數學-線性代數-#6 線性代數-#6 向量空間、列空間、R^n與子空間
線性代數-#6 向量空間、列空間、Rn與子空間
讓我們回想一下#1的內容,當我們在用向量的新視角看待線性方程組時,曾經提到以“向量的圖像”作為代數學與幾何學橋梁的想法。
而現在,讓我們沿著這個想法深入探索下去,將其作為開啟線性代數核心學習的鑰匙。
引入新概念:向量空間。
什麽是向量空間?我們把向量構成的空間叫做向量空間。
為了簡化問題,我們先假定研究的對象是某個元素數為2或3的非零向量。
回歸到向量的幾何定義,一條有向的線段。這條線段會覆蓋從起點到終點的區域。顯然,這個區域不足以以“空間”命名。因為空間應具有如下兩個特性:
1.包含很多元素;
2.封閉,即其中的元素無法突破空間的邊界。
所以我們就從這兩個方面開始下手,想辦法讓這個“區域”裏的元素多起來,且成為一個封閉的系統。
從一個向量“衍生”出許多向量的方法是通過某種運算去“生成”。我們會想到運算結果仍然是向量的向量加法和數乘。
通過與任意實數數乘得到的向量,作出圖來,都位於初始向量對應的線段所在的直線上。(包括零向量,這條直線通過零點)
任意取這些向量中的兩個進行相加,結果也位於這條直線上。
所以我們得到了一個包含元素多又封閉的空間——一條經過原點的直線。這就是我們所說的一種“向量空間”。
現在我們將情況一般化。假定構成向量空間的向量為:
1.零向量?
容易想到這個空間就是原點。原點是否符合向量空間的要求呢?我們檢驗其封閉性。在這個空間內任意取兩個元素,顯然都是零向量。它們相加或乘以任意倍數的結果都還是零向量,仍包含在原點這個空間內。所以零向量構成的向量空間是原點。
這個檢驗方法對於原點好像有些無厘頭,但是卻可以有效地檢驗更大的疑似向量空間。
2.兩個向量?
兩個向量任意數乘和相加?換言之,這些運算的結果就是這兩個向量的線性組合。假定這兩個向量為二元或三元向量,根據數乘向量和向量加法的作圖方法,我們可以想見,這所有的線性組合的圖像,覆蓋的空間是一個平面,且該平面一定經過原點(0乘任何數結果為0)。
3.多個向量?
多個向量和兩個向量的情況沒有本質的區別。只是我們可以用矩陣的形式去表示這多個向量。在矩陣中,每一列都是一個列向量。列向量的所有線性組合構成的空間,就是一個向量空間。我們給它起了一個別名——列空間。
4.元素數相同的所有向量?
之前的討論中所使用的向量,都限定為二元或三元,這只是為了方便生活在三維世界中的我們想象和作圖表示。可以想見,所有元素數為n的向量,構成的空間應該是整個的n維空間。我們用“Rn
這個看起來很大的空間顯然不是滿足向量空間要求的最小空間,換言之,在向量空間這個層面上,它也是可分的。類比集合中子集的定義,我們把在這個空間內的與之等大或更小的向量空間稱為子空間。舉個例子:對於R3,從大到小,它所有可能的子空間有:
(1)自身:定義使然,沒有為什麽;
(2)過原點的平面:比如兩個非零向量的線性組合構成的空間;
(3)過原點的直線:一個非零向量構成的空間;
(4)原點:零向量構成的空間。
當n>3時,我們可以確定的是原點和Rn自身一定是其最小和最大的子空間。至於中間大小的子空間,可能我們就不能用“平面”“直線”這樣熟悉的模型去簡單地描述了。
在下一課#7中,我們將帶著這節課#6的成果,即對向量空間更清晰的認識,去重新審視我們的老朋友——Ax=b。
數學-線性代數-#6 線性代數-#6 向量空間、列空間、R^n與子空間