向量空间和计算机科学与技术,向量空间
向量空间又称线性空间，是线性代数的中心内容和基本概念之一。在解析几何里引入向量概念后，使许多问题的处理变得更为简洁和清晰，在此基础上的进一步抽象化，形成了与域相联系的向量空间概念。譬如，实系数多项式的集合在定义适当的运算后构成向量空间，在代数上处理是方便的。单变元实函数的集合在定义适当的运算后，也构成向量空间，研究此类函数向量空间的数学分支称为泛函分析。
向量空间它的理论和方法在科学技术的各个领域都有广泛的应用。[1]
中文名
向量空间
外文名
Vector space
别 称
线性空间、矢量空间
向量空间详细定义
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语音
向量空间亦称线性空间。它是线性代数的中心内容和基本概念之一。设V是一个非空集合，P是一个域。若：
1.在V中定义了一种运算，称为加法，即对V中任意两个元素α与β都按某一法则对应于V内惟一确定的一个元素α+β，称为α与β的和。[2]
2.在P与V的元素间定义了一种运算，称为纯量乘法(亦称数量乘法)，即对V中任意元素α和P中任意元素k，都按某一法则对应V内惟一确定的一个元素kα，称为k与α的积。
3.加法与纯量乘法满足以下条件：
1) α+β=β+α，对任意α，β∈V.
2) α+(β+γ)=(α+β)+γ，对任意α，β，γ∈V.
3) 存在一个元素0∈V，对一切α∈V有α+0=α，元素0称为V的零元.
4) 对任一α∈V，都存在β∈V使α+β=0，β称为α的负元素，记为-α.
5) 对P中单位元1，有1α=α(α∈V).
6) 对任意k，l∈P，α∈V有(kl)α=k(lα).
7) 对任意k，l∈P，α∈V有(k+l)α=kα+lα.
8) 对任意k∈P，α，β∈V有k(α+β)=kα+kβ，
则称V为域P上的一个线性空间，或向量空间。V中元素称为向量，V的零元称为零向量，P称为线性空间的基域.当P是实数域时，V称为实线性空间.当P是复数域时，V称为复线性空间。例如，若V为三维几何空间中全体向量(有向线段)构成的集合，P为实数域R，则V关于向量加法(即平行四边形法则)和数与向量的乘法构成实数域R上的线性空间。又如，若V为数域P上全体m×n矩阵组成的集合Mmn(P)，V的加法与纯量乘法分别为矩阵的加法和数与矩阵的乘法，则Mmn(P)是数域P上的线性空间.V中向量就是m×n矩阵。再如，域P上所有n元向量(a1，a2，…，an)构成的集合P对于加法：(a1，a2，…，an)+(b1，b2，…，bn)=(a1+b1，a2+b2，…，an+bn)与纯量乘法：λ(a1，a2，…，an)=(λa1，λa2，…，λan)构成域P上的线性空间，称为域P上n元向量空间。
线性空间是在考察了大量的数学对象(如几何学与物理学中的向量，代数学中的n元向量、矩阵、多项式，分析学中的函数等)的本质属性后抽象出来的数学概念，近代数学中不少的研究对象，如赋范线性空间、模等都与线性空间有着密切的关系。它的理论与方法已经渗透到自然科学、工程技术的许多领域。哈密顿(Hamilton，W.R.)首先引进向量一词，并开创了向量理论和向量计算。格拉斯曼(Grassmann，H.G.)最早提出多维欧几里得空间的系统理论。1844—1847年，他与柯西(Cauchy，A.-L.)分别提出了脱离一切空间直观的、成为一个纯粹数学概念的、抽象的n维空间。特普利茨(Toeplitz，O.)将线性代数的主要定理推广到任意域上的一般的线性空间中。
向量空间公理化定义
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设F是一个域。一个F上的向量空间是一个集合V的两个运算：
向量加法: V + V → V, 记作 v + w,V v, w∈V
标量乘法: F × V → V, 记作 a·v, V a∈F, v∈V
符合下列公理 (∀ a, b ∈ F 及 u, v, w ∈ V)：
向量加法结合律：u + (v + w) = (u + v) + w；
向量加法交换律：v + w = w + v；
向量加法的单位元：V 里有一个叫做零向量的 0，∀ v ∈ V , v + 0 = v；
向量加法的逆元素：∀v∈V, ∃w∈V，使得 v + w = 0；
标量乘法分配于向量加法上：a(v + w) = a v + a w；
标量乘法分配于域加法上: (a + b)v = a v + b v；
标量乘法一致于标量的域乘法: a(b v) = (ab)v；
标量乘法有单位元: 1 v = v, 这里 1 是指域 F 的乘法单位元。
有些教科书还强调以下两个公理：
V 闭合在向量加法下：v + w ∈ V
V 闭合在标量乘法下：a v ∈ V
更抽象的说，一个F上的向量空间是一个F-模。V的成员叫作向量，而F的成员叫作标量。若F是实数域R，V称为实向量空间；若F是复数域C，V称为复向量空间；若F是有限域，V称为有限域向量空间；对一般域F，V称为F-向量空间。[3]
首4个公理是说明向量V在向量加法中是个阿贝尔群，余下的4个公理应用于标量乘法。
以下都是一些很容易从向量空间公理推展出来的特性：
零向量0 ∈ V(公理3)是唯一的
a 0 = 0，∀ a ∈ F
0 v = 0，∀ v ∈ V，这里 0 是F的加法单位元
a v = 0 ，则可以推出要么 a = 0 ，要么 v = 0
v的加法逆元(公理4)是唯一的(写成−v)，这两个写法v − w 及 v + (−w) 都是标准的
(−1)v = −v，∀ v ∈ V
(−a)v = a(−v) = −(av)，∀ a ∈ F ，∀ v ∈ V
向量空间线性无关
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如果V是一个线性空间，如果存在不全为零的系数c1, c2, ..., cn∈F，使得c1v1+ c2v2+ ... + cnvn= 0，那么其中有限多个向量v1, v2, ..., vn称为线性相关的.
反之，称这组向量为线性无关的。更一般的，如果有无穷多个向量，我们称这无穷多个向量是线性无关的，如果其中任意有限多个都是线性无关的。
向量空间子空间
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设W为向量空间 V 的一个非空子集，若W在 V 的加法及标量乘法下是封闭的，且零向量0 ∈ W，就称W为 V 的线性子空间。
给出一个向量集合 B，那么包含它的最小子空间就称为它的扩张，记作 span(B)。另外可以规定空集的扩张为{0}。
给出一个向量集合 B，若它的扩张就是向量空间 V， 则称 B 为 V 的生成集合。
给出一个向量集合 B，若B是线性无关的，且B能够生成V，就称B为V的一个基。若 V={0}，唯一的基是空集。[4]
对非零向量空间 V，基是 V 最小的生成集，也是极大线性无关组。
如果一个向量空间 V 拥有一个元素个数有限的生成集，那么就称 V 是一个有限维空间。向量空间的所有基拥有相同基数，称为该空间的维度。例如，实数向量空间：R0, R1, R2, R3, …中， Rn 的维度就是 n。
空间内的每个向量都有唯一的方法表达成基中向量的线性组合。而且，将基中向量进行排列，表示成有序基，每个向量便可以坐标系统来表示。
向量空间线性映射
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若 V 和 W 都是域F上的向量空间，可以设定由V到W的线性变换或“线性映射”。这些由V到W的映射都有共同点，就是它们保持总和及标量商数。这个集合包含所有由V到W的线性映射，以 L(V, W) 来描述，也是一个域F上的向量空间。当 V 及 W 被确定后，线性映射可以用矩阵来表达。
同构是一对一的一张线性映射。如果在V 和W之间存在同构，我们称这两个空间为同构；域F上每一n维向量空间都与向量空间F同构。
一个在F场的向量空间加上线性映射就可以构成一个范畴，即阿贝尔范畴。
向量空间额外结构
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研究向量空间很自然涉及一些额外结构。额外结构如下：
一个实数或复数向量空间加上长度概念。就是范数称为赋范向量空间。
一个实数或复数向量空间加上长度和角度的概念，称为内积空间。
一个向量空间加上拓扑学符合运算的(加法及标量乘法是连续映射)称为拓扑向量空间。
一个向量空间加上双线性算子(定义为向量乘法)是个域代数。[5]
参考资料
1.
《数学辞海》委员会. 数学辞海.第6卷[M]. 山西教育出版社, 2002.
2.
戴洪峰. 向量空间理论的历史研究[D].山东大学,2013.
3.
孟道骥．高等代数与解析几何：科学出版社，2007年
4.
Leslie Hogben．Handbook of Linear Algebra：CRC Press，2006：2--3
5.
李连,朱爱红,苏涛. 一种改进的基于向量空间文本相似度算法的研究与实现[J]. 计算机应用与软件,2012,29(02):282-284. [2017-09-04].