邓嘉驹
资料/高等线性代数

向量空间

第 2 章 · 4 节

2.1向量空间及其子空间

本节我们首先介绍向量空间的概念,并引出其子结构。

定义 2.1 (向量空间)

设为域,其元素称为标量(scalar)。 上的向量空间(vector space)是一个非空集合,其元素称为向量(vector)。 在该集合上定义了两种运算: 第一种运算称为加法(addition),用“”表示,该运算为中每一对向量赋予中的一个向量; 第二种运算称为标量乘法(scalar multiplication),用并置表示,该运算为每一对赋予中的一个向量。 此外,上述运算还需要满足下列性质。

  1. 在加法下构成Abelian群;

  2. 对于任意和任意,标量乘法满足

    1. 分配律:且;

    2. 结合律:;

    3. 单位元存在性:存在向量使得。

注

在域上的向量空间有时也称为-空间(-space),在实数域上的向量空间称为实向量空间(real vector space),在复数域上的向量空间则称为复向量空间(complex vector space)。

定义 2.2 (线性组合)

设为向量空间的一个非空子集,则上向量的线性组合(linear combination)具有形式,其中且。 标量称为线性组合的系数(coefficient)。 若每个系数均为零,则称该线性组合平凡(trivial),否则称其非平凡(nontrivial)。

注

需要注意的是,线性组合在定义上天然要求参与求和的项数有限,因此级数展开并不属于线性组合。

例 2.1
  1. 设为域,则所有从到的函数集合是上的一个向量空间,其加法和标量乘法分别定义为

    (2.1.1)
  2. 所有元素取自的矩阵集合构成上的一个向量空间,其加法和标量乘法为通常的矩阵加法和标量乘法;

  3. 所有元素取自的元组构成上的一个向量空间,其加法和标量乘法按分量定义:

    (2.1.2)

    为了简便,我们也用列向量的形式写出中的元素;

  4. 所有元素取自域的无穷序列构成的集合是一个向量空间,其运算也按分量定义

    (2.1.3)

    类似地,所有收敛到0的复数列构成的集合、所有有界复数列构成的集合、所有满足(为正整数)的复数列构成的集合,均构成一个向量空间。

定义 2.3 (子空间)

设是的一个子集,若将上的运算限制在上,并且在该运算下构成向量空间,则称是的一个子空间(subspace)。 通常用表示是的子空间,而用表示是的真子空间(proper subspace),即但。 的零子空间(zero subspace)为。

由于加法与标量乘法的性质在非空子集中必然成立,因此可通过在的运算下是否封闭确定其是否构成一个子空间。 我们有如下结果。

命题 2.1

向量空间的非空子集构成的一个子空间当且仅当在加法和标量乘法下封闭,或者等价地,在线性组合下封闭,即

(2.1.4)

向量空间的所有子空间构成的集合在集合包含意义下构成偏序集。 零空间是中最小的元素,而全空间是最大的元素。 若,则是中同时包含于和的最大子空间。 就集合包含而言,为和的下确界,记作; 类似地,若为的任一子空间族,那么其交集为子空间的下确界。 另一方面,若且无限,那么当且仅当或。 那么为了确定内包含和的最小子空间,我们引出如下定义。

定义 2.4 (子空间的和)

设和为的子空间,其和定义为。 更一般地,任意子空间族的和为所有来自并集的向量的有限和构成的集合,即

(2.1.5)

其中是某个子空间内的向量嵌入更大向量空间后的表示。

不难验证内任意子空间族的和为的一个子空间,并且就集合包含而言,该和为上确界,即。 更一般地,。 若偏序集具有每对元素均具有上确界和下确界的性质,则称为格(lattice)。 若具有最小元和最大元(存在即唯一),并且每个元素族均有上确界和下确界,则称为完全格(complete lattice)。 因此我们有如下结论。

命题 2.2 (子空间格)

向量空间的所有子空间构成的集合在集合包含下构成完全格,其最小元为、最大元为,即

(2.1.6)

2.2生成集与线性无关

定义 2.5 (生成集)

由中一个向量积张成(span)或生成(generate)的子空间为中所有线性组合构成的集合,即

(2.2.1)

当是一个有限集时,我们用符号或表示。 若,则称中的集合张成/生成,即每个可写为

(2.2.2)
注

显然任何生成集的超集(superset)均为生成集,并且所有向量都具有生成集(自身作为生成集)。

定义 2.6 (线性无关与线性相关)

对于中非空向量集中的任意元素,若其满足

(2.2.3)

则称线性无关(linearly independent); 反之称其线性相关(linearly dependent)。

注

根据上述定义,线性无关集的任意非空子集也是线性无关的。

命题 2.3

设为内的向量集,则下列表述等价:

  1. 线性无关;

  2. 中每个向量可唯一表示为内向量的线性组合;

  3. 内没有向量可表示为其余向量的线性组合。

证明
  1. 若表述1成立,对于任意向量,若存在的两组向量和上的两组系数使得

    (2.2.4)

    当时,则自然所有系数均为零,该平凡表示唯一; 反之存在指标和使得,其中非零,则将其移到等式右边,合并得到项。 如此操作后得到形如的等式,其中所有和均线性无关。 因此和对所有系数成立,从而该表示唯一;

  2. 若表述2成立,假设存在使得对某组成立,其中为内其余向量。 那么内的零向量至少存在两种表示: 和,矛盾。 因此表述3成立;

  3. 若表述3成立,那么对于内的向量,存在使得。 假设存在某个,那么,这与表述3矛盾。 因此所有,即线性无关。

有了上述结果,我们可将生成集与线性无关的概念相联系。

定理 2.1

设为内的向量积,则下列表述等价:

  1. 线性无关且张成;

  2. 对于每个向量,存在内唯一向量集以及中唯一的标量集,使得;

  3. 是极小生成集(minimal spanning set),即可张成,但任意的真子集均无法张成;

  4. 是极大线性无关集(maximal linearly independent set),即线性无关,但的真超集线性相关。

证明

根据命题 2.3,显然表述1和2等价。

  1. 若表述1成立,已知可张成,不妨假设存在,使得且线性无关。 那么对于而言,存在内唯一向量集和上唯一标量集,使得。 但这与线性无关矛盾,故任意的真子集无法张成,表述3成立; 反之若存在内的向量可表示为其余向量的线性组合,记为,那么对于任意,存在使得

    (2.2.5)

    这与条件矛盾,因此线性无关;

  2. 若表述1成立,则对于任意,存在使得,其中。 可见线性相关,即的任意真超集线性相关; 反之若存在向量不属于,那么也是线性无关集,矛盾。 因此表述1成立。

根据此结果,我们可以定义向量空间的基。

定义 2.7 (基)

向量空间中满足定理 2.1的任一条件的向量集称为的基(basis)。

例 2.2

中的第个标准向量(standard vector)时除了第个坐标为1、其余坐标为0的向量,例如。 集合称为的标准基(standard basis)。

作为Zorn引理的直接结论,每个向量空间都有一组基。

定理 2.2

设为非空向量空间,为中的线性无关集,为包含的一个生成集,则存在的一组基使得。 特别地,

  1. 任意向量空间(除去零空间)具有一组基;

  2. 中任意线性无关集包含在一组基内;

  3. 中任意生成集包含一组基。

证明

记中包含且包含于的所有线性无关子集构成的集族为。 由于,故非空。 若为内的一条链,则其并集,否则存在指标使得,这与条件矛盾。 根据Zorn引理(定理 1.1),内的每条链都具有属于的一个上界,因此必然包含一个极大元,且同样线性无关,因此。 此时仍需证明1可张成。 假设存在向量使得,根据命题 2.3,线性无关,但这与是极大元的事实矛盾。 因此,由定理 2.1,是内一组基。 任意向量空间内任意向量自身构成一个线性无关集,同时全空间构成一个生成集,从而该空间总是具有一组基; 剩余结论显然。

2.3向量空间的维数

有了基的概念之后,几个很自然的问题是: 一个向量空间内是否存在不止一组基? 这些基之间具有什么关系? 为了解答这些疑问,我们介绍一个引理。

引理 2.1

设为向量空间,向量线性无关且张成,则。

证明

我们将移至生成集内,则可表示为的线性组合,其中至少一个的系数为零。 不妨设该元素为(若不为,则将元素重排),那么可将剔除,替换为,从而构成新的生成集。 再将移至新的生成集内,则可表示为的线性组合,其中至少一个的系数为零,否则对某个成立。 设为,将剔除并替换为,得到新的生成集,依此类推。 若,则最终所有耗尽,得到生成集和剩余线性无关集,但线性无关性要求(命题 2.3),这与生成集的要求矛盾,故。

定理 2.3

若为向量空间,则中任意两组基具有相同的基数。

证明

对于有限生成的及其两组基和,引理 2.1要求且,进而。 对于无穷集,设为的一组基,而为另一组基,则其中任一元素可表示为中向量的线性组合,即存在有限指标集和使得。 显然,不妨假设存在指标,那么中的元素均可表示为中元素的线性组合,进而。 但,矛盾。 因此。 由于可表示为内向量的线性组合,故。 根据命题 1.4和命题 1.6,

(2.3.1)

其中已利用是最小无穷势的事实。 类似地,,进而。

由此我们可以正式引入向量空间的维数的定义。

定义 2.8 (向量空间的维数)

若向量空间为零空间或具有有限个数的基,则称其有限维(finite-dimensional); 其余所有向量空间都是无穷维的(infinite-dimensional)。 零空间的维数是0,任意非零向量空间的维数定义为中任一组基的基数。 换言之,若向量空间有一组基数为的基,则称是维的(-dimensional),记作。

即便有了维数的概念,有时在一组基下的表示在重排的意义下也是不唯一的,由此引出如下概念。

定义 2.9 (有序基)

设为维向量空间,则的一组有序基(ordered basis)为有序元向量组,其中集合为的一组基。

若为的一组有序基,那么对于每个,总存在唯一有序元标量组,满足。 据此我们可定义坐标映射(coordinate map)

(2.3.2)

其中列向量是熟知的关于有序基的坐标矩阵(coordinate matrix)。 显然,知道等价于知道了。

2.4外直和与内直和

在本节中,我们会介绍一种从旧向量空间构建新向量空间的方式: 直和。 张量积我们将放在附录第该章未收录章介绍。

4.1 外直和

定义 2.10 (外直和)

设为域上的向量空间,则的外直和(external direct product)构成一个新的向量空间,其元素为有序元组:

(2.4.1)

其按分量定义的运算为

(2.4.2)
例 2.3

向量空间为个副本的外直和,即。

定义 2.11 (直积)

设为域上的向量空间族,则的直积(direct sum)为向量空间

(2.4.3)

其被视为所有从到的函数构成的向量空间的子空间。

有了直积的概念,我们就可以引入支撑集的概念。

定义 2.12 (支撑集)

设为域上的向量空间族,则函数的支撑集(support)定义为集合。 若函数除去有限个指标外均取值为0,则称具有有限支撑(finite support)。 族的外直和为向量空间

(2.4.4)

其可视为所有从到的函数构成的向量空间的子空间。

注

对于向量空间的有限族(即指标集有限),直积与外直和相同。

4.2 内直和

定义 2.13 (内直和)

设为向量空间,对于的子空间族,若内的每个向量均可以唯一(不考虑顺序)写为中子空间内向量的有限和,则称是的内直和(internal dircet sum),简称为直和。 换言之,对于任意内的向量,若存在使得,则重排后且对所有成立。 若是的直和,那么记,并称每个为的直和项(direct summand)。 若为有限族,记。 若,则称为中的补空间(complement)。

注

后面我们将证明内直和与外直和本质上是等价(同构)的。 出于这个考虑,我们不加限定地采用术语“直和”。

定理 2.4

任意向量空间的子空间都具有补空间,即如果为的子空间,则存在子空间使得。

证明

设的一组基为,那么根据定理 2.2,存在中包含的一组基,记且。 首先有,因此。 对于向量,存在,使得,即。 由于是的基,故对所有成立,进而。 综上,存在子空间,使得。

定理 2.5

向量空间可表示为子空间族的直和当且仅当

  1. 为的和:;

  2. 对于每个,。

证明

根据直和的定义,充分性是显然的; 反之对于必要性,中任意两个不同的子空间和满足,因此,结论得证。

在本节的最后,我们给出几条与向量空间的基与维数的结论。

定理 2.6

设为向量空间。

  1. 若为的一组基,同时且,那么;

  2. 设,若和分别为和的一组基,那么,并且构成的一组基。

证明
  1. 设,其中。 那么对于任意,存在,使得

    (2.4.5)

    另外,考虑,存在使得,即。 因此对所有指标成立,即;

  2. 同上设和,假设存在,那么,但零向量与其余任意向量均线性相关,这与和为基矛盾,因此。 另外,对于任意,存在和,使得,即生成。 假设线性相关,即存在和,使得。 若,设该表达式中分别属于和的向量对应的指标集分别为和,那么,因此对所有成立。 此时,这与为基的条件矛盾; 若,类似分析可知其与为基他的条件矛盾。 因此线性无关,根据定理 2.1,为的一组基。

推论 2.1

中的有限向量集为基当且仅当。

证明

充分性是显然的; 对于必要性,首先设,那么且为的基。 若存在非零和,使得,那么至少存在一个,进而,即,矛盾。 因此线性无关,构成的一组基。 利用上述定理,构成的一组基。

定理 2.7

设和为向量空间的子空间,则

(2.4.6)

特别地,若为在中的补空间,则。

证明

设为的一组基。 根据定理 2.2,可将分别扩张为子空间和内的基和,其中和与均不相交。 显然有。 考虑线性组合

(2.4.7)

同时,因此。 根据定理 2.6,,从而。 利用的线性无关性,对所有成立。 类似地,对所有成立,进而对所有成立。 可见线性无关。 根据定理 2.2,是的一组基。 结合基数算术的定义,

(2.4.8)
注

需要强调的是,只有当维数有限时,上述结论才可写为,因为无穷势的减法未定义。

  1. 由于是包含于的极大线性无关集,不能直接采用定理 2.1的结论