数学

线性空间

2026-05-29 #线性空间#向量空间

线性空间

性质(判断是否是线性空间的依据)

定义 5.1.1 设 VV 是一个非空集合,FF 是一个数域. 在集合 VV 的元素之间定义了一种运算,叫做加法,即对于 VV 中任意两个元素 α\alpha 与 β\beta,在 VV 中都有唯一的一个元素 γ\gamma 与之对应,称为 α\alpha 与 β\beta 的和,记为 γ=α+β\gamma = \alpha + \beta;在数域 FF 与集合 VV 中的元素之间还定义了一种运算,叫做数乘,即对于数域 FF 中任一数 kk 与集合 VV 中任一元素 α\alpha,在 VV 中都有唯一的一个元素 δ\delta 与它们对应,称为 kk 与 α\alpha 的数量乘法,记为 δ=kα\delta = k\alpha,如果两种运算满足如下性质:

(1) 加法交换律 α+β=β+α\alpha + \beta = \beta + \alpha;

(2) 加法结合律 (α+β)+γ=α+(β+γ)(\alpha + \beta) + \gamma = \alpha + (\beta + \gamma);

(3) 存在“零元”,即存在 0∈V\mathbf{0} \in V,使得 ∀α∈V, 0+α=α\forall \alpha \in V, \ \mathbf{0} + \alpha = \alpha;

(4) 存在负元,即 ∀α∈V\forall \alpha \in V,存在 β∈V\beta \in V,使得 α+β=0\alpha + \beta = \mathbf{0};

(5) 1⋅α=α1 \cdot \alpha = \alpha;

(6) 数乘结合律 (kl)α=k(lα)=l(kα)(kl)\alpha = k(l\alpha) = l(k\alpha);

(7) 分配律 (k+l)α=kα+lα(k + l)\alpha = k\alpha + l\alpha;

(8) 分配律 k(α+β)=kα+kβk(\alpha + \beta) = k\alpha + k\beta,

基变换与坐标变换

过渡矩阵

ε1,ε2,⋯ ,εn\varepsilon_1, \varepsilon_2, \cdots, \varepsilon_n 和 η1,η2,⋯ ,ηn\eta_1, \eta_2, \cdots, \eta_n 是 VV 的两组基,且

$$\begin{cases} \eta_1 = a_{11}\varepsilon_1 + a_{21}\varepsilon_2 + \cdots + a_{n1}\varepsilon_n, \\ \eta_2 = a_{12}\varepsilon_1 + a_{22}\varepsilon_2 + \cdots + a_{n2}\varepsilon_n, \\ \cdots\cdots \\ \eta_n = a_{1n}\varepsilon_1 + a_{2n}\varepsilon_2 + \cdots + a_{nn}\varepsilon_n. \end{cases} \quad (5.3.1)$$

将式 (5.3.1) 写成矩阵形式

$$(\eta_1, \eta_2, \cdots, \eta_n) = (\varepsilon_1, \varepsilon_2, \cdots, \varepsilon_n) \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \end{pmatrix}. \quad (5.3.2)$$

这也就是基变换公式。

定义 5.3.1 我们称式 (5.3.2) 中的矩阵

$$A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \end{pmatrix}$$

为从基 ε1,ε2,⋯ ,εn\varepsilon_1, \varepsilon_2, \cdots, \varepsilon_n 到基 η1,η2,⋯ ,ηn\eta_1, \eta_2, \cdots, \eta_n 的过渡矩阵.

基变换公式

η=Aε\mathbf{\eta} = A\mathbf{\varepsilon}
(x1,x2,⋯ ,xn)=(ε1,ε2,⋯ ,εn)A(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n})=(\varepsilon_{1}, \varepsilon_{2}, \cdots, \varepsilon_{n})A

坐标变换公式

$$\mathbf{x} = A\mathbf{x}'$$ $$(x_{1},x_{2}, \cdots, x_{n})=A(x'_{1}, x'_{2}, \cdots, x'_{n})$$

线性子空间

判断

  • 加法封闭

  • 数乘封闭

运算

  • 子空间的交 V1∩V2={v∣v∈V1 且 v∈V2}V_1 \cap V_2 = \{v \mid v \in V_1 \text{ 且 } v \in V_2\}

  • 子空间的和 V1+V2={v1+v2∣v1∈V1,v2∈V2}V_1 + V_2 = \{v_1 + v_2 \mid v_1 \in V_1, v_2 \in V_2\}

    • 子空间的直和 V1+V2V_1 + V_2 中每个向量 α\mathbf{\alpha} 的分解式α=α1+α2,α1∈V1, α2∈V2\mathbf{\alpha} = \mathbf{\alpha}_1 + \mathbf{\alpha}_2, \quad \mathbf{\alpha}_1 \in V_1, \ \mathbf{\alpha}_2 \in V_2 唯一, 则称V1+V2V_1 + V_2为直和,记为 V1⊕V2V_1 \oplus V_2.
L(α1,α2,⋯ ,αs)+L(β1,β2,⋯ ,βt)=L(α1,α2,⋯ ,αs,β1,β2,⋯ ,βt).L(\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \cdots, \mathbf{\alpha}_s) + L(\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_t) = L(\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \cdots, \mathbf{\alpha}_s, \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_t).

直和判断的充分必要条件

定理 5.4.6 设 V1V_1 与 V2V_2 是 VV 的两个子空间,若 W=V1+V2W = V_1 + V_2,则下述结论等价:

(1) W=V1+V2W = V_1 + V_2 是直和;

(2) 如果 α1+α2=0, αi∈Vi(i=1,2)\mathbf{\alpha}_1 + \mathbf{\alpha}_2 = \mathbf{0}, \ \mathbf{\alpha}_i \in V_i (i = 1,2),那么 α1=α2=0\mathbf{\alpha}_1 = \mathbf{\alpha}_2 = \mathbf{0};

(3) V1∩V2={0}V_1 \cap V_2 = \{\mathbf{0}\};

(4) 如果 α1,α2,⋯ ,αs\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \cdots, \mathbf{\alpha}_s 是 V1V_1 的一组基,β1,β2,⋯ ,βt\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_t 是 V2V_2 的一组基,那么 α1,α2,⋯ ,αs,β1,β2,⋯ ,βt\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \cdots, \mathbf{\alpha}_s, \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_t 是 WW 的一组基;

(5) dim⁡W=dim⁡V1+dim⁡V2\dim W = \dim V_1 + \dim V_2.

维数与基

L(α1,α2,⋯ ,αr)L(\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \cdots, \mathbf{\alpha}_r) 的维数等于向量组 α1,α2,⋯ ,αr\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \cdots, \mathbf{\alpha}_r 的秩.

与运算结合 :

定理 5.4.5(维数公式) 设 VV 为有限维线性空间,V1,V2V_1, V_2 为 VV 的子空间,则

dim⁡(V1+V2)=dim⁡V1+dim⁡V2−dim⁡(V1∩V2).(5.4.4)\dim(V_1 + V_2) = \dim V_1 + \dim V_2 - \dim(V_1 \cap V_2). \quad (5.4.4)

如果是直和

dim⁡(W)=dim⁡V1+dim⁡V2\dim(W) = \dim V_1 + \dim V_2
,其中W=V1+V2W = V_1 + V_2是直和

例题

例 1 已知 R4\mathbb{R}^4 中向量 (P201: 4)

α1=(1,2,1,0), α2=(−1,1,1,1); β1=(2,−1,0,1), β2=(1,−1,3,7),\mathbf{\alpha}_1 = (1, 2, 1, 0), \ \mathbf{\alpha}_2 = (-1, 1, 1, 1); \ \mathbf{\beta}_1 = (2, -1, 0, 1), \ \mathbf{\beta}_2 = (1, -1, 3, 7),

子空间 V1=L(α1,α2), V2=L(β1,β2),V_1 = L(\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2), \ V_2 = L(\mathbf{\beta}_1, \mathbf{\beta}_2),

(1) 求 V1+V2V_1 + V_2 的一组基和维数.

步骤:

  • V1+V2=L(α1,α2,β1,β2)V_{1}+V_{2}=L(\alpha_{1},\alpha_{2},\beta_{1},\beta_{2})

  • 写出以 α1,α2,β1β2\alpha_{1},\alpha_{2},\beta_{1}\beta_{2} 为列向量的矩阵

  • 对矩阵进行实行行变换,化成行最简形

  • 秩=维数,主元列为基(与求极大线性无关组一致)

解:(1) V1+V2=L(α1,α2,β1,β2)V_1 + V_2 = L(\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1, \mathbf{\beta}_2)

对以 α1,α2,β1,β2\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1, \mathbf{\beta}_2 为列向量的矩阵 A\mathbf{A} 作初等行变换

$$\mathbf{A} = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 2 & 1 & -1 & -1 \\ 1 & 1 & 0 & 3 \\ 0 & 1 & 1 & 7 \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 3 & -5 & -3 \\ 0 & 2 & -2 & 2 \\ 0 & 1 & 1 & 7 \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & -2 & -6 \\ 0 & 1 & -1 & 1 \\ 0 & 0 & 2 & 6 \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & -1 \\ 0 & 1 & 0 & 4 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} = \mathbf{B}$$

由 B\mathbf{B} 知,α1,α2,β1\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1 (或 α1,α2,β2\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_2)为 α1,α2,β1,β2\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1, \mathbf{\beta}_2 的一个极大无关组.

V1+V2=L(α1,α2,β1)V_1 + V_2 = L(\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1) 为 3 维的,α1,α2,β1\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1 (或 α1,α2,β2\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_2)为其一组基.

(2) 求 V1∩V2V_1 \cap V_2 的一组基和维数.

步骤:

  • 设向量γ\gamma 是 V1V_{1} 和 V2V_{2} 中的向量

  • 分别用 V1V_{1} 和 V2V_{2} 的基表示γ\gamma

  • 移项,使右侧全部为零

γ=k1α1+k2α2=l1β1+l2β2\mathbf{\gamma} = k_1\mathbf{\alpha}_1 + k_2\mathbf{\alpha}_2 = l_1\mathbf{\beta}_1 + l_2\mathbf{\beta}_2


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