะที่คอลัมน์จะไม่ติดกัน หากจำเป็นต้องดำเนินการซ้ำๆ กับคอลัมน์ เช่น ใน อัลกอริทึม การแปลงฟูริเยร์แบบเร็วการสลับแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์ในหน่วยความจำ (เพื่อให้คอลัมน์อยู่ติดกัน) อาจช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการเพิ่มความ ใกล้เคียงของหน่วยความจำ

ในอุดมคติแล้ว เราอาจหวังที่จะสลับแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์โดยใช้พื้นที่จัดเก็บเพิ่มเติมให้น้อยที่สุด ซึ่งนำไปสู่ปัญหาของการสลับแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์n × mในตำแหน่ง เดิม โดยใช้พื้นที่จัดเก็บเพิ่มเติมO(1) หรืออย่างมากก็ใช้พื้นที่จัดเก็บน้อยกว่า mn มาก สำหรับnm วิธีนี้เกี่ยวข้องกับ การเรียงลำดับข้อมูลที่ซับซ้อน ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะนำไปใช้ในตำแหน่งเดิม ดังนั้น การสลับแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์ในตำแหน่งเดิม อย่างมีประสิทธิภาพ จึงเป็นหัวข้อของการตีพิมพ์งานวิจัยจำนวนมากในสาขาวิทยาการคอมพิวเตอร์ตั้งแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1950 และมีการพัฒนาอัลกอริทึมหลายอย่างขึ้นมา

การสลับตำแหน่งของแผนที่เชิงเส้นและรูปแบบทวิเชิงเส้น

เนื่องจากการใช้งานหลักของเมทริกซ์คือการแทนแผนที่เชิงเส้นระหว่างปริภูมิเวกเตอร์ที่มีมิติจำกัดดังนั้นการสลับแถวและคอลัมน์จึงเป็นการดำเนินการกับเมทริกซ์ที่อาจมองได้ว่าเป็นการแทนการดำเนินการบางอย่างกับแผนที่เชิงเส้น

สิ่งนี้ทำให้ได้นิยามทั่วไปของการสลับแถวและคอลัมน์ที่ใช้ได้กับทุกการแปลงเชิงเส้น แม้ว่าการแปลงเชิงเส้นจะไม่สามารถแสดงด้วยเมทริกซ์ได้ (เช่นในกรณีของปริภูมิเวกเตอร์มิติอนันต์) ในกรณีที่มีมิติจำกัด เมทริกซ์ที่แสดงถึงการสลับแถวและคอลัมน์ของการแปลงเชิงเส้น คือการสลับแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์ที่แสดงถึงการแปลงเชิงเส้นนั้น โดยไม่ขึ้นอยู่กับการเลือก ฐาน

การสลับแถวและคอลัมน์ของแผนที่เชิงเส้น

ให้X #แทนปริภูมิคู่พีชคณิตของโมดูลR X ให้XและYเป็นโมดูลR ถ้า u  : XYเป็นแผนที่เชิงเส้นแล้วตัวผกผันพีชคณิตหรือคู่ ของ มัน[ 5 ]คือแผนที่u # : Y #X #  ที่กำหนดโดยffuฟังก์ชันที่ได้u # ( f )เรียกว่าพูลแบ็กของfโดยu ความสัมพันธ์ต่อไปนี้แสดงลักษณะเฉพาะของตัวผกผันพีชคณิตของu [ 6 ]

u # ​​( f ), x = f , u ( x )⟩สำหรับทุก fY #และ xX

โดยที่⟨•, •⟩คือการจับคู่ตามธรรมชาติ (กล่าวคือ กำหนดโดยh , z  := h ( z ) ) คำจำกัดความนี้ยังใช้ได้กับโมดูลซ้ายและปริภูมิเวกเตอร์โดยไม่เปลี่ยนแปลง[ 7 ]

นิยามของทรานสโพสอาจถือได้ว่าไม่ขึ้นอยู่กับรูปแบบทวิเชิงเส้นใดๆ บนโมดูล ซึ่งแตกต่างจากแอดจอยต์ ( ด้านล่าง )

ปริภูมิคู่ต่อเนื่องของปริภูมิเวกเตอร์เชิงทอพอโลยี (TVS) Xจะถูกแทนด้วยX ถ้าXและYเป็น TVS แล้ว แผนที่เชิงเส้นu  : XYจะมีความต่อเนื่องแบบอ่อนก็ต่อเมื่อu # ( Y ) ⊆ X ซึ่งในกรณีนี้ เราจะให้t u :  Y X แทนการจำกัดของu #บนY แผนที่t uเรียกว่าทรานสโพส[ 8 ]ของu

ถ้าเมทริกซ์Aอธิบายแผนที่เชิงเส้นโดยสัมพันธ์กับฐานของVและWแล้ว เมทริกซ์A Tจะอธิบายการสลับตำแหน่งของแผนที่เชิงเส้นนั้นโดยสัมพันธ์กับฐาน คู่

ทรานสโพสของฟอร์มเชิงเส้นคู่

ทุกแผนที่เชิงเส้นไปยังปริภูมิคู่u  : XX #กำหนดรูปแบบทวิเชิงเส้นB  : X × XFโดยมีความสัมพันธ์B ( x , y ) = u ( x )( y )โดยการกำหนดทรานสโพสของรูปแบบทวิเชิงเส้นนี้เป็นรูปแบบทวิเชิงเส้นt Bที่กำหนดโดยทรานสโพสt u  : X ##X #นั่นคือt B ( y , x ) = t u (Ψ( y ))( x )เราพบว่าB ( x , y ) = t B ( y , x )ในที่นี้Ψ คือ โฮโมมอร์ฟิซึม ธรรมชาติXX ##ไปยังปริภูมิคู่สองชั้น

แอดจอยต์

ถ้าปริภูมิเวกเตอร์XและYมีรูปแบบทวิเชิงเส้นที่ไม่เสื่อม สภาพ B XและB Y ตามลำดับ แนวคิดที่เรียกว่าตัวผกผัน (adjoint ) ซึ่งมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับตัวสลับตำแหน่ง (transpose) สามารถกำหนดได้ดังนี้:

ถ้าu  : XYเป็นฟังก์ชันเชิงเส้นระหว่างปริภูมิเวกเตอร์XและYเราจะกำหนดgเป็นฟังก์ชันผกผันของuถ้าg  : YXสอดคล้องกับเงื่อนไขต่อ ไปนี้

สำหรับทุกxXและyY

รูปแบบทวิเชิงเส้นเหล่านี้กำหนดไอโซมอร์ฟิซึมระหว่างXและX #และระหว่างYและY #ส่งผลให้เกิดไอโซมอร์ฟิซึมระหว่างเมทริกซ์ทรานสโพสและเมทริกซ์แอดจอยต์ของuเมทริกซ์ของแอดจอยต์ของแผนที่จะเป็นเมทริกซ์ทรานสโพสก็ต่อเมื่อฐานเป็นออร์โทนอร์มอลเมื่อเทียบกับรูปแบบทวิเชิงเส้นของพวกมัน อย่างไรก็ตาม ในบริบทนี้ ผู้เขียนหลายคนใช้คำว่าทรานสโพสเพื่ออ้างถึงแอดจอยต์ตามที่นิยามไว้ในที่นี้

ตัวผกผันช่วยให้เราพิจารณาได้ว่าg  : YXเท่ากับu −1  : YXหรือไม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สิ่งนี้ช่วยให้สามารถ กำหนด กลุ่มเชิงตั้งฉากเหนือปริภูมิเวกเตอร์Xที่มีรูปแบบกำลังสองได้โดยไม่ต้องอ้างอิงถึงเมทริกซ์ (หรือส่วนประกอบของเมทริกซ์) ในฐานะเซตของแผนที่เชิงเส้นทั้งหมดXXซึ่งตัวผกผันเท่ากับตัวผกผัน

ในปริภูมิเวกเตอร์เชิงซ้อน มักจะใช้ฟอร์มเซสควิลิเนียร์ (เชิงเส้นคู่ควบในอาร์กิวเมนต์หนึ่ง) แทนที่จะใช้ฟอร์มไบลิเนียร์ตัวผกผันเฮอร์มิเชียนของแผนที่ระหว่างปริภูมิเหล่านี้ถูกนิยามในทำนองเดียวกัน และเมทริกซ์ของตัวผกผันเฮอร์มิเชียนจะกำหนดโดยเมทริกซ์ทรานสโพสคู่ควบ ถ้าฐานทั้งสองเป็นออร์โทนอร์มอล

ดูเพิ่มเติม

อ่านเพิ่มเติม

  • Halmos, Paul (1974), ปริภูมิเวกเตอร์มิติจำกัด , สปริงเกอร์, ISBN 978-0-387-90093-3.
  • Maruskin, Jared M. (2012). พีชคณิตเชิงเส้นที่จำเป็น . ซานโฮเซ: Solar Crest. หน้า  122–132 . ISBN 978-0-9850627-3-6.
  • Schaefer, Helmut H. ; Wolff, Manfred P. (1999). ปริภูมิเวกเตอร์เชิงทอพอ โล ยีGTMเล่ม 8 (ฉบับพิมพ์ครั้งที่สอง). นิวยอร์ก, นิวยอร์ก: สำนักพิมพ์ Springer New York. ISBN 978-1-4612-7155-0. OCLC  840278135 .
  • เทรฟส์, ฟรองซัวส์ (2549) [2510] ปริภูมิเวกเตอร์ทอพอโลยี การแจกแจง และเคอร์เนล Mineola, NY: สิ่งพิมพ์โดเวอร์ไอเอสบีเอ็น 978-0-486-45352-1. OCLC  853623322 .
  • Schwartz, Jacob T. (2001). บทนำเกี่ยวกับเมทริกซ์และเวกเตอร์ . Mineola: Dover. หน้า  126–132 . ISBN 0-486-42000-0.
  • กิลเบิร์ต สแตรง (ฤดูใบไม้ผลิ 2010) พีชคณิตเชิงเส้นจากหลักสูตรออนไลน์แบบเปิดของ MIT
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Transpose&oldid=1351865730 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ สลับตำแหน่ง

ในพีชคณิตเชิงเส้นการสลับตำแหน่งเป็นการดำเนินการที่พลิกเมทริกซ์ตามแนวทแยงมุม กล่าวคือ การสลับตำแหน่งจะสลับดัชนีแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์Aเพื่อสร้างเมทริกซ์อีกเมทริกซ์หนึ่ง

คำนิยาม

เมทริกซ์ทรานสโพสของเมทริกซ์ A ซึ่งแสดงด้วย A T , [ 3 ] T A , A tr , t A หรือ A t สามารถสร้างได้โดยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้:

ตัวอย่าง

[ 1 2 ] ที = [ 1 2 ] {\displaystyle {\begin{bmatrix}1&2\end{bmatrix}}^{\text{T}}=\,{\begin{bmatrix}1\\2\end{bmatrix}}} [ 1 2 3 4 ] ที = [ 1 3 2 4 ] {\displaystyle {\begin{bmatrix}1&2\\3&4\end{bmatrix}}^{\text{T}}={\begin{bmatrix}1&3\\2&4\end{bmatrix}}} [ 1 2...

คุณสมบัติ

ให้ A และ B เป็นเมทริกซ์ และ c เป็น ค่าสเกลา ร์