线性空间
性质(判断是否是线性空间的依据)
定义 5.1.1 设 V V V 是一个非空集合,F F F 是一个数域. 在集合 V V V 的元素之间定义了一种运算,叫做加法,即对于 V V V 中任意两个元素 α \alpha α 与 β \beta β ,在 V V V 中都有唯一的一个元素 γ \gamma γ 与之对应,称为 α \alpha α 与 β \beta β 的和,记为 γ = α + β \gamma = \alpha + \beta γ = α + β ;在数域 F F F 与集合 V V V 中的元素之间还定义了一种运算,叫做数乘,即对于数域 F F F 中任一数 k k k 与集合 V V V 中任一元素 α \alpha α ,在 V V V 中都有唯一的一个元素 δ \delta δ 与它们对应,称为 k k k 与 α \alpha α 的数量乘法,记为 δ = k α \delta = k\alpha δ = k α ,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 α + β = β + α ;
(2) 加法结合律 ( α + β ) + γ = α + ( β + γ ) (\alpha + \beta) + \gamma = \alpha + (\beta + \gamma) ( α + β ) + γ = α + ( β + γ ) ;
(3) 存在“零元 ”,即存在 0 ∈ V \mathbf{0} \in V 0 ∈ V ,使得 ∀ α ∈ V , 0 + α = α \forall \alpha \in V, \ \mathbf{0} + \alpha = \alpha ∀ α ∈ V , 0 + α = α ;
(4) 存在负元 ,即 ∀ α ∈ V \forall \alpha \in V ∀ α ∈ V ,存在 β ∈ V \beta \in V β ∈ V ,使得 α + β = 0 \alpha + \beta = \mathbf{0} α + β = 0 ;
(5) 1 ⋅ α = α 1 \cdot \alpha = \alpha 1 ⋅ α = α ;
(6) 数乘结合律 ( k l ) α = k ( l α ) = l ( k α ) (kl)\alpha = k(l\alpha) = l(k\alpha) ( k l ) α = k ( l α ) = l ( k α ) ;
(7) 分配律 ( k + l ) α = k α + l α (k + l)\alpha = k\alpha + l\alpha ( k + l ) α = k α + l α ;
(8) 分配律 k ( α + β ) = k α + k β k(\alpha + \beta) = k\alpha + k\beta k ( α + β ) = k α + k β ,
基变换与坐标变换
过渡矩阵
ε 1 , ε 2 , ⋯ , ε n \varepsilon_1, \varepsilon_2, \cdots, \varepsilon_n ε 1 , ε 2 , ⋯ , ε n 和 η 1 , η 2 , ⋯ , η n \eta_1, \eta_2, \cdots, \eta_n η 1 , η 2 , ⋯ , η n 是 V V V 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 ε 1 , ε 2 , ⋯ , ε n \varepsilon_1, \varepsilon_2, \cdots, \varepsilon_n ε 1 , ε 2 , ⋯ , ε n 到基 η 1 , η 2 , ⋯ , η n \eta_1, \eta_2, \cdots, \eta_n η 1 , η 2 , ⋯ , η n 的过渡矩阵 .
基变换公式
η = A ε \mathbf{\eta} = A\mathbf{\varepsilon} η = A ε ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) = ( ε 1 , ε 2 , ⋯ , ε n ) A (x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n})=(\varepsilon_{1}, \varepsilon_{2}, \cdots, \varepsilon_{n})A ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) = ( ε 1 , ε 2 , ⋯ , ε 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
运算
子空间的交 V 1 ∩ V 2 = { v ∣ v ∈ V 1 且 v ∈ V 2 } V_1 \cap V_2 = \{v \mid v \in V_1 \text{ 且 } v \in V_2\} V 1 ∩ V 2 = { v ∣ v ∈ V 1 且 v ∈ V 2 }
子空间的和 V 1 + V 2 = { v 1 + v 2 ∣ v 1 ∈ V 1 , v 2 ∈ V 2 } V_1 + V_2 = \{v_1 + v_2 \mid v_1 \in V_1, v_2 \in V_2\} V 1 + V 2 = { v 1 + v 2 ∣ v 1 ∈ V 1 , v 2 ∈ V 2 }
子空间的直和 V 1 + V 2 V_1 + V_2 V 1 + V 2 中每个向量 α \mathbf{\alpha} α 的分解式α = α 1 + α 2 , α 1 ∈ V 1 , α 2 ∈ V 2 \mathbf{\alpha} = \mathbf{\alpha}_1 + \mathbf{\alpha}_2, \quad \mathbf{\alpha}_1 \in V_1, \ \mathbf{\alpha}_2 \in V_2 α = α 1 + α 2 , α 1 ∈ V 1 , α 2 ∈ V 2 唯一, 则称V 1 + V 2 V_1 + V_2 V 1 + V 2 为直和 ,记为 V 1 ⊕ V 2 V_1 \oplus V_2 V 1 ⊕ V 2 .
L ( α 1 , α 2 , ⋯ , α s ) + L ( β 1 , β 2 , ⋯ , β t ) = L ( α 1 , α 2 , ⋯ , α s , β 1 , β 2 , ⋯ , β t ) . 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). L ( α 1 , α 2 , ⋯ , α s ) + L ( β 1 , β 2 , ⋯ , β t ) = L ( α 1 , α 2 , ⋯ , α s , β 1 , β 2 , ⋯ , β t ) . 直和判断的充分必要条件
定理 5.4.6 设 V 1 V_1 V 1 与 V 2 V_2 V 2 是 V V V 的两个子空间,若 W = V 1 + V 2 W = V_1 + V_2 W = V 1 + V 2 ,则下述结论等价:
(1) W = V 1 + V 2 W = V_1 + V_2 W = V 1 + V 2 是直和;
(2) 如果 α 1 + α 2 = 0 , α i ∈ V i ( i = 1 , 2 ) \mathbf{\alpha}_1 + \mathbf{\alpha}_2 = \mathbf{0}, \ \mathbf{\alpha}_i \in V_i (i = 1,2) α 1 + α 2 = 0 , α i ∈ V i ( i = 1 , 2 ) ,那么 α 1 = α 2 = 0 \mathbf{\alpha}_1 = \mathbf{\alpha}_2 = \mathbf{0} α 1 = α 2 = 0 ;
(3) V 1 ∩ V 2 = { 0 } V_1 \cap V_2 = \{\mathbf{0}\} V 1 ∩ V 2 = { 0 } ;
(4) 如果 α 1 , α 2 , ⋯ , α s \mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \cdots, \mathbf{\alpha}_s α 1 , α 2 , ⋯ , α s 是 V 1 V_1 V 1 的一组基,β 1 , β 2 , ⋯ , β t \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_t β 1 , β 2 , ⋯ , β t 是 V 2 V_2 V 2 的一组基,那么 α 1 , α 2 , ⋯ , α s , β 1 , β 2 , ⋯ , β t \mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \cdots, \mathbf{\alpha}_s, \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_t α 1 , α 2 , ⋯ , α s , β 1 , β 2 , ⋯ , β t 是 W W W 的一组基;
(5) dim W = dim V 1 + dim V 2 \dim W = \dim V_1 + \dim V_2 dim W = dim V 1 + dim V 2 .
维数与基
L ( α 1 , α 2 , ⋯ , α r ) L(\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \cdots, \mathbf{\alpha}_r) L ( α 1 , α 2 , ⋯ , α r ) 的维数 等于向量组 α 1 , α 2 , ⋯ , α r \mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \cdots, \mathbf{\alpha}_r α 1 , α 2 , ⋯ , α r 的秩 .
与运算结合 :
定理 5.4.5(维数公式) 设 V V V 为有限维线性空间,V 1 , V 2 V_1, V_2 V 1 , V 2 为 V V V 的子空间,则
dim ( V 1 + V 2 ) = dim V 1 + dim V 2 − dim ( V 1 ∩ V 2 ) . ( 5.4.4 ) \dim(V_1 + V_2) = \dim V_1 + \dim V_2 - \dim(V_1 \cap V_2). \quad (5.4.4) dim ( V 1 + V 2 ) = dim V 1 + dim V 2 − dim ( V 1 ∩ V 2 ) . ( 5.4.4 ) 如果是直和
dim ( W ) = dim V 1 + dim V 2 \dim(W) = \dim V_1 + \dim V_2 dim ( W ) = dim V 1 + dim V 2 ,其中W = V 1 + V 2 W = V_1 + V_2 W = V 1 + V 2 是直和
例题
例 1 已知 R 4 \mathbb{R}^4 R 4 中向量 (P201: 4)
α 1 = ( 1 , 2 , 1 , 0 ) , α 2 = ( − 1 , 1 , 1 , 1 ) ; β 1 = ( 2 , − 1 , 0 , 1 ) , β 2 = ( 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), α 1 = ( 1 , 2 , 1 , 0 ) , α 2 = ( − 1 , 1 , 1 , 1 ) ; β 1 = ( 2 , − 1 , 0 , 1 ) , β 2 = ( 1 , − 1 , 3 , 7 ) , 子空间 V 1 = L ( α 1 , α 2 ) , V 2 = L ( β 1 , β 2 ) , V_1 = L(\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2), \ V_2 = L(\mathbf{\beta}_1, \mathbf{\beta}_2), V 1 = L ( α 1 , α 2 ) , V 2 = L ( β 1 , β 2 ) ,
(1) 求 V 1 + V 2 V_1 + V_2 V 1 + V 2 的一组基和维数.
步骤:
V 1 + V 2 = L ( α 1 , α 2 , β 1 , β 2 ) V_{1}+V_{2}=L(\alpha_{1},\alpha_{2},\beta_{1},\beta_{2}) V 1 + V 2 = L ( α 1 , α 2 , β 1 , β 2 )
写出以 α 1 , α 2 , β 1 β 2 \alpha_{1},\alpha_{2},\beta_{1}\beta_{2} α 1 , α 2 , β 1 β 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) V 1 + V 2 = L ( α 1 , α 2 , β 1 , β 2 ) V_1 + V_2 = L(\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1, \mathbf{\beta}_2) V 1 + V 2 = L ( α 1 , α 2 , β 1 , β 2 )
对以 α 1 , α 2 , β 1 , β 2 \mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1, \mathbf{\beta}_2 α 1 , α 2 , β 1 , β 2 为列向量的矩阵 A \mathbf{A} 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} B 知,α 1 , α 2 , β 1 \mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1 α 1 , α 2 , β 1 (或 α 1 , α 2 , β 2 \mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_2 α 1 , α 2 , β 2 )为 α 1 , α 2 , β 1 , β 2 \mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1, \mathbf{\beta}_2 α 1 , α 2 , β 1 , β 2 的一个极大无关组.
V 1 + V 2 = L ( α 1 , α 2 , β 1 ) V_1 + V_2 = L(\mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1) V 1 + V 2 = L ( α 1 , α 2 , β 1 ) 为 3 维的,α 1 , α 2 , β 1 \mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_1 α 1 , α 2 , β 1 (或 α 1 , α 2 , β 2 \mathbf{\alpha}_1, \mathbf{\alpha}_2, \mathbf{\beta}_2 α 1 , α 2 , β 2 )为其一组基.
(2) 求 V 1 ∩ V 2 V_1 \cap V_2 V 1 ∩ V 2 的一组基和维数.
步骤:
γ = k 1 α 1 + k 2 α 2 = l 1 β 1 + l 2 β 2 \mathbf{\gamma} = k_1\mathbf{\alpha}_1 + k_2\mathbf{\alpha}_2 = l_1\mathbf{\beta}_1 + l_2\mathbf{\beta}_2 γ = k 1 α 1 + k 2 α 2 = l 1 β 1 + l 2 β 2
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