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对偶

线性泛函

线性泛函(linear functional)实际上是特指从某个向量空间 V 到标量空间的线性映射,即 L(V,F) 中的元素。

对偶空间

对偶空间(dual space)就是某个向量空间 V 上所有的线性泛函所构成的向量空间,记作 V ,根据定义:

V=L(V,F)

有限维的情况下,对偶空间的维数实际上就等于向量空间的维数,即:

dimV=dimV

对偶基

v1,,vn 都是向量空间 V 的基,则 v1,,vn对偶基(dual basis)便是 V 中对应数量的元素 φ1,,φn ,其中第 j 个线性泛函 φj 对于 V 的任意基 vk 的映射关系为:

φj(vk)={1,k=j,0,kj.

虽然对偶基本的定义是从原向量空间的基出发的,但对偶基实际上也是对偶空间的基。

对偶映射

若对于向量空间 V,M 有线性映射 TL(V,W),则 T对偶映射(dual map)是一个线性映射 T=L(W,V),且该映射对于任意 φW 的映射关系为:

T(φ)=φT

此外,对偶映射的相关代数性质如下:

  • S,TL(V,W) ,则 (S+T)=S+T
  • λF , TL(V,W) ,则 (λT)=λT
  • TL(U,V) , SL(V,W) ,则 (ST)=TS

零化子

若有向量空间 V ,且有 UV , 那么 U零化子(annihilator)U0 为符合以下定义的一个集合:

U0={φV:uU,φ(u)=0}

虽然定义中用集合表示,但零化子 U0 是对偶空间 V 的子空间。并且在维数上,其 V 的子空间 U 的维数关系为:

dimU+dimU0=dimV

T 的零空间

设有限维向量空间 VM,以及线性映射 TL(V,W) ,那么:

  • (a) nullT=(rangeT)0
  • (b) dimnullT=dimnullT+dimWdimV

证明:

(a) 对于任意 φnullT 以及 vV ,有:

0=(φT)(v)=φ(Tv)φ(rangeT)0nullT(rangeT)0

反过来,对于任意 φ(rangeT)0 以及 vV 则有:

0=φ(Tv)0=φT=T(φ)(rangeT)0nullT

至此可知 nullT(rangeT)0 相互包含,那么自然 nullT=(rangeT)0

(b) 由性质 (a) 可得:

dimnullT=dim(rangeT)0=dimWdimrangeT=dimW(dimVdimnullT)=dimnullT+dimWdimV

T 的值域

设有限维向量空间 VW ,以及线性映射 T(V,W) ,那么:

  • (a) dimrangeT=dimrangeT
  • (b) rangeT=(nullT)0

证明:

(a)

dimrangeT=dimWdimnullT=dimWdim(rangeT)0=dimrangeT

(b) 首先对于任意 φrangeT ,那么则有 ψW 使得 T(ψ)=φ ,那么对于任意 vnullT

φ(v)=(T(ψ))v=(ϕT)v=ψ(Tv)=ψ(0)=0φ(nullT)0rangeT(nullT)0

此外,由已证的 (a) 可知:

dimrangeT=dimrangeT=dimVdimnullT=dim(nullT)0

故而可得 rangeT=(nullT)0

线性映射与对偶映射、单射与满射

线性映射的满射性等价于其对偶映射的单射性

设有限维向量空间 VW ,若线性映射 T(V,W) 是满射的,那么:

rangeT=W(rangeT)0={0}nullT={0}

故而 T 是单射的。

线性映射的单射性等价于其对偶映射的满射性

设有限维向量空间 VW ,若线性映射 T(V,W) 是单射的,那么:

nullT={0}(nullT)0=VrangeT=V

故而 T 是满射的。

可以从更容易理解的角度去看以上这两个性质:

满射性往往是从高维空间映射向低维空间,而根据定义,对偶映射的映射方向与线性映射相反,此时等同于从低维空间映射向高维空间(因为对偶空间与原向量空间同维),自然就只能单射了。

反之,就能解读线性映射的单射性与对偶映射的满射性关系。

转置矩阵

定义

对于一个矩阵 A ,其转置(transpose)矩阵 At 实际上就是讲 A 的行与列互换而来的矩阵,即:

(At)j,k=Ak,j

矩阵乘积的转置

A 是一个 m×n 的矩阵,C 是一个 n×p 的矩阵,那么:

(AC)t=Ct×At

对偶映射的矩阵

性质:对偶映射的矩阵是其线性映射的转置

即:设 TL(V,W) ,则 M(T)=(M(T))t

原因很简单,根据对偶映射的定义,任意 φW ,都有 T(φ)=φT ,以 VR2WR3 为例,线性泛函 φ 可以看作一个3维向量,此时 T 要和 φ 做内积,最终得到一个2维向量,对应某个在 V 上的线性泛函,此时表示 T 的矩阵自然需要转置。

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