सारांश
यह पाठ दो पंक्तियों और दो स्तंभों वाले प्रत्येक आव्यूह की व्याख्या समतल के एक रूपांतरण के रूप में करता है, अर्थात् उस रूपांतरण के रूप में जो प्रत्येक को, स्तंभ के रूप में लिखे जाने पर, सदिश पर ले जाता है। यह सिद्ध करता है कि ये रूपांतरण ठीक-ठीक रैखिक रूपांतरण हैं और प्रत्येक रैखिक रूपांतरण दो मानक आधार सदिशों के प्रतिबिंबों से निर्धारित होता है, जो उसके आव्यूह के स्तंभ हैं। इस सिद्धांत से यह घूर्णनों के, मूल बिंदु से होकर जाने वाली रेखाओं पर प्रक्षेपों और उन रेखाओं में परावर्तनों के, केंद्रीय तननों के और अपरूपणों के आव्यूह प्राप्त करता है। यह सिद्ध करता है कि रूपांतरणों का संघटन उनके आव्यूहों के गुणन के तुल्य है, जिससे दो घूर्णनों के कोणों का योग निकलता है, यह तथ्य भी कि दो परावर्तनों का संघटन उनकी रेखाओं के बीच के कोण के दुगुने का घूर्णन होता है, और यह भी कि परावर्तन सामान्यतः क्रमविनिमेय नहीं होते। यह सारणिक की व्याख्या उस गुणक के रूप में करता है जिससे रूपांतरण क्षेत्रफलों को गुणा करता है, अभिविन्यास उलटने पर ऋण चिह्न के साथ, और एकैकी आच्छादक रूपांतरणों को शून्येतर सारणिक वाले रूपांतरणों के रूप में अभिलक्षित करता है। अंत में यह द्वितीय घात के व्यापक समीकरण के अक्षों के घूर्णन को आव्यूह रूप में फिर से लिखता है।
अधिगम उद्देश्य
- आव्यूह को समतल के रैखिक रूपांतरण के रूप में पहचानना और मानक आधार सदिशों के प्रतिबिंबों से किसी रूपांतरण का आव्यूह प्राप्त करना।
- घूर्णनों, प्रक्षेपों, परावर्तनों, केंद्रीय तननों और अपरूपणों के आव्यूह लिखना और निगमित करना, और किसी दिए गए आव्यूह के प्रभाव का ज्यामितीय वर्णन करना।
- सिद्ध करना कि रूपांतरणों का संघटन आव्यूहों के गुणन के संगत है, और इसे घूर्णनों के तथा परावर्तनों के संघटन पर लागू करना।
- सारणिक की व्याख्या क्षेत्रफल और अभिविन्यास के गुणक के रूप में करना, यह तय करना कि कोई रूपांतरण कब व्युत्क्रमणीय है, और द्वितीय घात के समीकरण के अक्षों के घूर्णन को आव्यूहों से व्यक्त करना।
रूपांतरणों के रूप में आव्यूह
पाठ्यक्रम बीजगणित और ज्यामिति I के समतल में सदिश वाले पाठ में सदिश को वास्तविक संख्याओं के एक क्रमित युग्म के रूप में परिभाषित किया गया था, और आव्यूह और आव्यूहों पर संक्रियाएँ वाले पाठ में एक आव्यूह का दूसरे आव्यूह से गुणन, पंक्ति गुणा स्तंभ, परिभाषित किया गया था। यदि युग्म को एक स्तंभ के रूप में, अर्थात् दो पंक्तियों और एक स्तंभ वाले आव्यूह के रूप में, लिखा जाए, तो दो पंक्तियों और दो स्तंभों वाला आव्यूह उसे गुणा कर सकता है, और परिणाम दो प्रविष्टियों वाला एक दूसरा स्तंभ, अर्थात् एक दूसरा सदिश, होता है। इस प्रकार प्रत्येक आव्यूह समतल के बिंदुओं को खिसकाता है, और आव्यूहों के बीजगणित को एक ज्यामितीय अर्थ मिलता है। आगे हम युग्म और प्रविष्टियों और वाले स्तंभ को एक ही मानते हैं, और तथा को मानक आधार सदिश कहते हैं, जिससे प्रत्येक सदिश के रूप में लिखा जाता है।
समतल का रूपांतरण एक ऐसा फलन है जो समतल के प्रत्येक सदिश को समतल का एक दूसरा सदिश निर्दिष्ट करता है। यदि दो पंक्तियों और दो स्तंभों वाला आव्यूह है, तो आव्यूह का रूपांतरण वह है जो प्रत्येक को गुणनफल निर्दिष्ट करता है।
उदाहरण के लिए, प्रविष्टियों , , और वाला आव्यूह बिंदु को बिंदु पर ले जाता है: यह समतल को क्षैतिज दिशा में दुगुना और ऊर्ध्वाधर दिशा में तिगुना खींचता है। आव्यूह वाले रूपांतरणों का एक ऐसा गुणधर्म है जो उन्हें समतल के अन्य फलनों से अलग करता है, और जो निम्नलिखित परिभाषा से व्यक्त होता है।
समतल का एक रूपांतरण रैखिक है यदि वह सदिशों का योग और किसी सदिश का किसी संख्या से गुणन संरक्षित रखता है: समतल के सभी और तथा प्रत्येक वास्तविक संख्या के लिए निम्नलिखित दो समताएँ सत्य होती हैं।
आव्यूह का प्रत्येक रूपांतरण रैखिक है, और उसके आव्यूह के स्तंभ मानक आधार सदिशों के प्रतिबिंब हैं: पहला स्तंभ का प्रतिबिंब है और दूसरा का। विलोमतः, समतल का प्रत्येक रैखिक रूपांतरण एक अद्वितीय आव्यूह का रूपांतरण है, अर्थात् उस आव्यूह का जिसके स्तंभ और हैं।
आव्यूहों के गुणन का वितरण नियम और संख्या से गुणन के साथ उसकी संगतता प्रयुक्त होते हैं, जो आव्यूह और आव्यूहों पर संक्रियाओं वाले पाठ में सिद्ध किए गए थे। आकृति आव्यूह के रूपांतरण का अनुसरण करती है, जिसके स्तंभ और हैं।
प्रमाण
मान लीजिए एक आव्यूह है और उसका रूपांतरण। वितरण नियम और संख्या से गुणन के साथ संगतता रैखिकता की दोनों शर्तें देते हैं; आकृति में, और से बनने वाला समांतर चतुर्भुज उनके प्रतिबिंबों से बनने वाले समांतर चतुर्भुज पर पहुँचता है।
हम का प्रतिबिंब परिकलित करते हैं: पंक्ति गुणा स्तंभ गुणा करने पर की प्रत्येक पंक्ति की केवल पहली प्रविष्टि का योगदान रहता है।
इसी प्रकार, के प्रतिबिंब में प्रत्येक पंक्ति की केवल दूसरी प्रविष्टि का योगदान रहता है।
अब मान लीजिए कोई भी रैखिक रूपांतरण है, और वह आव्यूह है जिसके स्तंभ और हैं। हम लिखते हैं और रैखिकता लागू करते हैं; ऊपर की दो गणनाओं से, और । आकृति में, समतल का ग्रिड समांतर चतुर्भुजों के ग्रिड पर पहुँचता है।
यदि कोई दूसरा आव्यूह भी को संतुष्ट करे, प्रत्येक के लिए, तो के स्तंभ, जो और हैं, के स्तंभों से मेल खाएँगे; आव्यूह अद्वितीय है।
यह प्रमेय किसी रैखिक रूपांतरण के अध्ययन को दो सदिशों के अध्ययन पर ले आती है: आव्यूह जानने के लिए इतना जानना पर्याप्त है कि और कहाँ जाते हैं, और यह जानने के लिए कि कोई आव्यूह क्या करता है, उसके स्तंभ पढ़ना पर्याप्त है। रैखिकता से इसके अतिरिक्त कई ज्यामितीय गुणधर्म निकलते हैं। मूल बिंदु स्थिर रहता है, क्योंकि ; इसीलिए स्थानांतरण, जो मूल बिंदु को खिसकाते हैं, रैखिक नहीं हैं। सदिश समीकरण वाली रेखा, जिसका अध्ययन पाठ्यक्रम I के सदिशों वाले पाठ में किया गया था, बिंदुओं के समुच्चय पर पहुँचती है, जो एक रेखा है यदि शून्य नहीं है और केवल एक बिंदु यदि वह शून्य है। इसी प्रकार, एक रेखाखंड किसी रेखाखंड या बिंदु पर पहुँचता है, समांतर रेखाएँ समांतर रेखाओं या बिंदुओं पर पहुँचती हैं, और शीर्षों , , और वाला वर्ग, जिसे हम एकांक वर्ग कहेंगे, उस समांतर चतुर्भुज पर पहुँचता है, संभवतः पिचका हुआ, जो आव्यूह के दो स्तंभ बनाते हैं।
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