矩陣論線(xiàn)性子空間

矩陣論線(xiàn)性子空間第1頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、線(xiàn)性子空間

1、線(xiàn)性子空間的定義設(shè)V是數(shù)域P上的線(xiàn)性空間，集合若W對(duì)于V中的兩種運(yùn)算也構(gòu)成數(shù)域P上的線(xiàn)性空間,則稱(chēng)W為V的一個(gè)線(xiàn)性子空間，簡(jiǎn)稱(chēng)為子空間．注：①線(xiàn)性子空間也是數(shù)域P上一線(xiàn)性空間，它也②任一線(xiàn)性子空間的維數(shù)不能超過(guò)整個(gè)空間的有基與維數(shù)的概念.

維數(shù).第2頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、線(xiàn)性子空間的判定，若W對(duì)于V中兩種運(yùn)算封閉，即

則W是V的一個(gè)子空間．

定理：設(shè)V為數(shù)域P上的線(xiàn)性空間，集合

推論：V為數(shù)域P上的線(xiàn)性空間,

則W是V的子空間第3頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月∵，∴.

且對(duì)，

由數(shù)乘運(yùn)算封閉，有

，即W中元素的負(fù)元素就是它在V中的負(fù)元素，4）成立．就是V中的零元，3）成立．由于

，規(guī)則1）、2）、5）、6）、7）、8）是顯然成立的．下證3）、4）成立．

由加法封閉，有,即W中的零元

證明：要證明W也為數(shù)域P上的線(xiàn)性空間，即證W中的向量滿(mǎn)足線(xiàn)性空間定義中的八條規(guī)則．

第4頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

例2設(shè)V為所有實(shí)函數(shù)所成集合構(gòu)成的線(xiàn)性空間,則R[x]為V的一個(gè)子空間．

例3P[x]n是P[x]的的線(xiàn)性子空間．

例1設(shè)V為數(shù)域P上的線(xiàn)性空間，只含零向量的子集合是V的一個(gè)線(xiàn)性子空間，稱(chēng)之為V的零子空間．線(xiàn)性空間V本身也是V的一個(gè)子空間.這兩個(gè)子空間有時(shí)稱(chēng)為平凡子空間，而其它的子空間稱(chēng)為非平凡子空間．

第5頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月的全部解向量所成集合W對(duì)于通常的向量加法和數(shù)①(＊)的解空間W的維數(shù)＝n－秩(A)，；例4

n元齊次線(xiàn)性方程組

(＊)

注②(＊)的一個(gè)基礎(chǔ)解系就是解空間W的一組基.空間，稱(chēng)W為方程組(＊)的解空間．量乘法構(gòu)成的線(xiàn)性空間是

n

維向量空間

Pn

的一個(gè)子第6頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例5判斷Pn的下列子集合哪些是子空間：

解：W1、W3是Pn的子空間，

W2不是Pn的子空間.若為Pn的子空間，求出其維數(shù)與一組基.事實(shí)上，W1是n元齊次線(xiàn)性方程組的解空間.所以，維W1＝n－1，①的一個(gè)基礎(chǔ)解系①第7頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月就是W1的一組基.而在

W2中任取兩個(gè)向量，設(shè)則故W2不是Pn的子空間.第8頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月故，W3為V的一個(gè)子空間，且維W3＝n－1，則有

其次，

設(shè)下證W3是Pn的子空間.就是W3的一組基.第9頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例6設(shè)V為數(shù)域P上的線(xiàn)性空間，

則W關(guān)于V的運(yùn)算作成V的一個(gè)子空間．

即的一切線(xiàn)性組合所成集合.第10頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月稱(chēng)為V的由生成的子空間，二、一類(lèi)重要的子空間

——生成子空間

定義：V為數(shù)域P上的線(xiàn)性空間，

則子空間

，記作．稱(chēng)為的一組生成元.第11頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例7在Pn

中，

為Pn的一組基，即Pn

由它的一組基生成.類(lèi)似地，還有事實(shí)上，任一有限維線(xiàn)性空間都可由它的一組基生成.第12頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有關(guān)結(jié)論1、設(shè)W為n維線(xiàn)性空間V的任一子空間，是W的一組基，則有2、（定理3）

1）；為線(xiàn)性空間V中的兩組向量，則與等價(jià)．

2）生成子空間的維數(shù)＝向量組的秩．第13頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月證：1）若

則對(duì)

有，

從而可被線(xiàn)性表出；同理每一個(gè)

也可被線(xiàn)性表出.

所以，

與等價(jià)．

，

可被線(xiàn)性表出，

從而可被線(xiàn)性表出，即

反之，

與等價(jià)．

第14頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月所以,

同理可得，

故，

由§3定理1，

2）設(shè)向量組

的秩＝t，不妨設(shè)

為它的一個(gè)極大無(wú)關(guān)組．

因?yàn)?/p>

與等價(jià)，

就是的一組基，

所以，的維數(shù)＝t．第15頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月無(wú)關(guān)組，則推論：設(shè)是線(xiàn)性空間V中不全為零的一組向量，是它的一個(gè)極大3、設(shè)為P上n維線(xiàn)性空間V的一組基，則的維數(shù)＝秩(A).A為P上一個(gè)矩陣，若第16頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月證：設(shè)秩(A)＝r，不失一般性，設(shè)A的前r列線(xiàn)性無(wú)關(guān)，并將這r列構(gòu)成的矩陣記為A1，其余s-r列構(gòu)成的矩陣記為A2，則A＝(A1,A2)，且秩(A1)＝秩(A)＝r，設(shè)即下證線(xiàn)性無(wú)關(guān).第17頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月是V的一組基，又秩(A1)＝r，∴方程組②只有零解，即②線(xiàn)性無(wú)關(guān).從而第18頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任取將A的第

j

列添在A1的右邊構(gòu)成的矩陣記為Bj，則則有即設(shè)第19頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從而有③而秩(Bj)＝r，∴③有非零解，故有不全為零的數(shù)故為的極大無(wú)關(guān)組，所以的維數(shù)＝r＝秩(A).線(xiàn)性相關(guān).第20頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月則向量組與矩陣A的列向量組具有相同線(xiàn)性相關(guān)性.所以可對(duì)矩陣A作初等行變換化階梯陣來(lái)求向量組的一個(gè)極大無(wú)關(guān)組，從而求出生成子空間的維數(shù)與一組基.注：由證明過(guò)程可知，若為V的一組基，第21頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為

V

的一組基．即在

V

中必定可找到

n－m

個(gè)向量設(shè)W為

n維線(xiàn)性空間

V

的一個(gè)

m

維子空間，4、（定理4）為W的一組基，則這組向量必定可擴(kuò)充，使為

V

的一組基．?dāng)U基定理

證明：對(duì)n－m作數(shù)學(xué)歸納法．當(dāng)n－m＝0時(shí)，即

n＝m，定理成立．就是V的一組基.假設(shè)當(dāng)n－m＝k時(shí)結(jié)論成立.第22頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因n－(m＋1)＝(n－m)－1＝(k＋1)－1＝k，下面我們考慮n－m＝k＋1的情形．必定是線(xiàn)性無(wú)關(guān)的．既然還不是V的一組基，它又是線(xiàn)性無(wú)關(guān)的，那么在V中必定有一個(gè)向量不能被線(xiàn)性表出，把它添加進(jìn)去，則由定理3，子空間

是m＋1維的．可以擴(kuò)充為整個(gè)空間V的一組基．由歸納原理得證.

由歸納假設(shè)，的基第23頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月它擴(kuò)充為P4的一組基，其中例8求的維數(shù)與一組基，并把解：對(duì)以為列向量的矩陣A作初等行變換第24頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由B知，為的一個(gè)極大故，維＝3，就是的一組基.無(wú)關(guān)組.第25頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月則線(xiàn)性無(wú)關(guān)，從而為P4的一組基.第26頁(yè)，課件共29頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月練習(xí)設(shè)V為數(shù)域P上的線(xiàn)性空間，為V的一組基，