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线性映射基本定理

定理:

  • 若向量空间 V 是有限维的,且有 TL(V,W) ,则 rangeT 也是有限维的 ,并且:
dimV=dimnullT+dimrangeT

该定理揭示了线性映射的定义域与值域维数的数量关系。

证明过程如下:

u1,u2,...,umnullT 的基,即 dimnullT=m

因为 u1,u2,...,um 作为基必然是个线性无关组,那么它就可以用 V 中的一组向量扩充为 V 的基 {u1,u2,...,um,v1,v2,...,vn} ,即设 dimV=m+n

所以我们需要证明 dimrangeT=n ,即只要证明 {Tv1,Tv2,...,Tvn}rangeT 的基。

(1) 先证明 span(Tv1,Tv2,...,Tvn)=rangeT

vVa1,a2,...am,b1,b2,...bnF ,因为 {u1,u2,...,um,v1,v2,...,vn}V 的基,所以:

v=a1u1+a2u2+...+amum+b1v1+b2v2+...+bnvn

那么:

Tv=T(a1u1+a2u2+...+amum+b1v1+b2v2+...+bnvn)=T(a1u1)+T(a2u2)+...+T(amum)+T(b1v1)+T(b2v2)+...+T(bnvn)=a1Tu1+a2Tu2+...+amTum+b1Tv1+b2Tv2+...+bnTvn

又因为 u1,u2,...,umnullT 的基,所以 Tu1=Tu2=...=Tum=0 ,则:

Tv=b1Tv1+b2Tv2+...+bnTvnspan(Tv1,Tv2,...,Tvn)=rangeT

(2) 接下来要证明 Tv1,Tv2,...,Tvn 线性无关:

c1,c2,...,cnF ,并且:

c1Tv1+c2Tv2+...+c3Tvn=0

因为线性映射的性质,那么:

T(c1v1+c2v2+...+c3vn)=0

所以:

c1v1+c2v2+...+c3vnnullT

d1,d2,...,dmF ,由于 u1,u2,...,um 必然张成 nullT ,所以:

c1v1+c2v2+...+c3vn=d1u1+d2u2+...+d3um

又因为 {u1,u2,...,um,v1,v2,...,vn}V 的基,它们必然线性无关,所以它们只能等于0,并且 c1=c2=...=cn=0 , 所以 Tv1,Tv2,...,Tvn 是线性无关的。

{Tv1,Tv2,...,Tvn} 张成 rangeT ,又是个线性无关组,所以它就是 rangeT 的基。故而 dimrangeT=n

有了线性映射基本定理,我们就能够引申出以下两条性质。

定义域维数大于值域维数的线性映射不是单射的

证明TL(V,W),则:

dimnullT=dimVdimrangeTdimVdimW>0

所以 nullT 必然包括非零向量,而其中的向量都会被映射为0,因此 T 不会是单射的。

定义域维数小于值域维数的线性映射不会是满射的

证明TL(V,W),则:

dimrangeT=dimVdimnullTdimV<dimW 

这表示 rangeTW , 因此 T 不会是满射的。

在方程组上的应用性质

对于方程组,假如设其变量为 n 个,方程数量为 m 个,那么可以看作是 FnFm 的线性映射,命名为 T 。结合以上的两条性质,那么我们就可以得到以下结论:

  • 对于齐次线性方程组,当变量多于方程数量时,齐次线性方程组必然有解。

这种情况下,问题可以转换成 nullT 是否等于 {0} ,当变量多于方程数量可以看作此时 n>m ,即定义域维数大于值域维数,所以 dimnullT>0nullT{0}

  • 对于非齐次线性方程组,当变量多于方程数量时,必然有一组常数项使得方程无解。

这种情况下,问题可以转换成 T 是否为满射,当变量少于方程数量可以看作此时 n<m ,即定义域维数小于值域维数。

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