像(变换)
xiàng (biàn huàn)
像是对原图形(原像)施加变换之后得到的图形。
Definition
像是一个图形经过变换后的样子;原图形是原像,经过移动、翻转或缩放后得到的图形是像,通常用带撇号的字母($A'$、$B'$、$C'$)标注,表明它来自原像。严格地说,图形 $F$ 在变换 $T$ 下的像是集合 $T(F) = \{T(P) : P \in F\}$;对于刚体运动,像与原像全等,对于位似变换,像与原像相似。对于变换 $T: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^2$,线性映射的像是其列空间(值域),对于一般的可微映射,正则点附近的像可以用线性化(雅可比矩阵)的像来近似;如果某点处雅可比矩阵可逆,反函数定理保证像在局部是一条光滑曲线。
Example
把三角形 $ABC$ 沿y轴反射,$ABC$ 是原像,新三角形 $A'B'C'$ 是像。在平移 $T(x,y) = (x+2, y-3)$ 下,从 $(1,4)$ 到 $(5,4)$ 的线段的像是从 $(3,1)$ 到 $(7,1)$ 的线段,长度不变($4$ 个单位),但位置改变了。单位圆在线性映射 $T(x,y) = (2x, y)$ 下的像是椭圆 $\{(x,y) : (x/2)^2 + y^2 = 1\}$,雅可比矩阵为 $\begin{bmatrix}2&0\\0&1\end{bmatrix}$,行列式为 $2$,所以面积按因子 $2$ 缩放。
Key Insight
把"撇号"理解为"变换之后":读撇号就能知道它源自哪个原始的点。变换几何中的"像"一词与函数记号中的用法相同:如果 $f(x) = 2x$,那么 $x=3$ 的像就是 $f(3)=6$,同样地,如果 $T$ 是一个几何变换,点 $A$ 的像就是 $T(A)$,几何和代数使用了完全相同的语言。