向量空间

  • 向量空间
    • 定义
      • 设 VV 是 Fn\mathrm F^n 的非空子集,如果 VV 满足以下条件,则 VV 是 F\mathrm F 上的向量空间:
        • 对 ∀a,b∈V\forall \boldsymbol a,\boldsymbol b\in V,都有 a+b∈V\boldsymbol a+\boldsymbol b\in V
        • 对 ∀a∈V,k∈F\forall \boldsymbol a\in V,k\in F,都有 ka∈Vk\boldsymbol a\in V
      • 从定义可以看出,向量空间中向量线性运算都是封闭的。
    • 性质
      • 零向量在任何向量空间中。
      • 只有零向量的集合也是向量空间。
      • 向量空间的交空间、和空间也是向量空间。但并空间不一定是是向量空间。
    • 关系
      • 正交
        • 设 V,WV,W 是 Fn\mathrm F^n 的两个子空间,若对于 ∀a∈V,b∈W\forall \boldsymbol a\in V,\boldsymbol b\in W,都有 a⊥b\boldsymbol a\perp\boldsymbol b,则 VV 与 WW 正交。
        • V∩W={0}V\cap W=\{0\}
        • dim⁡V+dim⁡W=dim⁡(V+W)\dim V+\dim W=\dim (V+W)
  • 基
    • 定义
      • 设 Fn\mathrm F^n 的非空子集 VV 是 F\mathrm F 上的向量空间。如果 VV 中的向量组 a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 满足以下两个条件,则 a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 是 VV 的一个基:
        • a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 线性无关;
        • VV 中的任何向量都可以由 a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 线性表示。
      • 定义 VV 的基的向量个数为 VV 的维数,记作 dim⁡V\dim V。
      • {0}\{\boldsymbol 0\} 没有基,所以 dim⁡{0}=0\dim\{\boldsymbol 0\}=0。
      • 如果基中的向量两两正交,则称这个基为正交基。
      • 如果正交基中的向量的长度均为 11,则称这个基为规范正交基。
    • 性质
      • 如果 a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 是 VV 的基,则 V=span⁡(a1,a2,…,am)V=\operatorname{span}(\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m)。
      • 对于 F\mathrm F 上的向量空间 VV 和向量组 a1,a2,…,as∈V\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s\in V,都有 r(a1,a2,…,as)≤dim⁡Vr(\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s)\le \dim V。
      • a1,a2,…,as∈Fn\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s\in \mathrm F^n,则 dim⁡span⁡(a1,a2,…,as)=r(a1,a2,…,as)≤min⁡{n,s}\dim\operatorname{span}(\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s)=r(\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s)\le\min\{n,s\}。
      • 如果 s<ms<m,则 mm 维向量空间 VV 中的任意 ss 个线性无关向量的组成的向量组 a1,a2,…,as\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s 都可以扩充为 VV 一个基。
    • 过渡矩阵
      • 定义
        • 设 a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 和 b1,b2,…,bm\boldsymbol b_1,\boldsymbol b_2,\dots,\boldsymbol b_m 是 mm 维向量空间中的两个基,则两个基中的向量都可以由另一个基线性表示。
        • 若 [b1b2⋯bm]=[a1a2⋯am]Cm×m\begin{bmatrix}\boldsymbol b_1 & \boldsymbol b_2 & \cdots & \boldsymbol b_m\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}\boldsymbol a_1 & \boldsymbol a_2 & \cdots & \boldsymbol a_m\end{bmatrix}C_{m\times m},则称 CC 为基 a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 到基 b1,b2,…,bm\boldsymbol b_1,\boldsymbol b_2,\dots,\boldsymbol b_m 的过渡矩阵。
          • 这个公式被称为基变换公式。
      • 性质
        • 过渡矩阵是唯一的。
        • 过渡矩阵是可逆的,其逆矩阵就是反方向的过渡矩阵。
        • CC 的第 ii 列是 bib_i 的线性组合系数。
    • 坐标
      • 定义
        • 设 a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 是 mm 维向量空间 VV 中的基,x∈V\boldsymbol x\in V,则 x=[a1a2…am][c1c2⋮cm]=Acx=\begin{bmatrix}\boldsymbol a_1 & \boldsymbol a_2 & \dots & \boldsymbol a_m\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\boldsymbol c_1 \\ \boldsymbol c_2 \\ \vdots \\ \boldsymbol c_m\end{bmatrix}=A\boldsymbol c,则 c\boldsymbol c 是 x\boldsymbol x 关于 a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 的坐标。
        • 坐标实际上就是线性组合系数。
      • 性质
        • 向量关于一个基的坐标是唯一的。
        • 坐标是 mm 元向量,但不一定是 VV 中向量的元数 nn,对于所有情况,n≥mn\ge m。
        • 设 xx 关于 a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 的坐标是 c1\boldsymbol c_1,关于 b1,b2,…,bm\boldsymbol b_1,\boldsymbol b_2,\dots,\boldsymbol b_m 的坐标是 c2\boldsymbol c_2,CC 为 a1,a2,…,am\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_m 到 b1,b2,…,bm\boldsymbol b_1,\boldsymbol b_2,\dots,\boldsymbol b_m 的过渡矩阵,则 c2=C−1c1\boldsymbol c_2=C^{-1}\boldsymbol c_1。
          • 这个公式被称为坐标变换公式。
  • 典型向量空间
    • 生成子空间
      • 定义
        • 由向量组 a1,a2,…,as∈V\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s\in V 的所有线性组合组成的集合构成 VV 的子空间,称为 a1,a2,…,as\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s 生成 VV 的子空间,记作 span⁡(a1,a2,…,as)\operatorname{span}(\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s) 或 L(a1,a2,…,as)L(\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s)。
      • 性质
        • span⁡(a1,a2,…,as)=span⁡(b1,b2,…,bt)  ⟺  {a1,a2,…,as}≅{b1,b2,…,bt}\operatorname{span}(\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s)=\operatorname{span}(\boldsymbol b_1,\boldsymbol b_2,\dots,\boldsymbol b_t) \iff \{\boldsymbol a_1,\boldsymbol a_2,\dots,\boldsymbol a_s\}\cong\{\boldsymbol b_1,\boldsymbol b_2,\dots,\boldsymbol b_t\}
    • 列空间
      • 定义
        • 由 m×nm\times n 矩阵 AA 的列生成的子空间,称为 AA 的列空间,记作 C(A)C(A)。
      • 性质
        • Ax=bA\boldsymbol x=\boldsymbol b 有解   ⟺  b∈C(A)\iff \boldsymbol b \in C(A)
        • dim⁡C(A)=r(A)\dim C(A)=r(A)
        • 初等列变换不改变列空间,但初等行变换改变。
    • 零空间
      • 定义
        • 对 m×nm\times n 矩阵 AA,Ax=0A\boldsymbol x=\boldsymbol 0 的所有解构成的集合称为零空间,记作 N(A)N(A)。
      • 性质
        • Ax=0A\boldsymbol x=\boldsymbol 0 无非零解   ⟺  N(A)={0}\iff N(A)=\{\boldsymbol 0\}
        • dim⁡N(A)=n−r(A)\dim N(A)=n-r(A)
        • 初等行变换不改变零空间。
    • 行空间
      • 定义
        • 由 m×nm\times n 矩阵 AA 的行生成的子空间,称为 AA 的列空间,记作 C(AT)C(A^{\mathrm T})。
      • 性质
        • AA 的行空间就是 ATA^{\mathrm T} 的列空间。
        • dim⁡C(AT)=r(A)\dim C(A^{\mathrm T})=r(A)
        • 初等行变换不改变行空间。
        • C(AT)C(A^{\mathrm T}) 与 N(A)N(A) 正交,C(AT)+N(A)=FnC(A^{\mathrm T})+N(A)=\mathrm F^n。