线性代数核心思想及应用——线性空间篇(知识点总结及例题详解)

线性空间

本篇主要内容:

1.线性空间及子空间

2.向量的线性关系

3.基、维数、坐标

4.子空间的交与和

5.子空间的直和

6.线性空间的同构

线性空间的定义与性质

1.线性空间的定义

设V是一个非空集合,F是一个数域,称V为F上的一个线性空间,如果满足以下运算规则:

加法 :V \times V \rightarrow V

             \left ( \alpha ,\beta \right )\rightarrow \gamma := \alpha +\beta

  • \alpha +\beta =\beta +\alpha                                        
  • \left ( \alpha +\beta \right )+\gamma =\alpha +\left ( \beta +\gamma \right )                  
  • \alpha +0=\alpha       
  • \alpha +\beta =0

数乘 :F \times V \rightarrow V

             \left ( k,\alpha \right )\rightarrow \beta := k\alpha

  • \left ( k+l \right )\alpha = k\alpha +l\alpha
  • k\left ( \alpha +\beta \right )= k\alpha +k\beta
  • \left ( kl \right )\alpha =k\left ( l\alpha \right )
  • 1\cdot \alpha = \alpha

其中 \alpha ,\beta ,\gamma 为V的任意元素,k , l为F中的任意数。

举例几个常见的线性空间:

\left ( i\right ) F^{m\times n} : 数域F上的全体m✖️n矩阵关于矩阵的加法与数乘运算构成F上的线性空间。特别地,F^{m}表示F上的m维列空间或行空间

\left ( ii \right )F\left [ x \right ] : 数域F上的一元多项式环 F\left [ x \right ] 关于多项式的加法及数与多项式的乘法作成的线性空间

\left ( iii \right )F_{n}\left [ x \right ] : 数域F上的一切次数 \leq n 的多项式加上零多项式组成的线性空间

2.线性空间的简单性质

  1. 零元,负元唯一
  2. k\alpha = 0\Leftrightarrow k= 0 \; or \; \alpha =0
  3. -\left ( -\alpha \right )= \alpha
  4. -\left ( k\alpha \right )=\left ( -k \right )\alpha =k\left ( -\alpha \right )
  5. k\left ( \alpha -\beta \right )= k\alpha -k\beta
  6. \alpha +\beta = \gamma \Rightarrow \alpha = \gamma -\beta

向量的线性关系

V_{F}——F上的线性空间,F为基域

线性组合与线性表示

  1. \alpha _{i}\in V_{F}, i= 1,2,...,s  称  k_{1}\alpha _{1}+...+k_{s}\alpha _{s}\left ( k_{i}\in F \right )  为 \alpha _{1},...,\alpha_{s} 的一个线性组合
  2. \alpha \in V_{F},\alpha _{1},...,\alpha _{s}\in V_{F}\left ( I \right )\alpha 可由 \left ( I \right ) 线性表示,如果 \alpha _{}= k_{1}\alpha _{1}+...+k_{s}\alpha _{s}
  3. 如果向量 \alpha 可由 \beta _{1},...,\beta _{n} 线性表示,而每个 \beta _{i} 又可由 \alpha _{1},...,\alpha _{n} 线性表示,则 \alpha 可由 \alpha _{1},...,\alpha _{n} 线性表示

线性相关与线性无关

  1. \alpha _{1},...,\alpha _{s}\in V_{F}\left ( I \right ) 若向量方程 k_{1}\alpha _{1}+...+k_{s}\alpha _{s}= 0\left ( \ast \right ) 只有零解,则称向量组 \left ( I \right ) 是线性无关的,否则则称 \left ( I \right ) 是线性相关的
  2. F^{n} 的m个向量 \alpha _{i}= \left ( \alpha _{1i},\alpha _{2i},...,\alpha _{ni} \right )^{'}\left ( i= 1,...,m \right ) 线性相关的充要条件是齐次线性方程组 AX= 0 有非零解,其中 A= \left ( a_{ij} \right )_{n\times m} ,即 r\left ( A \right )< M .特别地,当 m= n 时,\alpha _{1},...,\alpha _{n} 线性相关当且仅当 \begin{vmatrix} A \end{vmatrix}=0
  3. 将一个线性相关(无关)当向量组任意添加(减少)若干个非零向量所得的新向量组任线性相关(无关)
  4. \alpha _{1},...,\alpha _{r} 线性无关,则 \beta 不能由 \alpha _{1},...,\alpha _{r} 线性表示的充要条件是 \alpha _{1},...,\alpha _{r},\beta 线性无关
  5. \beta 可由 \alpha _{1},...,\alpha _{r} 线性表示,则表示法唯一的充要条件是 \alpha _{1},...,\alpha _{r} 线性无关
  6. A\in F^{m\times n},则对A 施行初等行变换不改变A 的列向量的线性关系(求极大线性无关组)

 向量组的等价

  1. \alpha _{1},...,\alpha _{r}\left ( 1 \right )\beta _{1},...,\beta _{s}\left ( 2 \right ) 等价,若 \left ( 1 \right ) 与 \left ( 2 \right ) 相互线性表示
  2. 等价具有对称、传递、反身性
  3. 替换定理:设向量组 \left ( 1 \right ):\alpha _{1},\alpha _{2},...,\alpha _{r} 线性无关,并且可由向量组 \left ( 2 \right ):\beta _{1},...,\beta _{s} 线性表示,则 \left ( i \right )r\leq s  \left ( ii \right )\left ( 1 \right ) 去替换 \left ( 2 \right ) 中的r个向量,必要时重新排序得 \alpha _{1},...,\alpha _{r},\beta _{r+1},...,\beta _{s}\left ( 3 \right )  与 \left (2 \right ) 等价
  4. 逆否命题:设\left ( 1 \right ):\alpha _{1},\alpha _{2},...,\alpha _{r} 可由向量组 \left ( 2 \right ):\beta _{1},...,\beta _{s} 线性表示且 r\geq s ,则 \left ( 1 \right ) 线性相关

替换定理证明:

当 r = 1 时,\alpha _{1}=k_{1}\beta _{1}+...+k_{s}\beta _{s}

不妨设 k_{1}\neq 0\beta _{1}= \frac{1}{k_{1}}\alpha _{1}-\frac{k_{2}}{k_{1}}\beta _{2}-...-\frac{k_{s}}{k_{1}}\beta _{s}

\left ( i \right )1\leq s

\left ( ii \right )\alpha _{1},\beta _{2},...,\beta _{s}\Leftrightarrow \left ( 2 \right )

令 r-1 时定理得证

即有 \left ( i \right )r-1\leq s \left ( ii \right )\alpha _{1},..,\alpha _{r-1},\beta _{r},...,\beta _{s}\left ( 4 \right )\Leftrightarrow \left ( 2 \right )

\left ( 1 \right ) 可由 \left ( 4 \right ) 线性表示得 \alpha _{r}= k_{1}\alpha _{1}+...+k_{r-1}\alpha _{r-1}+k_{r}\beta _{r}+...+k_{s}\beta _{s}(k_{r},...,k_{s}\; not\; all \; zero)

s\neq r-1\Rightarrow r\leq s

不妨设 k_{r}\neq 0\beta _{r} 可由 \alpha _{1},..,\alpha _{r},\beta _{r+1},..,\beta _{s} \left ( 3 \right ) 线性表示

 故 \left ( 3 \right )\Leftrightarrow \left ( 4 \right )\Leftrightarrow \left ( 2 \right )

推论 1 : 向量个数多的向量组可由向量个数少的向量组线性表示,则前者必线性相关

        2 : n+1个n元向量组必线性相关

极大线性无关组

  1. 向量组 \alpha _{1},...,\alpha _{r} 中的部分向量组 \beta _{1},...,\beta _{s} 称为一个极大线性无关组,如果 \left ( i \right )\beta _{1},...,\beta _{s} 线性无关 \left ( ii \right )\alpha _{1},...,\alpha _{r} 中的任一向量都可由 \beta _{1},...,\beta _{s} 线性表示
  2. 一个向量组的极大线性无关组所含向量的个数称为该向量组的秩
  3. 等价的向量组必等秩;反之不真
  4. 设两个向量组 \alpha _{1},...,\alpha _{s}\beta _{1},...,\beta _{t} 的秩都为r,并且\alpha _{1},...,\alpha _{s} 可由 \beta _{1},...,\beta _{t} 线性表示,则这两个向量组等价

 如何求极大线性无关组

例:在 F^{4} 中,求向量组 \alpha _{1}= \left ( 1,0,-1,1 \right ),\alpha _{2}= \left ( 2,1,-2,0 \right ), \alpha _{3}= \left ( -2,-1,0,1 \right ),\alpha _{4}= \left ( 0,-1,2,1 \right ) 的一个极大线性无关组,并用之表示其余向量

解:以 \alpha _{1},\alpha _{2},\alpha _{3},\alpha _{4} 为列作矩阵

        A= \begin{pmatrix} 1 & 2 & -2 &0 \\ 0&1 &-1 &-1 \\ -1&-2 &0 &2 \\ 1&0 &1 &1 \end{pmatrix}

对A施行初等行变换

A\rightarrow \begin{pmatrix} 1 & 2 & -2&0 \\ 0& 1& -1 & -1\\ 0& 0 & -2&2 \\ 0& -2 & 3 & 1 \end{pmatrix}\rightarrow \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 2\\ 0 & 1 & -1& -1\\ 0& 0& -2 & 2\\ 0& 0& 1& -1 \end{pmatrix}\rightarrow \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 2\\ 0& 1 & 0 & -2\\ 0& 0& 1&-1 \\ 0& 0& 0& 0 \end{pmatrix}

于是 \alpha _{1},\alpha _{2},\alpha _{3} 就是所求的一个极大线性无关组,并且 \alpha _{4}= 2\alpha _{1}-2\alpha _{2}-\alpha _{3}


基、维数与坐标

数域 F 上的线性空间 V 中向量组 \alpha _{1},...,\alpha _{n} 称为 V的一个基,如果

 \left ( 1 \right )\alpha _{1},...,\alpha _{n} 线性无关

\left ( 2 \right )\forall \alpha \in V,\alpha 可由 \alpha _{1},...,\alpha _{n}线性表示

注:线性空间 V的一个基实际上就是 V中全体向量的一个极大线性无关组

       基向量是有序的

       基不唯一,基所含向量个数唯一

扩充基定理: \alpha _{1},...,\alpha _{r}\left ( 1 \right )V^{F}的一组线性无关的向量,\beta _{1},...,\beta _{n}\left ( 2 \right )V^{F}的一个基,

 则 \left ( 1 \right ) 可扩充为 V^{F}的一个基 \alpha _{1},...,\alpha _{r},\beta _{r+1},...,\beta _{n}\left ( 3 \right )

V是数域F上的n维线性空间,\alpha _{1},...,\alpha _{n}V的一个基,对\forall \alpha \in V\alpha = k_{1}\alpha _{1}+k_{2}\alpha _{2}+...+k_{n}\alpha _{n},称 \left ( k_{1},k_{2},...,k_{n} \right )\alpha\alpha _{1},...,\alpha _{n}下的坐标,其中 k_{i}\in F,\; i= 1,...,n

求向量关于基的坐标:设\alpha _{1},...,\alpha _{n}F^{n}的一个基,\beta \in F^{n}A= \left ( \alpha_{1},...,\alpha _{n},\beta \right )\rightarrow \left ( I_{n},\alpha \right ),则 \alpha 是 \beta 关于\alpha _{1},...,\alpha _{n} 的坐标

基变换与坐标变换

\alpha _{1},...,\alpha _{n}\beta _{1},...,\beta _{n} 是n维线性空间V的两个基,并且有

\left\{\begin{matrix} \beta _{1}= & a_{11}\alpha _{1}+ a_{21}\alpha _{2} +...+a_{n1}\alpha _{n} & \\ \beta _{2}= & a_{12}\alpha _{1}+ a_{22}\alpha _{2} +...+a_{n2}\alpha _{n} & \\ ......\\ \beta _{n}= & a_{1n}\alpha _{1}+ a_{2n}\alpha _{2} +...+a_{nn}\alpha _{n} & \end{matrix}\right.

形式上记为 \left ( \beta _{1},\beta _{2},...,\beta _{n} \right )= \left ( \alpha_{1},\alpha _{2},...,\alpha _{n} \right )A

则称A为由\alpha _{1},...,\alpha _{n}到基\beta _{1},...,\beta _{n}的过渡矩阵

基到基的过渡矩阵可逆

过渡矩阵求法 A= \left ( \alpha _{1},...,\alpha _{n},\beta _{1},...,\beta _{n} \right )\rightarrow \left ( I_{n},T \right )T即为所求


子空间及其交与和

子空间

W是数域F上线性空间V的一个非空子集,如果W对于V的加法与数乘也构成F上的线性空间,则称WV的一个子空间

V,\left \{ 0 \right \} 称为V的平凡子空间,其余子空间称为真子空间

VF上的一个线性空间,\varnothing \neq W\subseteq V

WV的子空间\Leftrightarrow \forall \alpha,\beta \in W,k,l\in F,k\alpha +l\beta\in W

定理 W\subseteq V^{F},dimW= dimV^{F}\Rightarrow W= V^{F}

生成子空间

L\left ( \alpha _{1},...,\alpha _{r} \right )= \left \{ k_{1}\alpha _{1}+...+k_{r}\alpha _{r}\mid k_{i}\in F \right \}

每个 \alpha _{i} 称为生成元

L\left ( \alpha _{1},...,\alpha _{r} \right )V^{F}中包含 \alpha _{1} ,...,\alpha _{r} 的最小的子空间(线性包)

dimL\left ( \alpha _{1},...,\alpha _{r} \right )\alpha _{1} ,...,\alpha _{r} 的秩 \mid \alpha _{1},...,\alpha _{r} 的一个极大线性无关组是  L\left ( \alpha _{1},...,\alpha _{r} \right ) 的一个基

L\left ( \alpha _{1},...,\alpha _{r} \right )= L\left ( \beta _{1},...,\beta _{t} \right )\Leftrightarrow \alpha _{1},...,\alpha _{r}\beta _{1},...,\beta _{t} 等价

子空间的交与和

子空间的交:设V_{1},V_{2}V^{F} 的子空间

\left ( 1 \right )V_{1}\cap V_{2}V^{F} 的子空间

\left ( 2 \right )V_{1}\cup V_{2}  V^{F} 的子空间  \Leftrightarrow V_{1}\subseteq V_{2}\; or\; V_{2}\subseteq V_{1}

 证明:\Rightarrow :V_{1}\cup V_{2} 是 V 的子空间,对\forall \alpha _{1}\in V_{1},\alpha _{2}\in V_{2},有\alpha _{1}+\alpha _{2}\in V_{1}\cup V_{2}

                 则 \exists \alpha \in V_{1}\; s.t. \; \alpha _{1}+\alpha _{2}= \alpha

                 \alpha _{2}= \alpha -\alpha _{1}\in V_{1}V_{2}\subseteq V_{1}

            \Leftarrow :V_{1}\subseteq V_{2} ,对 \forall \alpha _{1},\alpha _{2}\in V_{1}\cup V_{2}\subset V_{2}

                 \alpha _{1}+\alpha _{2}\in V_{2}\subset V_{1}\cup V_{2}

                 所以V_{1}\cup V_{2}V的子空间

子空间的和:V_{1}+V_{2}=\left \{ \alpha _{1}+\alpha _{2}\mid \alpha _{1}\in V_{1},\alpha _{2}\in V_{2} \right \} 是 V^{F} 的子空间

证明:\forall \alpha ,\beta \in V_{1}+V_{2} \; \; \alpha = \alpha _{1}+\alpha _{2}, \beta = \beta _{1}+\beta _{2} \; \: where\; \alpha _{1},\beta _{1}\in V_{1}\; \alpha _{2},\beta _{2}\in V_{2}

           k\alpha +\beta = \left ( k\alpha _{1}+\beta _{1} \right )+\left ( k\alpha _{2}+\beta _{2} \right )\in V_{1}+V_{2}

性质1:V_{1}= L\left ( \alpha _{1},...,\alpha _{r} \right )\; \; V_{2}= \left ( \beta _{1},...,\beta _{t} \right )

             则 V_{1}+V_{2}= L\left ( \alpha _{1},...,\alpha _{r},\beta _{1},...,\beta _{t} \right )

性质2:V^{F}中包含V_{1}V_{2} 的最小子空间是 V_{1}+V_{2}

 子空间的和是子空间,但子空间的并未必是子空间。

XOY平面——二维线性空间,V_{1} 是x轴,V_{2} 是y轴

子空间的和——XOY平面    子空间的并——x轴与y轴两条直线

子空间的维数公式:dim\left ( V_{1}+V_{2} \right )= dimV_{1}+dimV_{2}-dim\left ( V_{1}\cap V_{2} \right )

证明:V_{1}\cap V_{2}:\alpha _{1},...,\alpha _{r}\left ( 1 \right )

           V_{1}:\alpha _{1},...,\alpha _{r},\beta _{1},...,\beta _{t}\left ( 2 \right )

           V_{2}: \alpha _{1},...,\alpha _{r},\gamma _{1},...,\gamma _{s}\left ( 3 \right )

k_{1}\alpha _{1}+...+k_{r}\alpha _{r}+l_{1}\beta _{1}+...+l_{t}\beta _{t}+p_{1}\gamma _{1}+...+p_{s}\gamma _{s}= 0

V_{1}\nik_{1}\alpha _{1}+...+k_{r}\alpha _{r}+l_{1}\beta _{1}+...+l_{t}\beta _{t}= -p_{1}\gamma _{1}-...-p_{s}\gamma _{s}\left ( \ast \right )\in V_{2}

p_{1}\gamma _{1}+...+p_{s}\gamma _{s}P

P\in V_{1}\cap V_{2}    P= m_{1}\alpha _{1}+...+m_{r}\alpha _{r}

p_{1}\gamma _{1}+...+p_{s}\gamma _{s}+m_{1}\alpha _{1}+...+m_{r}\alpha _{r}= 0 

p_{1},...,p_{s} 全为0,代入\left ( \ast \right )k_{1},...,k_{r},l_{1},...,l_{t} 全为0

子空间的直和:W= V_{1}+V_{2}V^{F}的和,若W的每一个向量的表示唯一,则称WV_{1}V_{2} 的直和,记为V^{F}= V_{1}\oplus V_{2}

定理:(如下图)

V_{1},V_{2}V^{F}的子空间,则以下几条等价 V_{i}V^{F}的子空间\left ( i= 1,2,...,s \right ),则以下几条等价
零向量表示唯一 零向量表示唯一
V_{1}\cap V_{2}= \left \{ 0 \right \} V_{i}\cap \left ( \sum_{i\neq j}^{} V_{j}\right )= \left \{ 0 \right \}
dim\left ( V_{1}+V_{2} \right )= dimV_{1}+dimV_{2} dim(V_{1}+...+V_{s})= dimV_{1}+...+dimV_{s}
V_{1}+V_{2} 是直和 V_{1}+...+V_{s} 是直和

 余子空间:V= V_{1}\oplus V_{2}  称V_{2}V_{1} 的余子空间

 余子空间存在但不唯一


线性空间的同构

V^{F}\cong W^{F}\Leftrightarrow\left ( 1 \right )\sigmaV^{F}\rightarrow W^{F} 的双射

                          \left ( 2 \right )\sigma \left ( k\alpha +\beta \right )= k\sigma\left ( \alpha \right )+\sigma \left ( \beta \right )

性质:

  1. \sigma \left ( 0 \right )= 0
  2. \sigma \left ( k_{1}\alpha _{1}+...+k_{s}\alpha _{s} \right )= 0\Leftrightarrow k_{1}\sigma \left ( \alpha _{1} \right )+...+k_{s}\sigma \left ( \alpha _{s} \right )= 0
  3. \alpha _{1},...,\alpha _{n}V^{F}的一个基 \Leftrightarrow \sigma \left ( \alpha _{1} \right ),...,\sigma \left ( \alpha _{n} \right )V^{F}的一个基
  4.  \sigma \left ( V^{F} \right )= \left \{ \sigma \left ( \alpha \right ) \mid \alpha \in V^{F}\right \}V^{F}的子空间
  5. dimV^{F}= n,V^{F}\cong F^{n},\varphi :\alpha \overset{\alpha _{1},...,\alpha _{n}}{\rightarrow}\left ( x_{1},...,x_{n} \right )^{'}                                                                                                                       F上任意两个n维线性空间都同构                                                                                                                                                             进一步:两个有限维线性空间同构 \Leftrightarrow 维数相等

你可能感兴趣的:(高代,线性代数,矩阵)