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向量空间的积和商 ​

积空间 ​

定义 ​

设 V1,…,Vm 均为 F 上的向量空间:

  • 那么积 V1×⋯×Vm 定义为:
V1×⋯×Vm={(v1,…,vm):v1∈V1,…,vm∈Vm}
  • 向量空间的积仍然是一个向量空间,一般称之为积空间,故其加法和标量乘法仍然符合一般向量空间的规律:
(u1,…,um)+(v1,…,vm)=(u1+v1,…,um+vm)λ(v1,…,vm)=(λv1,…,λvm)

向量空间积的维数等于各向量空间维数之和: ​

设 V1,…,Vm 均为有限维向量空间,那么:

dim(V1×⋯×Vm)=dimV1+…dimVm

积与直和 ​

设 U1,...,Um 皆为向量空间 V 的子空间,且有线性映射: Γ:U1×⋯×Um→U1+…Um , Γ 若是单射的,那么 U1+⋯+Um 必然是直和,反之亦然。(因为单射则表明 nullΓ=0 ,且等式左边的 0 由每个自子空间中的零向量之和组成,这同时也表明 U1+⋯+Um 是直和)

根据以上推论,就可以得出直和与维数的关系:任意向量空间的子空间之和若是直和,那么子空间的维数之和等于该向量空间维数,反之亦然。

证明:

设有限维向量空间 V ,且 U1,…,Um 均为V的子空间,且有线性映射: Γ:U1×⋯×Um→U1+…Um,那么 U1+…Um 若是直和,那么 Γ 定是单射的,则:

dim(U1+⋯+Um)=dim(U1×⋯×Um)=dimU1+⋯+dimUm

故而可证直和到维度之和方向的推论,反方向的推论差不多也是将证明过程逆转。

向量与子空间之和 ​

设 v∈V,U是V的子空间,则 v+U 是 V 的一个子集,且符合以下定义:

v+U={v+u:u∈U}

仿射子集(affine subset)、平行(parallel) ​

设有向量空间 V ,U 是 V 的子空间,对于任意向量 v∈V 那么:

  • V 的仿射子集是 V 的所有形如 v+U 的子集;
  • 对于某个确定的子空间 U ,那么任意形如 v+U 的仿射子集都平行于 U ;

商空间 ​

定义 ​

设有向量空间 V ,U 是 V 的子空间,那么商空间 V/U 是指所有平行于 U 的仿射子集所构成的集合,即:

V/U={v+U:v∈V}

相关性质 ​

平行于同一子空间的仿射子集要么相等,要么不相交。

设有向量空间 V 和其任意子空间 U,对于任意两个向量 v,w∈V 以下情况同时成立或失效:

  • (a) v−w∈U
  • (b) v+U=w+U
  • (c) (v+U)∩(w+U)≠∅

证明:

(1)先假设情况 (a) 成立,对于任意 u∈U ,利用子空间的封闭性,可得:

v+u=v+(w−w)+u=w+((v−w)+u)∈w+Uw+u=w+(v−v)+u=v+((w−v)+u)∈v+U

故而 v+U⊂w+U 且 w+U⊂v+U,所以 v+U=w+U,故而证得情况 (a) 蕴涵 情况 (b)。

(2)现在假设情况 (c) 成立,于是存在向量 u1,u2∈U 使得:

v+u1=w+u2

那么 v−w=u2−u1 ,再次利用子空间的封闭性可知 v−w∈U ,故而证得情况 (c) 蕴涵 情况 (a),有因为已证情况 (a) 蕴涵 情况 (b),所以情况 (c) 蕴涵情况 (b)。

(3)如果情况 (b) 成立,那么情况 (c) 必然成立,又因为已证情况 (c) 蕴涵 情况 (a),所以情况 (b) 也蕴涵情况 (a),此时证毕。

商空间上的加法与标量乘法 ​

设有向量空间 V 和其子空间 U ,则对于商空间 V/U 、任意向量 v,w∈V 和 λ∈F 有定义:

  • (v+U)+(w+U)=(v+w)+U
  • λ(v+U)=(λv)+U

商映射 ​

设有向量空间 V 和其任意子空间 U,商映射 π:V→V/U 是对于任意向量 v∈V 符合以下定义的线性映射:

π(v)=v+U

此外,对于所有 v∈U 的情况,π(v) 始终等于 U ,很容易得到 nullπ=U,且 rangepi=V/U,由线性映射基本定理可得:

dimV=dimV/U+dimrangeπdimV=dimV/U+dimU⇓dimV/U=dimV−dimU

T~ 的定义 ​

设 T∈L(V,W),T~:V/(nullT)→W 的定义如下:

T~(v+nullT)=Tv

即,将平行于线性映射 T 零空间的仿射子集根据与零空间的距离映射到 T 的值域中。

此外还有以下性质:

  • T~ 是 V/(nullT) 到 W 的线性映射;
  • T~ 是单射的;
  • rangeT~=rangeT;
  • V/(nullT) 和 rangeT 是同构的;

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