T ( x , y , z , w ) = ( 3 y − 4 z , x + 2 y + 4 z − w , 7 z , − y − w ) T(x, y, z, w) = ( 3y -4z, x +2y+4z-w, 7z, -y-w) T ( x , y , z , w ) = ( 3 y − 4 z , x + 2 y + 4 z − w , 7 z , − y − w )
Write the standard matrix for T.
A = [ 0 3 − 4 0 1 2 4 − 1 0 0 7 0 0 − 1 0 − 1 ] A=\begin{bmatrix}
0 & 3 & -4 & 0\\
1 & 2 & 4 & -1 \\
0 & 0 & 7 & 0\\
0 & -1 & 0 & -1
\end{bmatrix} A = ⎣ ⎡ 0 1 0 0 3 2 0 − 1 − 4 4 7 0 0 − 1 0 − 1 ⎦ ⎤ One-to-one is the same as onto for square matrices.
In general, a transformation T is both one-to-one and onto if and only if T ( x ) = b T(\bf x )=\bf b T ( x ) = b has exactly one solution for all b \bf b b in R m . \Bbb{R}^m. R m .
[ 0 3 − 4 0 0 1 2 4 − 1 0 0 0 7 0 0 0 − 1 0 − 1 0 ] \begin{bmatrix}
0 & 3 & -4 & 0 & &0\\
1 & 2 & 4 & -1 & &0 \\
0 & 0 & 7 & 0 & &0\\
0 & -1 & 0 & -1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 0 1 0 0 3 2 0 − 1 − 4 4 7 0 0 − 1 0 − 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ Swap rows 1 and 2:
[ 1 2 4 − 1 0 0 3 − 4 0 0 0 0 7 0 0 0 − 1 0 − 1 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 2 & 4 &-1& &0\\
0 & 3 & -4 & 0 & &0 \\
0 & 0 & 7 & 0 & &0\\
0 & -1 & 0 & -1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 2 3 0 − 1 4 − 4 7 0 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ R 2 = R 2 / 3 R_2={R_2/3} R 2 = R 2 /3
[ 1 2 4 − 1 0 0 1 − 4 / 3 0 0 0 0 7 0 0 0 − 1 0 − 1 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 2 & 4 &-1& &0\\
0 & 1 & -4/3 & 0 & &0 \\
0 & 0 & 7 & 0 & &0\\
0 & -1 & 0 & -1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 2 1 0 − 1 4 − 4/3 7 0 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ R 1 = R 1 − ( 2 ) R 2 R_1=R_1-(2)R_2 R 1 = R 1 − ( 2 ) R 2
[ 1 0 20 / 3 − 1 0 0 1 − 4 / 3 0 0 0 0 7 0 0 0 − 1 0 − 1 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & 20/3 &-1& &0\\
0 & 1 & -4/3 & 0 & &0 \\
0 & 0 & 7 & 0 & &0\\
0 & -1 & 0 & -1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 0 1 0 − 1 20/3 − 4/3 7 0 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ R 4 = R 4 + R 2 R_4=R_4+R_2 R 4 = R 4 + R 2
[ 1 0 20 / 3 − 1 0 0 1 − 4 / 3 0 0 0 0 7 0 0 0 0 − 4 / 3 − 1 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & 20/3 &-1& &0\\
0 & 1 & -4/3 & 0 & &0 \\
0 & 0 & 7 & 0 & &0\\
0 & 0 & -4/3 & -1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 0 1 0 0 20/3 − 4/3 7 − 4/3 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ R 3 = R 3 / 7 R_3=R_3/7 R 3 = R 3 /7
[ 1 0 20 / 3 − 1 0 0 1 − 4 / 3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 − 4 / 3 − 1 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & 20/3 &-1& &0\\
0 & 1 & -4/3 & 0 & &0 \\
0 & 0 & 1 & 0 & &0\\
0 & 0 & -4/3 & -1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 0 1 0 0 20/3 − 4/3 1 − 4/3 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ R 1 = R 1 − ( 20 / 3 ) R 3 R_1=R_1-(20/3)R_3 R 1 = R 1 − ( 20/3 ) R 3
[ 1 0 0 − 1 0 0 1 − 4 / 3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 − 4 / 3 − 1 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 &-1& &0\\
0 & 1 & -4/3 & 0 & &0 \\
0 & 0 & 1 & 0 & &0\\
0 & 0 & -4/3 & -1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 − 4/3 1 − 4/3 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ R 2 = R 2 + ( 4 / 3 ) R 3 R_2=R_2+(4/3)R_3 R 2 = R 2 + ( 4/3 ) R 3
[ 1 0 0 − 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 − 4 / 3 − 1 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 &-1& &0\\
0 & 1 & 0 & 0 & &0 \\
0 & 0 & 1 & 0 & &0\\
0 & 0 & -4/3 & -1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 − 4/3 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ R 4 = R 4 + ( 4 / 3 ) R 3 R_4=R_4+(4/3)R_3 R 4 = R 4 + ( 4/3 ) R 3
[ 1 0 0 − 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 − 1 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 &-1& &0\\
0 & 1 & 0 & 0 & &0 \\
0 & 0 & 1 & 0 & &0\\
0 & 0 & 0 & -1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ R 1 = R 1 − R 4 R_1=R_1-R_4 R 1 = R 1 − R 4
[ 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 − 1 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 & 0& &0\\
0 & 1 & 0 & 0 & &0 \\
0 & 0 & 1 & 0 & &0\\
0 & 0 & 0 & -1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 − 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ R 4 = R 4 ⋅ ( − 1 ) R_4=R_4\cdot(-1) R 4 = R 4 ⋅ ( − 1 )
[ 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 & 0& &0\\
0 & 1 & 0 & 0 & &0 \\
0 & 0 & 1 & 0 & &0\\
0 & 0 & 0 & 1 & &0
\end{bmatrix} ⎣ ⎡ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 ⎦ ⎤ The columns of matrix are linearly independent, which happens precisely when the matrix has a pivot position in every column.
Therefore T T T is one-to-one.
Comments