Mục lục bài họcĐang ở d07-b4
← AP Precalculus
0/28 bài đã học xong
Chương 7 · Parameters, Vectors, and Matrices · Bài 4/4 của chương · bài 28/28 của AP Precalculus

Matrices as Transformations

Ma trận như phép biến hình
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

A matrix is a machine that moves the plane

A $2\times2$ matrix $A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}$ acts on a vector by $A\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}ax+by\\cx+dy\end{pmatrix}$. The whole transformation is determined by two facts: the first column is the image of $\langle1,0\rangle$, the second column is the image of $\langle0,1\rangle$.

Composition is multiplication — applying $A$ then $B$ is the single matrix $BA$ (rightmost acts first), and in general $AB\neq BA$: order matters.

The determinant measures area: $\det A=ad-bc$, and any region of area $S$ maps to a region of area $|\det A|\cdot S$. If $\det A=0$ the plane collapses onto a line and the transformation cannot be undone — no inverse matrix exists.

Named transformations: rotation by $\theta$ is $\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}$ (determinant $1$: areas preserved); dilation by $k$ is $kI$ (determinant $k^2$).

Transition-state models: when a matrix's columns are probability distributions, repeated multiplication $\vec s_{n+1}=T\vec s_n$ pushes a population between states; many systems settle into a steady state $\vec s$ with $T\vec s=\vec s$.

Giải thích tiếng Việt

Ma trận $2\times2$ là cái máy biến hình cả mặt phẳng, và toàn bộ cái máy được mã hoá trong hai cột: cột một là ảnh của $\langle1,0\rangle$, cột hai là ảnh của $\langle0,1\rangle$. Biết hai cột là biết mọi điểm đi đâu.

Ghép hai phép biến hình = nhân hai ma trận, và ma trận đứng bên phải tác động trước. Nói chung $AB\neq BA$ — quay rồi phóng khác phóng rồi quay đối với đa số phép, nên không được tự tiện đảo thứ tự.

Định thức $\det A=ad-bc$ là hệ số diện tích: miền diện tích $S$ biến thành miền diện tích $|\det A|\cdot S$. Định thức bằng $0$ nghĩa là cả mặt phẳng bị đè bẹp xuống một đường thẳng — phép biến hình mất thông tin, không có ma trận nghịch đảo.

Ma trận quay góc $\theta$: $\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}$, định thức $1$ nên giữ nguyên diện tích. Mô hình chuyển trạng thái: khi mỗi cột của ma trận là một phân phối xác suất (cộng dọc bằng $1$), phép nhân lặp $\vec s_{n+1}=T\vec s_n$ đẩy dân số giữa các trạng thái, và hệ thường lắng về trạng thái dừng $T\vec s=\vec s$.

S = 1⟨1,0⟩⟨0,1⟩nhân AS = |det A|cột 1 của Acột 2 của A
Định thức là hệ số diện tích, đọc thẳng từ hình. Hình vuông đơn vị (cạnh $\langle1,0\rangle$ và $\langle0,1\rangle$, diện tích $1$) biến thành hình bình hành có hai cạnh là hai cột của $A$, diện tích đúng bằng $|\det A|$. Vì mọi miền đều xấp xỉ được bằng lưới ô vuông nhỏ, hệ số đó áp cho mọi miền: diện tích $S$ thành $|\det A|\cdot S$. Định thức âm nghĩa là hình còn bị lật (đổi chiều định hướng); định thức $0$ nghĩa là hình bình hành bẹp thành đoạn thẳng.
Ví dụ — ghép hai phép biến hình — thứ tự quyết định kết quả

Cho $A=\begin{pmatrix}1&2\\0&1\end{pmatrix}$ (trượt ngang) và $R=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}$ (quay $90°$ ngược kim đồng hồ). Tìm ma trận của phép "quay trước, trượt sau" và ảnh của điểm $(1,1)$ qua phép đó.

Giải.

Quay trước, trượt sau ⇒ $R$ tác động trước ⇒ ma trận ghép là $AR$ (viết phép làm sau bên trái):

$$AR=\begin{pmatrix}1&2\\0&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\cdot1+2\cdot1 & -1+0\\ 0+1 & 0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2&-1\\1&0\end{pmatrix}$$

Ảnh của $(1,1)$: $\begin{pmatrix}2&-1\\1&0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}$ — điểm này tình cờ đứng yên.

So sánh: $RA=\begin{pmatrix}0&-1\\1&2\end{pmatrix}\neq AR$. Cùng hai phép, đảo thứ tự là ra máy khác — kiểm chứng bằng chính điểm $(1,1)$: $RA\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\3\end{pmatrix}$.

Bẫy hay mất điểm — "Làm $A$ trước rồi $B$" là ma trận $BA$ chứ không phải $AB$ — thứ tự viết ngược với thứ tự làm, vì vectơ bị nhân từ bên phải. Bẫy thứ hai: định thức âm mà lấy nguyên dấu vào diện tích — diện tích lấy $|\det A|$, dấu âm chỉ báo phép lật. Bẫy thứ ba ở mô hình chuyển trạng thái: cột phải cộng bằng $1$, ai dựng ma trận theo hàng là mô hình chạy sai từ bước nhân đầu tiên.
Phải nhớ — Hai cột = ảnh của hai vectơ đơn vị. Ghép phép = nhân ma trận, phép làm trước đứng bên phải. $|\det|$ = hệ số diện tích, $\det=0$ = bẹp và hết đường quay lui. Trạng thái dừng = vectơ $\vec s$ thoả $T\vec s=\vec s$.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Parameters, Vectors, and Matrices gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →