线性空间
目录
1 数组空间及其子空间 2
1.1 向量与数组空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 线性相关与线性无关 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 极大无关组 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 极大无关组 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.2 等价 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 基与维数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4.1 基与维数的定义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4.2 坐标变换 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 线性方程组解的结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.1 线性方程组解的存在性与唯一性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.2 齐次线性方程组解集的结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.3 非齐次线性方程组解集的结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6 线性空间的应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 一般线性空间 7
2.1 一般线性空间的定义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 一般线性空间的理论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1
1 数组空间及其子空间
1.1 向量与数组空间
定义 1.1 (数组空间). 𝐹 是数域. 定义了线性运算的 𝑛 维数组向量全体
{(𝑎
1
, 𝑎
2
, · · · , 𝑎
𝑛
)|𝑎
𝑖
𝐹}
称为 𝑛 数组空间, 记为 𝐹
𝑛
定义 1.2 (线性组合). 给定一组向量 𝑎
1
, 𝑎
2
, · · · , 𝑎
𝑚
𝐹
𝑛
及一组数 𝜆
1
, 𝜆
2
, · · · , 𝜆
𝑛
𝐹, 称等式
𝜆
1
𝑎
1
, 𝜆
2
𝑎
2
+ · · · + 𝜆
𝑚
𝑎
𝑚
𝑎
1
, 𝑎
2
, · · · , 𝑎
𝑚
线性组合,𝜆
1
, 𝜆
2
, · · · , 𝜆
𝑚
称为组合系数.
如果 𝑎 可以写成 𝑎
1
, 𝑎
2
, · · · , 𝑎
𝑚
的线性组合, 则称 𝑎 可以用 𝑎
1
, 𝑎
2
, · · · , 𝑎
𝑚
线性表示
定义 1.3 (子空间). 𝑉 𝐹
𝑛
为非空向量集合, 它满足对任意的 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
𝑉, 𝜆
1
, · · · , 𝜆
𝑚
𝐹, 都有
𝑚
𝑖=1
𝜆
𝑖
𝑎
𝑖
𝑉
则称 𝑉 𝐹
𝑛
的子空间
定义 1.4 (子空间的等价定义). 𝑉 𝐹
𝑛
为非空向量集合, 它满足
1. 𝑎 , 𝑏 𝑉 , 𝑎 + 𝑏 𝑉
2. 𝑎 𝑉, 𝜆𝑎 𝑉
则称 𝑉 𝐹
𝑛
的子空间
显然 𝑉 = {0} 𝑉 = 𝐹
𝑛
都是 𝐹
𝑛
的子空间, 称为平凡子空间
定理 1.5 (生成子空间). 𝑎
1
, 𝑎
2
, · · · , 𝑎
𝑚
𝐹
𝑛
是一组给定的 𝑛 维数组向量. 则集合
𝑎
1
, 𝑎
2
, · · · , 𝑎
𝑚
= { 𝜆
1
𝑎
1
+ 𝜆
2
𝑎
2
+ · · · + 𝜆
𝑚
𝑎
𝑚
|𝜆
𝑖
𝐹, 𝑖 = 1, 2, · · · , 𝑚}
𝐹
𝑛
的子空间, 称为由向量组 𝑎
1
, 𝑎
2
, · · · , 𝑎
𝑚
生成的子空间
定理 1.6. 两个子空间的并不一定是子空间, 两个子空间的交仍是子空间
1.2 线性相关与线性无关
定义 1.7 (线性相关). 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
𝐹
𝑛
, . 2 如果其中某个向量能用其他向量线性表示,
𝑎
𝑖
, 𝜆
𝑗
𝐹 (𝑖 𝑗), 𝑠.𝑡.𝑎
𝑖
=
𝑗𝑖
𝜆
𝑗
𝑎
𝑗
则称 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
线性相关, 否则称线性无关. 特别地, 一个向量线性无关, 若为零则线性相关
定理 1.8 (量空间表述线性相关性). 定向量 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
𝐹
𝑛
, 𝑚 2, 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
线性相关当且
仅当
𝑖 {1, 2, · · · , 𝑚}, 𝑠.𝑡.
𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
=
𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑖1
, 𝑎
𝑖+1
, · · · , 𝑎
𝑚
定理 1.9 (线性相关的充要条件). 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
𝐹
𝑛
, 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
线性相关的充要条件为存在不全
零的实数 𝜆
1
, · · · , 𝜆
𝑚
, 使得
𝑚
𝑖=1
𝜆
1
𝑎
𝑖
= 0
定理 1.10 (子集的线性相关性). 设向量组 𝑆
1
= {𝑎
𝑖
1
, · · · , 𝑎
𝑖
𝑘
} 是向量组 𝑆 = {𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
} 的一个子集.
𝑆
1
线性相关, 𝑆 也线性相关; 如果 𝑆 线性无关, 𝑆
1
也线性无关
定理 1.11 (方程组看待线性相关). 𝑎
𝑖
= (𝑎
𝑖
1
, · · · , 𝑎
𝑖
𝑛
) 𝐹
𝑛
, 𝑖 = 1, 2, · · · , 𝑚. 𝐴 表示以 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
行构成的 𝑚 × 𝑛 阶矩阵, 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
线性相关当且仅当关于 𝜆
1
, · · · , 𝜆
𝑚
的齐次线性方程组
𝐴
𝑇
𝜆
1
.
.
.
𝜆
𝑚
= 0
有非零解
推论: 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
𝐹
𝑛
是一组数组向量,
1. 𝑚 > 𝑛, 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
必线性相关
2. 𝑚 = 𝑛, 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
线性相关当且仅当 𝑑𝑒𝑡(𝐴) = 0
定理 1.12 (加长向量组的线性相关性). 𝐴𝑎
𝑖
= (𝑎
𝑖
1
, · · · , 𝑎
𝑖
𝑟
) 𝐹
𝑟
, 𝑖 = 1, 2, · · · , 𝑚. 它们的加长向量组为
𝑏
𝑖
= (𝑎
𝑖
1
, · · · , 𝑎
𝑖
𝑟
, · · · , 𝑎
𝑖
𝑛
) 𝐹
𝑛
(𝑛 > 𝑟), 𝑖 = 1, 2, · · · , 𝑚, 则有
1. 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
线性无关, 𝑏
1
, · · · , 𝑏
𝑚
也线性无关
2. 𝑏
1
, · · · , 𝑏
𝑚
线性相关, 𝑎
1
, · · · , 𝑎
𝑚
也线性相关
由线性方程组定理即证
1.3 极大无关组
1.3.1 极大无关组
定义 1.13 (极大无关组). 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
𝐹
𝑛
, 𝑎
𝑖
1
,...,𝑎
𝑖
𝑟
线性无关, 且任加一个其他向量 𝑎
𝑖
𝑟+1
𝑎
𝑖
1
, ..., 𝑎
𝑖
𝑟
, 𝑎
𝑖
𝑟+1
线性相关, 则称 𝑎
𝑖
1
, ..., 𝑎
𝑖
𝑟
𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
极大无关组
每一个向量都可以由它的极大无关组表示
定理 1.14 (求解极大无关组). 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
𝐹
𝑛
为一组列向量,𝐴 = (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
) 是以 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
为列构成
𝑛 × 𝑚 阶矩阵.𝐴 经一系列的初等行变换变为矩阵 𝐵 = (𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑚
)
1. 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
线性相关 (无关) 当且仅当 𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑚
线性相关 (无关)
2. 𝑎
𝑖
1
, ..., 𝑎
𝑖
𝑟
𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
的极大无关组当且仅当 𝑏
𝑖
1
, ..., 𝑏
𝑖
𝑟
𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑚
的极大无关组
定理 1.15 (大无关组与生成子空). 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
𝐹, 𝑎
𝑖
1
, ..., 𝑎
𝑖
𝑟
𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
的一个极大无关,
当且仅当 𝑎
𝑖
1
, ..., 𝑎
𝑖
𝑟
线性无关且
𝑎
𝑖
1
, ..., 𝑎
𝑖
𝑟
=
𝑎
1
, .., 𝑎
𝑚
1.3.2 等价
定义 1.16 (等价). 如果向量组 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
中的每一个向量都可以由向量组 𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑙
线性表示, 则称向量
𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
可以由向量组 𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑙
线性表示. 如果两个向量组 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑙
可以互相线性表示,
则称这两个向量组等价, 记为
{𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
} {𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑙
}
等价向量组的性质: 反身性, 对称性, 传递性
定理 1.17 (等价与生成子空间). 向量组 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑙
等价当且仅当
𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
=
𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑙
定理 1.18 (等价与极大无关组). 一个向量组和它的极大无关组等价
推论: 向量组的任意两个极大无关组彼此等价
1.3.3
定理 1.19 (秩与等价). 若两个分别线性无关的向量组 {𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
} {𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑠
} 等价, 𝑟 = 𝑠(利用线性
方程组无解条件可证)
推论: 向量组的任两个极大无关组向量个数相等
定义 1.20 (向量组的秩). 向量组 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
的极大无关组元素的个数称为向量组的, 记为
𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
)𝑟(𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑚
)
定理 1.21 (秩的结论). 设向量 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
𝐹
𝑛
, 向量 𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑠
𝐹
𝑛
, 则有
1. 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
线性无关当且仅当 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
) = 𝑟
2. 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
线性相关当且仅当 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
) < 𝑟
3. {𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑠
} 可以用 {𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
} 线性表示, 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑠
) 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
)
4. {𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑠
} {𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
} 等价, 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑠
) = 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
)
5. 向量 𝑏 可以表示成 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
的线性组合当且仅当 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
) = 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
, 𝑏)
定理 1.22 (矩阵的秩). 任何矩阵的行秩等于列秩等于矩阵的秩
推论 1:𝑛 阶方阵 𝐴 可逆 𝑟𝑎𝑛𝑘 ( 𝐴) = 𝑛 𝐴 的行向量线性无关 𝐴 的列向量线性无关
推论 2: 𝑟𝑎𝑛𝑘 ( 𝐴) = 𝑟, 𝐴 的不等于零的 𝑟 阶子式所在的行 () 构成 𝐴 的行 () 向量的极大无关组
1.4 基与维数
1.4.1 基与维数的定义
定理 1.23 (向量生成子空间). 设非空集 𝑉 𝐹
𝑛
的子空间, 则存在线性无关的向量组 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
, 使得
𝑉 =
𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
定义 1.24 (基与坐标). 𝑉 𝐹
𝑛
是子空间,𝑉 中的一组向量 {𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
} 称为 𝑉 的一组, 如果它满足
1. 对任意向量 𝑎 𝑉, 𝑎 可表示成 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
的线性组合:𝑎 = 𝜆
1
+ ... + 𝜆
𝑟
𝑎
𝑟
2. 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
线性无关
(𝜆
1
, ..., 𝜆
𝑟
) 为向量 𝑎 在基 {𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
} 下的坐标
定义 1.25 (维数). 𝑉 𝐹
𝑛
为子空间, 𝑉 的一组基的向量个数为 𝑉 的维数, 记为 dim 𝑉
1.4.2 坐标变换
𝐹
𝑛
有两组基
𝑎
1
, 𝑎
2
, ..., 𝑎
𝑛
𝑏
1
, 𝑏
2
, ..., 𝑏
𝑛
设两组基之间的关系由下式确定
𝑏
1
= 𝑡
11
𝑎
1
+ ... + 𝑡
𝑛1
𝑎
𝑛
· · ·
𝑏
𝑛
= 𝑡
1𝑛
𝑎
1
+ ... + 𝑡
𝑛𝑛
𝑎
𝑛
写成矩阵形式为
(𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑛
) = (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑛
)𝑇, 𝑇 =
𝑡
11
· · · 𝑡
1𝑛
.
.
.
.
.
.
𝑡
𝑛1
· · ·
𝑡
𝑛𝑛
称矩阵 𝑇 为从基 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑛
到基 𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑛
过渡矩阵, 由线性无关得 𝑇 可逆, 则有
(𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑛
) = (𝑏
1
, .., 𝑏
𝑛
)𝑇
1
即从基 (𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑛
) 到基 (𝑎
1
, , , .𝑎
𝑛
) 的过渡矩阵为 𝑇
1
设向量 𝑣 𝐹
𝑛
在两组基 (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑛
) (𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑛
) 下的坐标分别为 𝑋 = (𝑥
1
, ..., 𝑥
𝑛
)
𝑇
𝑌 = (𝑦
1
, ..., 𝑦
𝑛
)
𝑇
,
𝑣 = (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑛
)𝑋 = (𝑏
1
, ..., 𝑏
𝑛
)𝑌 = (𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑛
)𝑇𝑌 𝑋 = 𝑇𝑌
𝑌 = 𝑇
1
𝑋
定理 1.26. 𝑛 维数组空间 𝐹
𝑛
中下列结论成立
1. 𝑉 𝐹
𝑛
𝑟 维子空间, 𝑉 中任意 𝑟 + 1 个向量线性相关
2. 𝑉 𝑟 维子空间, 𝑉 中任意 𝑟 个线性无关向量为 𝑉 的一组基
3. 𝑈 𝑉 𝐹
𝑛
的子空间, 𝑈 𝑉, 𝑑𝑖𝑚𝑈 𝑑𝑖𝑚𝑉
4. 𝑈 𝑉 𝐹
𝑛
的子空间, 𝑈 𝑉, 𝑑𝑖𝑚𝑈 = 𝑑𝑖𝑚𝑉, 𝑈 = 𝑉
定理 1.27 (扩充基). 𝑉 𝐹 𝑟 维子空间,𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑠
𝑉 𝑠(𝑠 < 𝑟) 个线性无关的向量, 则存在 𝑉
的向量 𝑎
𝑠+1
, ..., 𝑎
𝑟
使得 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
构成 𝑉 的一组基, 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑟
为线性无关组 𝑎
1
, ..., 𝑎
𝑠
的一组扩充基
1.5 线性方程组解的结构
1.5.1 线性方程组解的存在性与唯一性
定理 1.28 (有解与唯一解的充要条件). 𝐴 𝐹
𝑚×𝑛
𝑚 × 𝑛 阶矩阵,𝑏 𝐹
𝑚
𝑚 维列向量, 则线性方
程组
𝐴𝑥 = 𝑏
有解的充要条件是 𝑟𝑎𝑛𝑘 ( 𝐴) = 𝑟𝑎𝑛𝑘 ( 𝐴, 𝑏), 有唯一解的充要条件为 𝑟 𝑎𝑛𝑘 ( 𝐴) = 𝑟𝑎𝑛𝑘 ( 𝐴, 𝑏) = 𝑛
推论: 齐次线性方程组 𝐴𝑥 = 0 一定有解, 存在非零解的充要条件是 𝑟𝑎𝑛𝑘 ( 𝐴) < 𝑛. 𝐴 𝑛 阶方阵, 则齐
次线性方程组有非零解当且仅当 𝑑𝑒𝑡 ( 𝐴) = 0
1.5.2 齐次线性方程组解集的结构
定理 1.29. 其次线性方程组 𝐴𝑥 = 𝑏 的解集 𝑉 𝐹
𝑛
的子空间, 并且 𝑑𝑖𝑚𝑉 = 𝑛 𝑟𝑎𝑛𝑘 ( 𝐴)
定义 1.30 (解空间与基础解系). 齐次线性方程组的解集 𝑉 称为空间, 解空间的一组基 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑛𝑟
为齐次线性方程组的一个基础解系
1.5.3 非齐次线性方程组解集的结构
定理 1.31. 对于非齐次线性方程组
𝐴𝑥 = 𝑏
设其解空间为 𝑊, 其齐次方程的解空间为 𝑉, 则有
𝑊 = 𝛾
0
+ 𝑉 = {𝛾
0
+ 𝛼|𝛼 𝑉 }
其中,𝛾
0
𝐴𝑥 = 𝑏 的一个特解
非齐次线性方程组的解集是相应其次方程组的解集的一个平移
1.6 线性空间的应用
𝑘𝑒𝑟 ( 𝐴) 来表示 𝐴𝑥 = 0 的解组成的解空间, 𝑖𝑚(𝐴) 来表示所有 𝐴𝑥 组成的空间, 那么就有
𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑖𝑚(𝐴)) + 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑘𝑒𝑟 ( 𝐴)) = 𝑛
证明 𝑟𝑎𝑛𝑘 ( 𝐴) 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝐵) 只需证 𝑖𝑚(𝐴) 𝑖𝑚(𝐵)
如果两个空间维数一样,并且一个包含了另一个,那么这两个空间就是相等的。
2 一般线性空间
2.1 一般线性空间的定义
定义 2.1 (一般线性空间). 𝑉 是一个非空集合,𝐹 是一个数域. 𝑉 中的元素定义两种运算
1. 加法: 𝑉 中的任意两个元素 𝛼, 𝛽 组成的有序对 (𝛼, 𝛽), 𝑉 存在唯一的一个元素 𝛾 与之对应,
𝛼 + 𝛽 = 𝛾
2. 数乘: 对任意常数 𝜆 𝐹 及向量 𝛼 𝑉 ,𝑉 中存在唯一的一个元素 𝛾 与对应, 记为 𝜆𝛼 = 𝛾
若加法满足交换, 合律, 乘法满足交换律, 结合律, 配律, 并且存在零元, 负元, 一元, 则称 𝑉 是数
𝐹 上的线性空间, 记为 𝑉 (𝐹) 𝑉. 线性空间 𝑉 中的元素称为向量
定理 2.2 (线性空间的基本性质). 线性空间的基本性质如下
1. 零向量唯一
2. 负向量唯一
3. 0𝛼 = 𝜃, (1)𝛼 = 𝛼, 𝜆𝜃 = 𝜃
4. 𝜆𝛼 = 𝜃 当且仅当 𝜆 = 0 𝛼 = 𝜃
线性空间的实例
1. 数组空间 𝐹
𝑛
按数组向量的加法与数乘构成线性空间
2. 所有的 𝑛 元的一次方程全体 𝐸
𝑛
按线性方程的加法与数乘构成线性空间
3. 所有次数不超过 𝑛 的多项式全体 𝐹
𝑛
[𝑥] 按多项式的加法, 数与多项式的乘法为数乘构成线性空间
4. 所有 𝑚 × 𝑛 阶矩阵全体 𝐹
𝑚×𝑛
按矩阵的加法与数乘构成线性空间
5. 𝐹 = 𝑅, 所有复数 𝐶 全体按复数的加法, 实数与复数的乘法为数乘构成线性空间
6. 𝐹 = 𝑅, 𝑅
+
是所有正实数的全体, 定义加法 𝛼 + 𝛽 = 𝛼𝛽, 定义数乘 𝜆 · 𝛼 = 𝛼
𝜆
, 𝑅
+
在上述运算下构
𝑅
上的线性空间
7. 𝐶
𝑛
表示的三角多项式全体:𝐶
𝑛
= 𝑎
0
+ 𝑎
1
cos 𝜃 + 𝑏
1
sin 𝜃 + ... + 𝑎
𝑛
cos 𝜃 + 𝑏
𝑛
sin 𝜃 |𝑎
1
, 𝑏
𝑖
𝐹, 则在函
数通常的加法, 数与函数的乘法下构成线性空间
8. 𝐶 [𝑎, 𝑏] 表示 [𝑎, 𝑏] 上连续函数的全体, 𝐶 [𝑎, 𝑏] 在函数通常的加法, 数与函数乘法运算下构
线性空间
定义 2.3 (子空间). 𝑉 是数域 𝐹 上的线性空间,𝑊 𝑉 的非空子集, 𝑊 对于线性空间 𝑉 的加法与
数乘运算保持封闭,
1. 对任意 𝛼, 𝛽 𝑊, 𝛼 + 𝛽 𝑊
2. 对任意 𝜆 𝐹, 𝛼 𝑊, 𝜆𝛼 𝑊
则称 𝑊 𝑉 子空间,𝑊 = 0, 𝑊 = 𝑉 𝑉 的子空间, 称为平凡子空间
定义 2.4 (生成子空间). 𝑉 是数域 𝐹 上的线性空间,𝑆 𝑉 是非空集合, 则集合
𝑆 := {𝜆
1
𝛼
1
+ ... + 𝜆
𝑚
+ 𝛼
𝑚
|𝜆
1
, ..., 𝜆
𝑚
𝐹, 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑚
𝑆}
是一个子空间, 称为 𝑉 生成子空间,𝑆 称为生成子空间的生成元
2.2 一般线性空间的理论
定义 2.5 (线性组). 𝑉 数域 𝐹 上的线性空间, 给定 𝑉 中的一组向量 𝑆 = {𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑚
} 及一组数
𝜆
1
, ..., 𝜆
𝑚
, 称和式
𝜆
1
𝛼
1
+ ... + 𝜆
𝑚
𝛼
𝑚
为向量组 𝑆 线性组合,𝜆 1, ...𝜆
𝑚
称为组合系数, 如果 𝛼 可以写成 𝑆 的线性组合, 则称 𝛼 可以 𝑆 线
性表示
定义 2.6 (等价). 𝑉 是数域 𝐹 上的线性空间, 称向量组 𝑇 = {𝛽
1
, ..., 𝛽
𝑙
} 可以由向量组 𝑆 = {𝛼
1
, .., 𝛼
𝑚
}
线性表示, 如果每一个 𝛽
𝑖
(𝑖 = 1, ..., 𝑙) 都可以用向量 𝑆 线性表示, 如果向量 𝑆 𝑇 以互相线性表
, 则称 𝑆 𝑇 等价
定理 2.7 (线性表示与等价). 𝑆 𝑇 是线性空间的两个向量组,
1. 𝑇 可以由 𝑆 线性表示, 当且仅当 𝑇 𝑆
2. 𝑈 可以由 𝑇 线性表示,𝑇 可以由 𝑆 线性表示, 𝑈 可以由 𝑆 线性表示
3. 𝑆 𝑇 等价当且仅当 𝑆 = 𝑇
4. 𝑈 𝑇 等价,𝑇 𝑆 等价, 𝑈 𝑆 等价
定义 2.8 (线性关与线性无). 𝑉 是数 𝐹 上的线性,𝑆 𝑉 中的组向 (𝑆 元素
#𝑆 2). 如果 𝑆 中某个向量能用其他向量线性表示, 则称 𝑆 线性相关, 否则称其线性无关. 特别地, 一个
向量组成的向量组线性相关当且仅当该向量为零向量
定理 2.9 (线性相关等价说法). 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑚
(𝑚 2) 是线性空间 𝑉 中的向量, 则下列说法等价
1. 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑚
线性相关
2. 存在不为零的常数 𝜆
1
, ..., 𝜆
𝑚
𝐹 使得
𝑚
𝑖=1
𝜆
𝑖
𝛼
𝑖
= 𝜃
3. 存在向量 𝛼
𝑖
使得 𝛼
𝑖
=
𝑗𝑖
𝜆
𝑗
𝛼
𝑗
4. 存在向量 𝛼
𝑖
使得 𝛼
𝑖
𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑖1
, 𝛼
𝑖+1
, ..., 𝛼
𝑚
5. 存在 𝛼
𝑖
使得 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑚
= 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑖1
, 𝛼
𝑖+1
, ..., 𝛼
𝑚
定理 2.10 (子集的线性相关性). 设向量组 𝑆
1
是向量组 𝑆 的一个子集, 如果 𝑆
1
线性相关, 𝑆 也线性相
, 如果 𝑆 线性无关, 𝑆
1
也线性无关
定义 2.11 (极大无关组). 𝑆 是线性空间 𝑉 中的向量组, 𝑆 的子集 𝑆
1
线性无关, 且任加 𝑆 中的一个
其他向量 𝛼 ,𝑆
1
{𝛼} 线性相关, 则称 𝑆
1
为向量组 𝑆 极大无关组
定理 2.12 (极大无关组等价说法). 向量组的极大无关组有下列等价的说法
1. 向量组 𝑆 的子集 𝑆
1
𝑆 的极大无关组
2. 向量组 𝑆 可以由子集 𝑆
1
线性表示, 𝑆
1
线性无关
3. 向量组 𝑆 与它的子集 𝑆
1
等价, 𝑆
1
线性无关
4. 𝑆 = 𝑆
1
𝑆
1
线性无关
推论: 向量组的任何两个极大无关组彼此等价
定理 2.13 (). 两个等价向量组 {𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑟
} {𝛽
1
, ..., 𝛽
𝑠
} 分别线性无关, 𝑟 = 𝑠
推论: 𝛼
𝑖
1
, ..., 𝛼
𝑖
𝑟
𝛼
𝑗
1
, ..., 𝛼
𝑗
𝑠
分别为 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑚
的两个极大无关组, 𝑟 = 𝑠
向量组 𝑆 的极大无关组的向量的个数称为向量组的, 记为 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑆) 𝑟 (𝑆)
定理 2.14 (秩的结论). 𝑆, 𝑇 是线性空间 𝑉 中的向量组, 则有下列结论
1. 𝑆 线性无关当且仅当 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑆) = #𝑆
2. 𝑆 线性相关当且仅当 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑆) < #𝑆
3. 𝑇 可以用 𝑆 线性表示, 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑇) 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑆)
4. 𝑇 𝑆 等价, 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑇) = 𝑟𝑎𝑛𝑘 (𝑆)
5. 𝑇 可以用 𝑆 线性表示, 𝑇 线性无关, #𝑇 #𝑆
定义 2.15 (, 坐标与维数). 𝑉 为数域 𝐹 上的线性空间,𝑆 𝑉 中一组线性无关向量. 如果 𝑉 中任何
向量都能表示成 𝑆 的线性组合, 则称 𝑆 𝑉 的一组. 𝑆 是有限的, 则称 𝑉 有限维线性空间,𝑆
的元素个数称为线性空间 𝑉 维数, 记为 𝑑𝑖𝑚𝑉. 是有限维的线性空间称为无限维线性空间, 其维数为
无穷大. 设基 𝑆 = {𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑛
} 是有限的, 则任意向量 𝛼 𝑉 可以唯一地表示成 𝑆 的线性组合
𝛼 = 𝜆
1
𝛼
1
+ ... + 𝜆
𝑛
𝛼
𝑛
(𝜆
1
, ..., 𝜆
𝑛
) 为向量 𝛼 在基 𝑆 下的坐标
定理 2.16. 𝑉 是数 𝐹 线, 线性无 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑛
𝑉 使得 𝑉 =
𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑛
定理 2.17 (线性空间的基与维数). 𝑉 是数域 𝐹 上的 𝑛 维线性空间, 则有
1. 𝑉 中任意 𝑛 + 1 个向量线性相关
2. 𝑉 中任意 𝑛 个线性无关向量为一组基
3. 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑟
𝑉 𝑟 (𝑟 < 𝑛) 个线性无关的向量, 则存在 𝑉 中的向量 𝛼
𝑟+1
, ..., 𝛼
𝑛
使得 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑛
构成
𝑉 的一组基, 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑛
为线性无关组 𝛼
1
, ..., 𝛼
𝑟
的一组扩充基