lecture-3: Span and Linear Independence (张成 与 线性无关)

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有了前面域与向量空间的基本介绍,我们可以迈向更“线性代数”的领域了。这一节中,我们将侧重于介绍空间的向量张成。在此之前,我们需要先介绍一个记号:v1,v2,v3,...,vmv_1, v_2, v_3,...,v_m represent a list of vector。

Note on “List”: 在 Lecture 1 中我们提到过,列表(list)与集合(set)不同(见 定义 1.8)。列表中顺序重要且重复有意义(例如 (v1,v1)(v_1, v_1) 和 (v1)(v_1) 是不同的列表)。在讨论线性组合和张成时,我们总是针对“列表”而言。


1. Linear Combinations and Span (线性组合与张成)

1.1 Linear Combinations (线性组合)

Definition 2.2 (Linear Combination): 给定向量空间 VV 中的列表 v1,…,vmv_1, \dots, v_m,形如

a1v1+a2v2+⋯+amvm(ai∈F)a_1v_1 + a_2v_2 + \dots + a_mv_m \quad (a_i \in F)

的向量称为该列表的一个线性组合。

1.2 Span (张成)

Definition 2.4 (Span): 列表 v1,…,vmv_1, \dots, v_m 的所有线性组合构成的集合称为该列表的张成,记为 span(v1,…,vm)\text{span}(v_1, \dots, v_m)。 规定:空列表 ()() 的张成定义为 {0}\{0\}。

Proposition 2.6 (Span 的几何/代数意义): span(v1,…,vm)\text{span}(v_1, \dots, v_m) 是 VV 中包含 v1,…,vmv_1, \dots, v_m 的最小子空间。 证明思路:首先验证它满足子空间的三个条件(包含0、对加法和标量乘法封闭,即 命题 1.34);其次,任何包含这些向量的子空间必然包含它们的所有线性组合,因此它是最小的。

1.3 Finite-Dimensional vs Infinite-Dimensional (有限维与无限维)

Definition 2.9 (Finite-Dimensional): 如果存在一个向量列表能够张成该空间,则称该向量空间为有限维的。

  • 例子:FnF^n 是有限维的(由标准基 e1,…,ene_1, \dots, e_n 张成)。
  • 例子:Pm(F)\mathcal{P}_m(F)(次数不超过 mm 的多项式空间)是有限维的,由 1,z,…,zm1, z, \dots, z^m 张成。

Definition 2.13 (Infinite-Dimensional): 不是有限维的向量空间称为无限维的。

  • 例子:P(F)\mathcal{P}(F)(所有多项式构成的空间)是无限维的。因为任何有限列表张成的空间中的多项式都有一个最高次数限制,无法包含所有任意高次的多项式。

2. Linear Independence (线性无关)

2.1 Linear Independence (线性无关)

Definition 2.15 (Linear Independence): 列表 v1,…,vmv_1, \dots, v_m 称为线性无关的,如果使得

a1v1+a2v2+⋯+amvm=0a_1v_1 + a_2v_2 + \dots + a_mv_m = 0

成立的唯一选择是 a1=a2=⋯=am=0a_1 = a_2 = \dots = a_m = 0。

  • 等价理解:span(v1,…,vm)\text{span}(v_1, \dots, v_m) 中的每个向量都只有唯一一种方式表示为 v1,…,vmv_1, \dots, v_m 的线性组合(与基的判定准则 Lecture 4: Bases and Dimension (基 与 维数) 直接相关)。
  • 规定:空列表 ()() 也被声明为线性无关。

2.2 Linear Dependence (线性相关)

Definition 2.17 (Linear Dependence): 不是线性无关的列表称为线性相关的。即存在不全为 0 的标量 a1,…,ama_1, \dots, a_m 使得 ∑aivi=0\sum a_i v_i = 0。

  • 常见情况:
    • 包含 00 向量的列表必然线性相关。
    • 如果某个向量是其他向量的线性组合,则列表线性相关。

3. Linear Dependence Lemma (线性相关引理)

3.1 The Lemma (引理)

Lemma 2.19 (Linear Dependence Lemma): 如果 v1,…,vmv_1, \dots, v_m 是线性相关的列表,则存在 k∈{1,…,m}k \in \{1, \dots, m\} 使得 vk∈span(v1,…,vk−1)v_k \in \text{span}(v_1, \dots, v_{k-1})。 并且,如果去掉这个 vkv_k,剩余列表的张成空间不变:span(v1,…,vk−1,vk+1,…,vm)=span(v1,…,vm)\text{span}(v_1, \dots, v_{k-1}, v_{k+1}, \dots, v_m) = \text{span}(v_1, \dots, v_m)。

证明思路:由线性相关,存在不全为0的 aia_i 使得 ∑aivi=0\sum a_i v_i = 0。取最大的 kk 使得 ak≠0a_k \neq 0,则 vkv_k 可以表示为前面向量的线性组合。将 vkv_k 的表达式代入任意 u∈spanu \in \text{span} 中,即可证明去掉 vkv_k 不改变张成空间。

3.2 The Core Theorem (核心定理)

Theorem 2.22: 在有限维向量空间中,线性无关列表的长度 ≤\le 张成列表的长度(这一不等式正是后面维数理论 Lecture 4: Bases and Dimension (基 与 维数) 的基石)。 证明思路(替换过程): 假设 u1,…,umu_1, \dots, u_m 线性无关,w1,…,wnw_1, \dots, w_n 张成 VV。 将 u1u_1 加入 ww 列表,新列表线性相关。由 引理 2.19,可以踢出一个 ww 向量,保持张成空间不变。 重复此过程,每次加入一个 uu,踢出一个 ww。因为 uu 列表线性无关,所以永远不会踢出 uu。最终说明加入的 uu 的个数 mm 不可能超过初始 ww 的个数 nn。

推论:

  • R3\mathbb{R}^3 中不存在长度为 4 的线性无关列表。
  • 不存在长度为 3 的列表能张成 R4\mathbb{R}^4。

3.3 Subspaces of Finite-Dimensional Spaces (有限维子空间)

Proposition 2.25: 有限维向量空间的任何子空间也是有限维的。 证明思路:在子空间 UU 中逐步挑选不在已选列表张成空间中的向量,构造线性无关列表。由 定理 2.22,这个过程必然在有限步内终止,从而找到子空间 UU 的有限张成列表。


4. Exercises (课后作业)

2.A.5. Find a number tt such that (3,1,4),(2,−3,5),(5,9,t)(3, 1, 4), (2, -3, 5), (5, 9, t) is not linearly independent in R3\mathbb{R}^3.

Solution:
设 a(3,1,4)+b(2,−3,5)+c(5,9,t)=(0,0,0)a(3, 1, 4) + b(2, -3, 5) + c(5, 9, t) = (0, 0, 0)。
得到方程组:

  1. 3a+2b+5c=03a + 2b + 5c = 0
  2. a−3b+9c=0  ⟹  a=3b−9ca - 3b + 9c = 0 \implies a = 3b - 9c
  3. 4a+5b+tc=04a + 5b + tc = 0

将 2) 代入 1):3(3b−9c)+2b+5c=11b−22c=0  ⟹  b=2c3(3b - 9c) + 2b + 5c = 11b - 22c = 0 \implies b = 2c。
回代得 a=3(2c)−9c=−3ca = 3(2c) - 9c = -3c。
将 a,ba, b 代入 3):4(−3c)+5(2c)+tc=(t−2)c=04(-3c) + 5(2c) + tc = (t - 2)c = 0。
要使得列表线性相关,必须存在不全为 0 的解(即 c≠0c \neq 0),因此 t−2=0  ⟹  t=2t - 2 = 0 \implies t = 2。

2.A.7. (a) Show that if we think of C\mathbb{C} as a vector space over R\mathbb{R}, then 1+i,1−i1+i, 1-i is linearly independent.
(b) Show that if we think of C\mathbb{C} as a vector space over C\mathbb{C}, then 1+i,1−i1+i, 1-i is linearly dependent.

Solution:
(a) 设 a(1+i)+b(1−i)=0a(1+i) + b(1-i) = 0,其中 a,b∈Ra,b \in \mathbb{R}。
整理得 (a+b)+(a−b)i=0(a+b) + (a-b)i = 0。
因为实部和虚部必须分别为 0,所以 a+b=0a+b=0 且 a−b=0a-b=0,
解得 a=b=0a=b=0。故在 R\mathbb{R} 上线性无关。

(b) 设 α(1+i)+β(1−i)=0\alpha(1+i) + \beta(1-i) = 0,其中 α,β∈C\alpha, \beta \in \mathbb{C}。
取 α=1−i,β=−(1+i)\alpha = 1-i, \beta = -(1+i),则 α(1+i)=2\alpha(1+i) = 2,β(1−i)=−2\beta(1-i) = -2,和为 0。
因为 α,β\alpha, \beta 不全为 0,故在 C\mathbb{C} 上线性相关。

2.A.11. Prove or give a counterexample: If v1,…,vmv_1, \dots, v_m and w1,…,wmw_1, \dots, w_m are linearly independent lists of vectors in VV, then v1+w1,…,vm+wmv_1+w_1, \dots, v_m+w_m is linearly independent.

Solution:
Counterexample. 令 v1=(1,0),v2=(0,1)v_1 = (1, 0), v_2 = (0, 1) 且 w1=(−1,0),w2=(0,−1)w_1 = (-1, 0), w_2 = (0, -1)。这两个列表显然都是线性无关的。
但是 v1+w1=(0,0)v_1+w_1 = (0,0)。因为新列表包含了零向量,所以 v1+w1,v2+w2v_1+w_1, v_2+w_2 是线性相关的。

2.A.14. Suppose v1,…,vmv_1, \dots, v_m is a list of vectors in VV. For k∈{1,…,m}k \in \{1, \dots, m\}, let wk=v1+⋯+vkw_k = v_1 + \dots + v_k. Show that v1,…,vmv_1, \dots, v_m is linearly independent if and only if w1,…,wmw_1, \dots, w_m is linearly independent.

Solution:
注意到我们可以通过逆变换恢复 vv 列表:v1=w1v_1 = w_1, v2=w2−w1v_2 = w_2 - w_1, …\dots, vk=wk−wk−1v_k = w_k - w_{k-1}。
这说明对于任意 kk,都有 span(v1,…,vk)=span(w1,…,wk)\text{span}(v_1, \dots, v_k) = \text{span}(w_1, \dots, w_k)。
如果 vv 列表线性无关,假设 ww 列表线性相关,则由线性相关引理,存在某个 wk∈span(w1,…,wk−1)w_k \in \text{span}(w_1, \dots, w_{k-1})。这意味着 vk∈span(v1,…,vk−1)v_k \in \text{span}(v_1, \dots, v_{k-1}),与 vv 列表线性无关矛盾。反之亦然。

2.A.16. Explain why no list of four polynomials spans P4(F)\mathcal{P}_4(F).

Solution:
P4(F)\mathcal{P}_4(F) 的标准基为 1,z,z2,z3,z41, z, z^2, z^3, z^4,包含 5 个元素,因此它是一个维度为 5 的空间(或者说存在长度为 5 的线性无关列表)。
根据 Theorem 2.22,线性无关列表的长度不能超过张成列表的长度。
因此,长度为 4 的列表绝对无法张成 P4(F)\mathcal{P}_4(F)。

2.A.17. Prove that VV is infinite-dimensional if and only if there is a sequence v1,v2,…v_1, v_2, \dots of vectors in VV such that v1,…,vmv_1, \dots, v_m is linearly independent for every positive integer mm.

Solution:
(  ⟸  \impliedby) 如果存在这样的序列,则对任意正整数 mm,VV 中都存在长度为 mm 的线性无关列表。
如果 VV 是有限维的,设其张成列表长度为 NN,由 Theorem 2.22,任何线性无关列表长度 ≤N\le N。
这与可以构造任意长度 m>Nm > N 的线性无关列表矛盾。
故 VV 必然是无限维的。
(  ⟹  \implies) 如果 VV 是无限维的,则它没有有限的张成列表。我们可以递归地构造序列:
选 v1≠0v_1 \neq 0;因为 span(v1)≠V\text{span}(v_1) \neq V,选 v2∉span(v1)v_2 \notin \text{span}(v_1);
一般地,假设已选好 v1,…,vmv_1, \dots, v_m,因为 VV 无限维,span(v1,…,vm)≠V\text{span}(v_1, \dots, v_m) \neq V,
故总可以选 vm+1∉span(v1,…,vm)v_{m+1} \notin \text{span}(v_1, \dots, v_m)。
由构造过程及线性相关引理,v1,…,vmv_1, \dots, v_m 必然线性无关。


5. Concept Map (概念联系图)

向量列表 (List of Vectors)
 │
 ├── 线性组合 (Linear Combination)
 │    │
 │    └── 张成 (Span) ──> 包含这些向量的【最小子空间】
 │         │
 │         ├── 有限维向量空间 (Finite-Dimensional)
 │         └── 无限维向量空间 (Infinite-Dimensional)
 │
 └── 线性无关 (Linearly Independent) / 线性相关 (Linearly Dependent)
      │
      └── 线性相关引理 (Linear Dependence Lemma) ──> 剔除冗余向量,保持 Span 不变
           │
           └── 核心定理:【线性无关列表长度】 $\le$ 【张成列表长度】
                │
                └── 推论:有限维向量空间的【任何子空间】也是有限维的

6. Questions to Carry Forward (下节课前瞻)

既然在有限维空间中,线性无关列表的长度不能超过张成列表的长度,那么是否存在一个列表,它既是线性无关的,又能张成整个空间?
这样的列表被称为基(Basis)。
一个空间的基的长度是否唯一?(这将引出线性代数中极其重要的概念:维度 Dimension)。