1. Introduction (引言:为什么我们需要”造”新的向量空间?)
到目前为止,我们手上的向量空间大致是”现成”的:F n \mathbf{F}^n F n 、P m ( F ) \mathcal{P}_m(\mathbf{F}) P m ( F ) 、F m , n \mathbf{F}^{m,n} F m , n 、L ( V , W ) \mathcal{L}(V,W) L ( V , W ) ,以及某个映射的零空间与值域。本讲要做的是一件更主动的事——用两个已知的向量空间,造出一个新的向量空间 。
动机来自于两件在数学里反复出现的操作:
“打包” :如果我们同时关心两个(或 m m m 个)空间里的量,最自然的做法是把它们并排放在一个列表里 。平面上一个点的坐标 ( x , y ) (x,y) ( x , y ) 其实就是把两个实数打包;物理里”位置 + + + 动量”是打包;函数 f : { 1 , … , m } → R f: \{1,\dots,m\} \to \mathbf{R} f : { 1 , … , m } → R 的记录方式 ( f ( 1 ) , … , f ( m ) ) (f(1),\dots,f(m)) ( f ( 1 ) , … , f ( m )) 也是打包。这就是乘积空间 (product) ,它回答的问题是:把若干个空间并排放置,得到的是什么空间?
“粘合” :如果我们只关心某个向量在忽略掉一部分信息之后 的剩余内容呢?例如在 R 2 \mathbf{R}^2 R 2 中,我们只关心一个点落在哪一条平行于某方向的直线上,而不管它在这条直线上的具体位置——这时”直线”本身就成了新的”点”。这就是商空间 (quotient) ,它回答的问题是:把某些向量视为”无差别”,会得到什么空间?
这两个操作恰好是互为对偶 的:乘积是”往里加维度”(dim \dim dim 相加),商是”往外减维度”(dim \dim dim 相减)。而本讲最后会看到,商空间不是玩具——它是线性映射基本定理的几何化身 :任何一个映射 T T T 都把 V V V 压缩成 V / null T V/\text{null } T V / null T ,而后者与 range T \text{range } T range T 同构(定理 3.107 )。lecture 6 里那条”信息守恒律”,本讲会给出它最漂亮的解释。
本讲涉及的向量空间不止一个 ,因此按惯例约定:本讲出现的所有 向量空间都在同一个域 F \mathbf{F} F 上,否则谈论它们之间的关系没有意义。
2. Products of Vector Spaces (向量空间的乘积)
2.1 Definition: product of vector spaces (3.87)
向量空间之间怎么会有”乘积”?先回顾一个有数学分析背景的读者一定见过的对象:两个集合 A , B A, B A , B 的笛卡尔积 (Cartesian product)
A × B = { ( a , b ) : a ∈ A , b ∈ B } , A \times B = \{(a,b) : a \in A,\ b \in B\}, A × B = {( a , b ) : a ∈ A , b ∈ B } ,
用语言描述就是:各取它们一个元素,组成的所有有序对的集合 。
而向量空间本身就是集合。于是思路立刻就有了——但仅仅”是一个集合”还不够:我们想要的是向量空间 ,所以还必须在乘积集合上定义加法与数乘 ,并且定义方式要让”新空间继承了旧空间的结构”。
Definition 3.87 (product of vector spaces)
设 V 1 , … , V m V_1,\dots,V_m V 1 , … , V m 是 F \mathbf{F} F 上的向量空间。
乘积 V 1 × ⋯ × V m V_1 \times \dots \times V_m V 1 × ⋯ × V m 定义为
V 1 × ⋯ × V m = { ( v 1 , … , v m ) : v 1 ∈ V 1 , … , v m ∈ V m } . V_1 \times \dots \times V_m = \{(v_1,\dots,v_m) : v_1 \in V_1,\dots,v_m \in V_m\}. V 1 × ⋯ × V m = {( v 1 , … , v m ) : v 1 ∈ V 1 , … , v m ∈ V m } .
V 1 × ⋯ × V m V_1 \times \dots \times V_m V 1 × ⋯ × V m 上的加法 定义为
( u 1 , … , u m ) + ( v 1 , … , v m ) = ( u 1 + v 1 , … , u m + v m ) . (u_1,\dots,u_m) + (v_1,\dots,v_m) = (u_1+v_1,\dots,u_m+v_m). ( u 1 , … , u m ) + ( v 1 , … , v m ) = ( u 1 + v 1 , … , u m + v m ) .
V 1 × ⋯ × V m V_1 \times \dots \times V_m V 1 × ⋯ × V m 上的标量乘法 定义为
λ ( v 1 , … , v m ) = ( λ v 1 , … , λ v m ) . \lambda(v_1,\dots,v_m) = (\lambda v_1,\dots,\lambda v_m). λ ( v 1 , … , v m ) = ( λ v 1 , … , λ v m ) .
为什么加法要”逐位相加”? 因为没有别的自然选择 。乘积空间的元素是一个列表,列表的第 k k k 位来自 V k V_k V k ;而 V k V_k V k 里唯一已有的加法就是 V k V_k V k 自己的加法。所以逐位相加不是”规定”,而是唯一能被旧结构推导出来的做法 ——新空间的运算必须建立在旧空间的运算之上。这与 lecture 7 中”矩阵加法为什么逐元素相加”的因果完全一致:那里的理由是”向量相加 = 坐标逐位相加”,这里的理由更直接——积空间的一个元素就是若干个向量的并排记录,对记录做加法就是逐条做加法 。
2.2 Example: product of P 5 ( R ) \mathcal{P}_5(\mathbf{R}) P 5 ( R ) and R 3 \mathbf{R}^3 R 3 (3.88)
Example 3.88
P 5 ( R ) × R 3 \mathcal{P}_5(\mathbf{R}) \times \mathbf{R}^3 P 5 ( R ) × R 3 的元素是长度为 2 的列表 ,第一位是 P 5 ( R ) \mathcal{P}_5(\mathbf{R}) P 5 ( R ) 中的元素,第二位是 R 3 \mathbf{R}^3 R 3 中的元素。
例如 ( 5 − 6 x + 4 x 2 , ( 3 , 8 , 7 ) ) (5 - 6x + 4x^2,\ (3,8,7)) ( 5 − 6 x + 4 x 2 , ( 3 , 8 , 7 )) 与 ( x + 9 x 5 , ( 2 , 2 , 2 ) ) (x + 9x^5,\ (2,2,2)) ( x + 9 x 5 , ( 2 , 2 , 2 )) 都是 P 5 ( R ) × R 3 \mathcal{P}_5(\mathbf{R}) \times \mathbf{R}^3 P 5 ( R ) × R 3 的元素。它们的和定义为
( 5 − 6 x + 4 x 2 , ( 3 , 8 , 7 ) ) + ( x + 9 x 5 , ( 2 , 2 , 2 ) ) = ( 5 − 5 x + 4 x 2 + 9 x 5 , ( 5 , 10 , 9 ) ) . (5 - 6x + 4x^2,\ (3,8,7)) + (x + 9x^5,\ (2,2,2)) = (5 - 5x + 4x^2 + 9x^5,\ (5,10,9)). ( 5 − 6 x + 4 x 2 , ( 3 , 8 , 7 )) + ( x + 9 x 5 , ( 2 , 2 , 2 )) = ( 5 − 5 x + 4 x 2 + 9 x 5 , ( 5 , 10 , 9 )) .
又 2 ( 5 − 6 x + 4 x 2 , ( 3 , 8 , 7 ) ) = ( 10 − 12 x + 8 x 2 , ( 6 , 16 , 14 ) ) 2(5 - 6x + 4x^2,\ (3,8,7)) = (10 - 12x + 8x^2,\ (6,16,14)) 2 ( 5 − 6 x + 4 x 2 , ( 3 , 8 , 7 )) = ( 10 − 12 x + 8 x 2 , ( 6 , 16 , 14 )) 。
要点 :乘积空间里不同”种类”的对象可以并排放置 。第一位是多项式、第二位是三元组,这种”混合”正是乘积空间的用途——它让我们可以把一个多项式和一个向量当成一个整体 来讨论。(这在后续讨论”不变子空间分解”时会非常有用:V = V 1 ⊕ ⋯ ⊕ V m V = V_1 \oplus \dots \oplus V_m V = V 1 ⊕ ⋯ ⊕ V m 的一个元素,本质上就是 V 1 × ⋯ × V m V_1 \times \dots \times V_m V 1 × ⋯ × V m 的一个元素。)
2.3 Theorem: product of vector spaces is a vector space (3.89)
乘积本身当然是一个集合,但它是向量空间吗?
Theorem 3.89 (product of vector spaces is a vector space)
设 V 1 , … , V m V_1,\dots,V_m V 1 , … , V m 是 F \mathbf{F} F 上的向量空间。则 V 1 × ⋯ × V m V_1 \times \dots \times V_m V 1 × ⋯ × V m 是 F \mathbf{F} F 上的向量空间。
证明 :(Axler 把验证留给读者,这里补完关键几条。)
空间公理里最有内容的是”封闭性”两条,其余都是逐位继承 :
加法封闭 :设 ( u 1 , … , u m ) , ( v 1 , … , v m ) ∈ V 1 × ⋯ × V m (u_1,\dots,u_m), (v_1,\dots,v_m) \in V_1 \times \dots \times V_m ( u 1 , … , u m ) , ( v 1 , … , v m ) ∈ V 1 × ⋯ × V m 。每一位 u k , v k u_k, v_k u k , v k 都在 V k V_k V k 中,而 V k V_k V k 对加法封闭,故 u k + v k ∈ V k u_k + v_k \in V_k u k + v k ∈ V k ,于是
( u 1 + v 1 , … , u m + v m ) ∈ V 1 × ⋯ × V m . (u_1+v_1,\dots,u_m+v_m) \in V_1 \times \dots \times V_m. ( u 1 + v 1 , … , u m + v m ) ∈ V 1 × ⋯ × V m .
数乘封闭 :设 λ ∈ F \lambda \in \mathbf{F} λ ∈ F ,( v 1 , … , v m ) ∈ V 1 × ⋯ × V m (v_1,\dots,v_m) \in V_1 \times \dots \times V_m ( v 1 , … , v m ) ∈ V 1 × ⋯ × V m 。由 V k V_k V k 对数乘封闭,λ v k ∈ V k \lambda v_k \in V_k λ v k ∈ V k ,故 λ ( v 1 , … , v m ) ∈ V 1 × ⋯ × V m \lambda(v_1,\dots,v_m) \in V_1 \times \dots \times V_m λ ( v 1 , … , v m ) ∈ V 1 × ⋯ × V m 。
加法单位元 :是 ( 0 , … , 0 ) (0,\dots,0) ( 0 , … , 0 ) ,其中第 k k k 位的 0 0 0 是 V k V_k V k 的加法单位元。
加法逆元 :( v 1 , … , v m ) (v_1,\dots,v_m) ( v 1 , … , v m ) 的加法逆元是 ( − v 1 , … , − v m ) (-v_1,\dots,-v_m) ( − v 1 , … , − v m ) 。
至于交换律、结合律、分配律 ,它们全部在”逐位”意义下成立——例如
( u 1 , … , u m ) + ( v 1 , … , v m ) = ( u 1 + v 1 , … , u m + v m ) = ( v 1 + u 1 , … , v m + u m ) , (u_1,\dots,u_m) + (v_1,\dots,v_m) = (u_1+v_1,\dots,u_m+v_m) = (v_1+u_1,\dots,v_m+u_m), ( u 1 , … , u m ) + ( v 1 , … , v m ) = ( u 1 + v 1 , … , u m + v m ) = ( v 1 + u 1 , … , v m + u m ) ,
最后一步只是把每个 V k V_k V k 里的加法交换律用了一遍。没有一步需要新想法 ,这正是”结构继承”的含义。■ \blacksquare ■
这条定理的价值 :它说明”并排放置”这个操作不会漏出向量空间的范畴 。换句话说,F \mathbf{F} F -向量空间这一类对象在乘积运算下是封闭 的。这也让我们可以安心地把乘积空间当作与 F n \mathbf{F}^n F n 、P m \mathcal{P}_m P m 同等的讨论对象。
2.4 Example: R 2 × R 3 ≠ R 5 \mathbf{R}^2 \times \mathbf{R}^3 \neq \mathbf{R}^5 R 2 × R 3 = R 5 but R 2 × R 3 ≅ R 5 \mathbf{R}^2 \times \mathbf{R}^3 \cong \mathbf{R}^5 R 2 × R 3 ≅ R 5 (3.90)
Example 3.90
R 2 × R 3 \mathbf{R}^2 \times \mathbf{R}^3 R 2 × R 3 的元素是形如
( ( x 1 , x 2 ) , ( x 3 , x 4 , x 5 ) ) \big((x_1,x_2),\ (x_3,x_4,x_5)\big) ( ( x 1 , x 2 ) , ( x 3 , x 4 , x 5 ) )
的列表,而 R 5 \mathbf{R}^5 R 5 的元素是形如
( x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 ) (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5) ( x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 )
的列表。
虽然它们看起来很像,R 2 × R 3 \mathbf{R}^2 \times \mathbf{R}^3 R 2 × R 3 不等于 R 5 \mathbf{R}^5 R 5 :前者的元素是长度为 2 的列表(第一项本身是一个长度为 2 的列表,第二项是长度为 3 的列表),后者的元素是长度为 5 的列表。这是两种不同类型的对象 。
不过,线性映射
( ( x 1 , x 2 ) , ( x 3 , x 4 , x 5 ) ) ↦ ( x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 ) \big((x_1,x_2),\ (x_3,x_4,x_5)\big) \mapsto (x_1,x_2,x_3,x_4,x_5) ( ( x 1 , x 2 ) , ( x 3 , x 4 , x 5 ) ) ↦ ( x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 )
是 R 2 × R 3 \mathbf{R}^2 \times \mathbf{R}^3 R 2 × R 3 到 R 5 \mathbf{R}^5 R 5 之上 的同构(它显然线性,且可逆——把括号拆掉/合上即可)。因此这两个空间同构 ,尽管它们不相等 。
这个例子的重点 :请务必把相等 与同构 区分开。R 2 × R 3 ≠ R 5 \mathbf{R}^2 \times \mathbf{R}^3 \neq \mathbf{R}^5 R 2 × R 3 = R 5 ,但 R 2 × R 3 ≅ R 5 \mathbf{R}^2 \times \mathbf{R}^3 \cong \mathbf{R}^5 R 2 × R 3 ≅ R 5 。由 定理 3.70 ,只要能算出维数就能预言这个同构(2 + 3 = 5 2 + 3 = 5 2 + 3 = 5 ,见 定理 3.92 )。
为什么 Axler 说这个同构”如此自然,以至于我们应该把它看作重新贴标签”? 因为没有人会真的去写出它 ——它的定义方式不依赖任何基或人为选择,只是”把嵌套的列表摊平”。这类”不依赖选择”的同构在数学里被称为自然同构 (natural isomorphism) ,比那些依赖选基的同构更受青睐。(Lecture 10 的习题 3.F.32 会给出另一个著名的例子:V ≅ V ′ ′ V \cong V'' V ≅ V ′′ 是自然的,而 V ≅ V ′ V \cong V' V ≅ V ′ 则不是。)有些人不严谨地说 ”R 2 × R 3 \mathbf{R}^2 \times \mathbf{R}^3 R 2 × R 3 就是 R 5 \mathbf{R}^5 R 5 “,这在技术上不正确,但它抓住了”通过重贴标签等同起来”的精神。
2.5 Example: a basis of P 2 ( R ) × R 2 \mathcal{P}_2(\mathbf{R}) \times \mathbf{R}^2 P 2 ( R ) × R 2 (3.91)
下面这个例子是 定理 3.92 证明中所用思路的预演。
Example 3.91
考虑 P 2 ( R ) × R 2 \mathcal{P}_2(\mathbf{R}) \times \mathbf{R}^2 P 2 ( R ) × R 2 中这个长度为 5 的列表:
( 1 , ( 0 , 0 ) ) , ( x , ( 0 , 0 ) ) , ( x 2 , ( 0 , 0 ) ) , ( 0 , ( 1 , 0 ) ) , ( 0 , ( 0 , 1 ) ) . (1,(0,0)),\ (x,(0,0)),\ (x^2,(0,0)),\ (0,(1,0)),\ (0,(0,1)). ( 1 , ( 0 , 0 )) , ( x , ( 0 , 0 )) , ( x 2 , ( 0 , 0 )) , ( 0 , ( 1 , 0 )) , ( 0 , ( 0 , 1 )) .
这个列表线性无关,并且张成 P 2 ( R ) × R 2 \mathcal{P}_2(\mathbf{R}) \times \mathbf{R}^2 P 2 ( R ) × R 2 。因此它是 P 2 ( R ) × R 2 \mathcal{P}_2(\mathbf{R}) \times \mathbf{R}^2 P 2 ( R ) × R 2 的一组基 。
为什么? 前三个向量只在第一位非零,它们正好”负责”第一位(P 2 ( R ) \mathcal{P}_2(\mathbf{R}) P 2 ( R ) 的标准基被搬了过来,其余位补 0 0 0 );后两个向量只在第二位非零,负责第二位(R 2 \mathbf{R}^2 R 2 的标准基)。任何元素 ( p , ( a , b ) ) (p, (a,b)) ( p , ( a , b )) 都可以按第一位、第二位分别 展开,两组基向量互不干扰。
这个”分块”的直觉就是维数可加的全部内容 :把每个分量的基搬到乘积空间里(其余位补 0 0 0 ),拼起来就是乘积空间的基。
2.6 Theorem: dimension of a product is the sum of dimensions (3.92)
Theorem 3.92 (dimension of a product is the sum of dimensions)
设 V 1 , … , V m V_1,\dots,V_m V 1 , … , V m 是有限维向量空间。则 V 1 × ⋯ × V m V_1 \times \dots \times V_m V 1 × ⋯ × V m 有限维,且
dim ( V 1 × ⋯ × V m ) = dim V 1 + ⋯ + dim V m . \dim(V_1 \times \dots \times V_m) = \dim V_1 + \dots + \dim V_m. dim ( V 1 × ⋯ × V m ) = dim V 1 + ⋯ + dim V m .
证明 :对每个 V k V_k V k 取一组基。对每个 V k V_k V k 的每个基向量 ,构造 V 1 × ⋯ × V m V_1 \times \dots \times V_m V 1 × ⋯ × V m 中这样一个元素:第 k k k 位放该基向量,其余各位放 0 0 0 。设所有这样得到的向量组成的列表为 B \mathcal{B} B 。
B \mathcal{B} B 张成 V 1 × ⋯ × V m V_1 \times \dots \times V_m V 1 × ⋯ × V m :任取 ( v 1 , … , v m ) (v_1,\dots,v_m) ( v 1 , … , v m ) 。对每个 k k k ,把 v k v_k v k 用 V k V_k V k 的基展开;这个展开式逐位搬进乘积空间,正好给出 ( v 1 , … , v m ) (v_1,\dots,v_m) ( v 1 , … , v m ) 用 B \mathcal{B} B 的线性组合表示(第 k k k 位的组合系数只作用在第 k k k 位的那批向量上)。
B \mathcal{B} B 线性无关 :设 B \mathcal{B} B 的一个线性组合等于 0 = ( 0 , … , 0 ) 0 = (0,\dots,0) 0 = ( 0 , … , 0 ) 。看第 k k k 位 :只有来自 V k V_k V k 基向量的那些项在这一位有贡献,故这一位给出 V k V_k V k 的基的一个线性组合等于 0 0 0 ;由基线性无关,这些系数全为 0 0 0 。对每个 k k k 都如此,故所有系数为 0 0 0 。
因此 B \mathcal{B} B 是 V 1 × ⋯ × V m V_1 \times \dots \times V_m V 1 × ⋯ × V m 的一组基。它的长度是
dim V 1 + ⋯ + dim V m , \dim V_1 + \dots + \dim V_m, dim V 1 + ⋯ + dim V m ,
这正是所求。■ \blacksquare ■
解读 :dim \dim dim 在乘积下可加 。这与 lecture 2/3 中的结论形成对照——在和空间 V 1 + ⋯ + V m V_1 + \dots + V_m V 1 + ⋯ + V m (subspace sum)中,维数一般不可加 (会有重复计算),只有当和是直和 时才能相加。第 3 节就要把这两件事精确地联系起来。
3. Products and Direct Sums (乘积与直和)
3.1 Theorem: products and direct sums (3.93)
现在把”乘积”与 lecture 2 就学过的”直和”联系起来。设 V 1 , … , V m V_1,\dots,V_m V 1 , … , V m 是同一个 空间 V V V 的子空间。我们想比较两种对象:
乘积 V 1 × ⋯ × V m V_1 \times \dots \times V_m V 1 × ⋯ × V m :元素是列表 ( v 1 , … , v m ) (v_1,\dots,v_m) ( v 1 , … , v m ) ;
和 V 1 + ⋯ + V m V_1 + \dots + V_m V 1 + ⋯ + V m :元素是和 v 1 + ⋯ + v m v_1 + \dots + v_m v 1 + ⋯ + v m 。
这两者之间的桥梁显然是”把列表加起来”这个映射。
Theorem 3.93 (products and direct sums)
设 V 1 , … , V m V_1,\dots,V_m V 1 , … , V m 是 V V V 的子空间。定义线性映射
Γ : V 1 × ⋯ × V m → V 1 + ⋯ + V m , Γ ( v 1 , … , v m ) = v 1 + ⋯ + v m . \Gamma : V_1 \times \dots \times V_m \to V_1 + \dots + V_m, \qquad \Gamma(v_1,\dots,v_m) = v_1 + \dots + v_m. Γ : V 1 × ⋯ × V m → V 1 + ⋯ + V m , Γ ( v 1 , … , v m ) = v 1 + ⋯ + v m .
则 V 1 + ⋯ + V m V_1 + \dots + V_m V 1 + ⋯ + V m 是直和 当且仅当 Γ \Gamma Γ 是单射 。
证明 :由 定理 3.15 ,Γ \Gamma Γ 单射当且仅当 null Γ = { 0 } \text{null } \Gamma = \{0\} null Γ = { 0 } ,即把 0 0 0 写成 v 1 + ⋯ + v m v_1 + \dots + v_m v 1 + ⋯ + v m (每个 v k ∈ V k v_k \in V_k v k ∈ V k )的唯一方式,是取每个 v k = 0 v_k = 0 v k = 0 。而这正是 lecture 2 中直和的定义(0 0 0 的表示唯一)。故两者等价。■ \blacksquare ■
为什么这条定理重要? 它把”直和”这个看起来关于表示唯一性 的抽象条件,翻译成了一个关于映射 的条件。而映射是有工具的(单射、值域、基本定理),于是抽象的直和概念立刻变得可以计算——这就是下一节的内容。
值得注意的点 :Γ \Gamma Γ 总是满射 的,因为 V 1 + ⋯ + V m V_1 + \dots + V_m V 1 + ⋯ + V m 的定义就是”所有 v 1 + ⋯ + v m v_1 + \dots + v_m v 1 + ⋯ + v m 的集合”。所以对 Γ \Gamma Γ 而言,“单射”与”可逆”是同一件事;定理 3.94 的说法正是利用了这一点。
3.2 Theorem: a sum is a direct sum iff dimensions add up (3.94)
Theorem 3.94 (a sum is a direct sum if and only if dimensions add up)
设 V V V 有限维,V 1 , … , V m V_1,\dots,V_m V 1 , … , V m 是 V V V 的子空间。则 V 1 + ⋯ + V m V_1 + \dots + V_m V 1 + ⋯ + V m 是直和当且仅当
dim ( V 1 + ⋯ + V m ) = dim V 1 + ⋯ + dim V m . \dim(V_1 + \dots + V_m) = \dim V_1 + \dots + \dim V_m. dim ( V 1 + ⋯ + V m ) = dim V 1 + ⋯ + dim V m .
证明 :定理 3.93 中的 Γ \Gamma Γ 是满射 (由和空间的定义)。于是由线性映射基本定理(定理 3.21 ),Γ \Gamma Γ 单射当且仅当
dim ( V 1 + ⋯ + V m ) = dim ( V 1 × ⋯ × V m ) . \dim(V_1 + \dots + V_m) = \dim(V_1 \times \dots \times V_m). dim ( V 1 + ⋯ + V m ) = dim ( V 1 × ⋯ × V m ) .
再由 定理 3.92 ,dim ( V 1 × ⋯ × V m ) = dim V 1 + ⋯ + dim V m \dim(V_1 \times \dots \times V_m) = \dim V_1 + \dots + \dim V_m dim ( V 1 × ⋯ × V m ) = dim V 1 + ⋯ + dim V m 。把两件事合起来,V 1 + ⋯ + V m V_1 + \dots + V_m V 1 + ⋯ + V m 是直和当且仅当
dim ( V 1 + ⋯ + V m ) = dim V 1 + ⋯ + dim V m . ■ \dim(V_1 + \dots + V_m) = \dim V_1 + \dots + \dim V_m. \qquad\blacksquare dim ( V 1 + ⋯ + V m ) = dim V 1 + ⋯ + dim V m . ■
因果骨架一句话 :
直和 ⟺ 3.93 Γ 单射 ⟺ 3.21 dim ( domain ) = dim ( range ) ⟺ 3.92 dim 可加 . \text{直和} \overset{\text{3.93}}{\iff} \Gamma \text{ 单射} \overset{\text{3.21}}{\iff} \dim(\text{domain}) = \dim(\text{range}) \overset{\text{3.92}}{\iff} \dim \text{可加}. 直和 ⟺ 3.93 Γ 单射 ⟺ 3.21 dim ( domain ) = dim ( range ) ⟺ 3.92 dim 可加 .
这条定理为什么”应该”成立? 直觉上,“直和”的含义就是各个子空间互不重叠 (唯一的公共元素是 0 0 0 )。如果它们互不重叠,那么把它们拼起来时每个子空间的每一维都被完整地保留 ,总维数自然就是各维数之和。反之,只要有任何”重叠”,就意味着某些维数被重复计算了两次,总维数就会小于 和。所以
dim ( V 1 + ⋯ + V m ) ≤ dim V 1 + ⋯ + dim V m \dim(V_1 + \dots + V_m) \le \dim V_1 + \dots + \dim V_m dim ( V 1 + ⋯ + V m ) ≤ dim V 1 + ⋯ + dim V m
永远成立 ,而取等号 恰好刻画了”没有重叠”,也就是直和。
Remark(m = 2 m = 2 m = 2 的特殊情形)
当 m = 2 m = 2 m = 2 时,还有一个更初等的证明:由 lecture 2 的 1.46 与 2.43 组合即可得到”V 1 + V 2 V_1 + V_2 V 1 + V 2 是直和 ⟺ dim ( V 1 + V 2 ) = dim V 1 + dim V 2 \iff \dim(V_1+V_2) = \dim V_1 + \dim V_2 ⟺ dim ( V 1 + V 2 ) = dim V 1 + dim V 2 “。本定理把这件事推广到了任意多个子空间,而证明反而更短——因为我们换用了更好的工具(映射与基本定理),而不是更复杂的计算 。这又一次印证了 Axler 的思想:挑对视角,证明会短一半。
4. Quotients of Vector Spaces (向量空间的商)
4.1 Notation: v + U v + U v + U (3.95) 与 Example (3.96)
前面我们把空间”并排打包”(乘积),现在要做一件相反的事:把某些向量视为无差别,从而”粘起来”一部分维度 。第一步是描述”把子空间搬到别处”这个操作。
Notation 3.95 (v + U v + U v + U )
设 v ∈ V v \in V v ∈ V ,U ⊆ V U \subseteq V U ⊆ V 。则 v + U v + U v + U 是 V V V 的如下子集:
v + U = { v + u : u ∈ U } . v + U = \{v + u : u \in U\}. v + U = { v + u : u ∈ U } .
Example 3.96
设 U = { ( x , 2 x ) ∈ R 2 : x ∈ R } U = \{(x,2x) \in \mathbf{R}^2 : x \in \mathbf{R}\} U = {( x , 2 x ) ∈ R 2 : x ∈ R } ,即 R 2 \mathbf{R}^2 R 2 中过原点、斜率为 2 2 2 的直线。则
( 17 , 20 ) + U (17,20) + U ( 17 , 20 ) + U
是 R 2 \mathbf{R}^2 R 2 中过点 ( 17 , 20 ) (17,20) ( 17 , 20 ) 、斜率为 2 2 2 的直线。因为 ( 10 , 20 ) ∈ U (10,20) \in U ( 10 , 20 ) ∈ U 而 ( 17 , 20 ) ∈ ( 17 , 20 ) + U (17,20) \in (17,20)+U ( 17 , 20 ) ∈ ( 17 , 20 ) + U ,可见 ( 17 , 20 ) + U (17,20)+U ( 17 , 20 ) + U 就是把 U U U 向右平移 7 个单位 得到的。
Definition 3.97 (translate)
对 v ∈ V v \in V v ∈ V 与 U ⊆ V U \subseteq V U ⊆ V ,集合 v + U v + U v + U 称为 U U U 的一个平移 (translate) 。
Remark(“平移”这个称谓比”仿射子集”更直观)
第三版把这样的集合称为 U U U 的仿射子集 (affine subset) ,第四版改用了平移 。“affine”一词源自拉丁语 affinis (“邻近的、有亲缘关系的”),Euler 用它来表示”与……相关的”;它在数学里是一整套术语的开端:仿射空间、仿射变换、仿射组合、仿射包……这些名字的共同点是”仿射”本身不告诉你任何图像 ——你必须先学会”仿射 = 保持线性组合且系数和为 1 1 1 “这条代数定义,才能明白它在说什么。
而 translate 直接就是几何动作 :把 U U U 整体滑动到别处。于是”v + U v + U v + U 是什么”这个问题的答案变成一句可以立刻想象的话——U U U 被平移了 ,而不是”某个满足某种封闭性条件的子集”。两者描述的是同一批对象,但入手方式相反:
第三版:仿射子集 第四版:平移 出发点 性质 :对仿射组合封闭构造 :把子空间整体搬走回答”它是什么” 需要先定义仿射组合 一句话:U U U 动了位置 是否自带原点 不明确 明确:U U U 是”过原点的那一个” 维数 需要先证明”方向空间”良定义 直接就是 dim U \dim U dim U (位置不影响维数)
对 lecture 9 来说,“平移”还有两个额外的便利:
它保留了”原来的 U U U 是谁”这条信息 ——说”U U U 的平移”时,方向空间是随即给出的;而孤立地说”A A A 是仿射子集”时,你并不知道它平行于哪个子空间(要先证 A = v + U A = v + U A = v + U 且 U U U 唯一)。
它让商空间的定义变得顺理成章 :V / U V/U V / U 就是”U U U 的所有平移”,于是”V / U V/U V / U 的元素是层”这一图像不需要额外解释(见 定义 3.99 )。
因此本讲正文一律采用平移 ;在引用第三版习题原文时,保留那里的”仿射子集”字样,并在对照表中注明两者是同一概念。
Example 3.98 (translates)
若 U = { ( x , 2 x ) ∈ R 2 : x ∈ R } U = \{(x,2x) \in \mathbf{R}^2 : x \in \mathbf{R}\} U = {( x , 2 x ) ∈ R 2 : x ∈ R } ,则 R 2 \mathbf{R}^2 R 2 中所有斜率为 2 2 2 的直线都是 U U U 的平移。
更一般地,若 U U U 是 R 2 \mathbf{R}^2 R 2 中的一条直线,则 U U U 的所有平移恰好是 R 2 \mathbf{R}^2 R 2 中所有平行于 U U U 的直线 。
若 U = { ( x , y , 0 ) ∈ R 3 : x , y ∈ R } U = \{(x,y,0) \in \mathbf{R}^3 : x,y \in \mathbf{R}\} U = {( x , y , 0 ) ∈ R 3 : x , y ∈ R } ,则 U U U 的平移是 R 3 \mathbf{R}^3 R 3 中所有平行于 x y xy x y 平面 的平面。
更一般地,若 U U U 是 R 3 \mathbf{R}^3 R 3 中的一个平面,则 U U U 的所有平移恰好是所有平行于 U U U 的平面。
几何图像(看到这里时一定要在脑海中构想) :平移 = 把过原点的那个子空间整体”拖走”到别处 。在 R 2 \mathbf{R}^2 R 2 中,一维子空间是过原点的直线,“它的所有平移”就是这个方向的全部平行直线 ——这些直线铺满 了整个平面,且两两不交 。在 R 3 \mathbf{R}^3 R 3 中,二维子空间是过原点的平面,“它的所有平移”就是这个方向的全部平行平面 ,同样铺满空间、两两不交。
这个”铺满 + 两两不交”的图像,就是下一节”商空间”的全部几何内容。它和”把平面按平行线分层”是同一件事。
4.2 Definition: quotient space, V / U V/U V / U (3.99) 与 Example (3.100)
Definition 3.99 (quotient space, V / U V/U V / U )
设 U U U 是 V V V 的子空间。则商空间 (quotient space) V / U V/U V / U 是 U U U 的所有平移构成的集合。即
V / U = { v + U : v ∈ V } . V/U = \{v + U : v \in V\}. V / U = { v + U : v ∈ V } .
为什么要把”平移”当作新的向量 ?
回到 U = { ( x , 2 x ) } U = \{(x,2x)\} U = {( x , 2 x )} 的例子。U U U 的平移是斜率为 2 2 2 的所有平行直线。现在设想我问你:“点 ( 17 , 20 ) (17,20) ( 17 , 20 ) 在哪条斜率为 2 2 2 的直线上?“这个问题的答案不是 一个点,而是一条直线 ——即 ( 17 , 20 ) + U (17,20) + U ( 17 , 20 ) + U 。也就是说,当我们决定”不再区分同一条直线上的点”时,直线本身就成了新的基本对象 。
这正是”商”的含义:商的英文 quotient 来自拉丁语 quotiens (“多少次”),本意是”把……分成多少份”。V / U V/U V / U 就是把 V V V 按 U U U 的方向”分层”,每一层压成一个点。U U U 本身被压成了原点 (U = 0 + U U = 0 + U U = 0 + U ),因为它就是”过原点的那一层”。
Example 3.100 (quotient spaces)
若 U = { ( x , 2 x ) ∈ R 2 : x ∈ R } U = \{(x,2x) \in \mathbf{R}^2 : x \in \mathbf{R}\} U = {( x , 2 x ) ∈ R 2 : x ∈ R } ,则 R 2 / U \mathbf{R}^2/U R 2 / U 是 R 2 \mathbf{R}^2 R 2 中所有斜率为 2 2 2 的直线构成的集合。
若 U U U 是 R 3 \mathbf{R}^3 R 3 中过原点的一条直线,则 R 3 / U \mathbf{R}^3/U R 3 / U 是 R 3 \mathbf{R}^3 R 3 中所有平行于 U U U 的直线构成的集合。
若 U U U 是 R 3 \mathbf{R}^3 R 3 中过原点的一个平面,则 R 3 / U \mathbf{R}^3/U R 3 / U 是所有平行于 U U U 的平面构成的集合。
4.3 Theorem: two translates are equal or disjoint (3.101)
在上面的几何图像里,“平行直线”有一个关键性质:两条平行直线要么完全重合,要么完全不相交 ——绝不会有”交于一点”的情形。这条几何事实是让 V / U V/U V / U 成为向量空间的技术前提,我们把它写成定理。
Theorem 3.101 (two translates of a subspace are equal or disjoint)
设 U U U 是 V V V 的子空间,v , w ∈ V v, w \in V v , w ∈ V 。则
v − w ∈ U ⟺ v + U = w + U ⟺ ( v + U ) ∩ ( w + U ) ≠ ∅ . v - w \in U \iff v + U = w + U \iff (v+U) \cap (w+U) \neq \varnothing. v − w ∈ U ⟺ v + U = w + U ⟺ ( v + U ) ∩ ( w + U ) = ∅ .
证明 :分三步,正是上面三个命题的循环。
第一步:v − w ∈ U ⟹ v + U = w + U v - w \in U \Longrightarrow v + U = w + U v − w ∈ U ⟹ v + U = w + U 。 设 v − w ∈ U v - w \in U v − w ∈ U 。若 u ∈ U u \in U u ∈ U ,则
v + u = w + ( ( v − w ) + u ) ⏟ ∈ U ∈ w + U , v + u = w + \underbrace{\big((v-w) + u\big)}_{\in U} \in w + U, v + u = w + ∈ U ( ( v − w ) + u ) ∈ w + U ,
(用到 U U U 对加法封闭)。故 v + U ⊆ w + U v + U \subseteq w + U v + U ⊆ w + U 。同理(把 v v v 与 w w w 对调),w + U ⊆ v + U w + U \subseteq v + U w + U ⊆ v + U 。故 v + U = w + U v+U = w+U v + U = w + U 。
第二步:v + U = w + U ⟹ ( v + U ) ∩ ( w + U ) ≠ ∅ v + U = w + U \Longrightarrow (v+U) \cap (w+U) \neq \varnothing v + U = w + U ⟹ ( v + U ) ∩ ( w + U ) = ∅ 。 若两者相等,则 v ∈ v + U = w + U v \in v+U = w+U v ∈ v + U = w + U ,故 v v v 属于交集,交集非空。
第三步:( v + U ) ∩ ( w + U ) ≠ ∅ ⟹ v − w ∈ U (v+U) \cap (w+U) \neq \varnothing \Longrightarrow v - w \in U ( v + U ) ∩ ( w + U ) = ∅ ⟹ v − w ∈ U 。 设交集中有元素,即存在 u 1 , u 2 ∈ U u_1, u_2 \in U u 1 , u 2 ∈ U 使
v + u 1 = w + u 2 . v + u_1 = w + u_2. v + u 1 = w + u 2 .
则
v − w = u 2 − u 1 ∈ U , v - w = u_2 - u_1 \in U, v − w = u 2 − u 1 ∈ U ,
(用到 U U U 对加法与取逆封闭)。■ \blacksquare ■
这条定理在说什么? 它是一句”非此即彼 ”的陈述:两个平移要么重合,要么不交 (因为只要相交,就立刻推出它们相等,于是”部分重叠”这种情形被彻底排除)。用等价关系的语言说,v ∼ w ⟺ v − w ∈ U v \sim w \iff v - w \in U v ∼ w ⟺ v − w ∈ U 是 V V V 上的一个等价关系 ,而 V / U V/U V / U 正是它的商集 (这也解释了”商空间”这个名字的来历)。请把这个图像记住:V / U V/U V / U 的元素是 V V V 的一个划分(partition) 。
4.4 Definition: addition and scalar multiplication on V / U V/U V / U (3.102)
现在要让 V / U V/U V / U 成为向量空间。元素是平移 v + U v+U v + U ,那么两个平移怎么相加?最自然的想法是 “代表元相加” ,以几何直观来说,就是我先做一个平移然后再做另一个平移:
( v + U ) + ( w + U ) = ? ( v + w ) + U . (v+U) + (w+U) \overset{?}{=} (v+w) + U. ( v + U ) + ( w + U ) = ? ( v + w ) + U .
Definition 3.102 (addition and scalar multiplication on V / U V/U V / U )
设 U U U 是 V V V 的子空间。则在 V / U V/U V / U 上定义加法与标量乘法为
( v + U ) + ( w + U ) = ( v + w ) + U , λ ( v + U ) = ( λ v ) + U (v+U) + (w+U) = (v+w) + U, \qquad \lambda(v+U) = (\lambda v) + U ( v + U ) + ( w + U ) = ( v + w ) + U , λ ( v + U ) = ( λ v ) + U
对一切 v , w ∈ V v, w \in V v , w ∈ V 与一切 λ ∈ F \lambda \in \mathbf{F} λ ∈ F 成立。
但这里有一个真正的危险,必须专门处理 :平移 v + U v + U v + U 的”代表元 v v v “并不唯一 。由 定理 3.101 ,只要 v ′ − v ∈ U v' - v \in U v ′ − v ∈ U ,就有 v ′ + U = v + U v' + U = v + U v ′ + U = v + U ——同一个平移有无穷多个代表元 。于是”v + U v + U v + U 与 w + U w+U w + U 的和”这个定义里出现了 v v v 和 w w w 这两个任意选择的名字 :如果我换成另一个代表元 v ′ v' v ′ (它代表同一个平移),算出来的 ( v ′ + w ) + U (v' + w) + U ( v ′ + w ) + U 会不会不一样?
如果会不一样,上面这个”定义”就是假的 ——它没有定义任何东西。这正是”商空间”比”乘积空间”麻烦的地方:乘积空间的元素有唯一表示(列表),商空间的元素没有 。下一节的定理就是在证明这个定义确实良定义 (well defined) 。
4.5 Theorem: quotient space is a vector space (3.103)
Theorem 3.103 (quotient space is a vector space)
设 U U U 是 V V V 的子空间。则 V / U V/U V / U 在 定义 3.102 所定义的加法与标量乘法下是一个向量空间。
证明 :我们要证明两件事——(i) 运算良定义;(ii) 八条空间公理成立 。其中 (ii) 是例行验证(Axler 留给读者),真正的内容在 (i)。
(i-a) 加法的良定义性。 假设 v 1 , v 2 , w 1 , w 2 ∈ V v_1, v_2, w_1, w_2 \in V v 1 , v 2 , w 1 , w 2 ∈ V 满足
v 1 + U = v 2 + U 且 w 1 + U = w 2 + U . v_1 + U = v_2 + U \quad\text{且}\quad w_1 + U = w_2 + U. v 1 + U = v 2 + U 且 w 1 + U = w 2 + U .
由 定理 3.101 ,
v 1 − v 2 ∈ U 且 w 1 − w 2 ∈ U . v_1 - v_2 \in U \quad\text{且}\quad w_1 - w_2 \in U. v 1 − v 2 ∈ U 且 w 1 − w 2 ∈ U .
因为 U U U 是子空间,对加法封闭,故
( v 1 − v 2 ) + ( w 1 − w 2 ) ∈ U , (v_1 - v_2) + (w_1 - w_2) \in U, ( v 1 − v 2 ) + ( w 1 − w 2 ) ∈ U ,
即 ( v 1 + w 1 ) − ( v 2 + w 2 ) ∈ U (v_1 + w_1) - (v_2 + w_2) \in U ( v 1 + w 1 ) − ( v 2 + w 2 ) ∈ U 。再用一次 定理 3.101 ,得
( v 1 + w 1 ) + U = ( v 2 + w 2 ) + U , (v_1 + w_1) + U = (v_2 + w_2) + U, ( v 1 + w 1 ) + U = ( v 2 + w 2 ) + U ,
这正是”用两套不同代表元算出的和相同” 。故加法的定义有意义。
(i-b) 标量乘法的良定义性。 仍设 v 1 + U = v 2 + U v_1 + U = v_2 + U v 1 + U = v 2 + U ,即 v 1 − v 2 ∈ U v_1 - v_2 \in U v 1 − v 2 ∈ U 。设 λ ∈ F \lambda \in \mathbf{F} λ ∈ F 。因为 U U U 对数乘封闭,
λ ( v 1 − v 2 ) ∈ U , 即 λ v 1 − λ v 2 ∈ U . \lambda(v_1 - v_2) \in U, \quad\text{即}\quad \lambda v_1 - \lambda v_2 \in U. λ ( v 1 − v 2 ) ∈ U , 即 λ v 1 − λ v 2 ∈ U .
由 定理 3.101 ,( λ v 1 ) + U = ( λ v 2 ) + U (\lambda v_1) + U = (\lambda v_2) + U ( λ v 1 ) + U = ( λ v 2 ) + U 。故标量乘法的定义有意义。
(ii) 空间公理。 现在加法与标量乘法都已良定义,八条公理都是**“抬到代表元上验证”**的例行工作。例如加法交换律:
( v + U ) + ( w + U ) = ( v + w ) + U = ( w + v ) + U = ( w + U ) + ( v + U ) , (v+U) + (w+U) = (v+w)+U = (w+v)+U = (w+U) + (v+U), ( v + U ) + ( w + U ) = ( v + w ) + U = ( w + v ) + U = ( w + U ) + ( v + U ) ,
中间一步只是 V V V 中的加法交换律。又
V / U V/U V / U 的加法单位元 是 0 + U 0 + U 0 + U (它等于 U U U —— 这正是”U U U 被压成原点”的意思);
v + U v + U v + U 的加法逆元 是 ( − v ) + U (-v) + U ( − v ) + U 。
其余公理同理。■ \blacksquare ■
这里着重介绍这个证明,是因为它是本课程中第一个”良定义性”(well-definedness)占主导的证明 。在数学里,只要你用一个非唯一的名字去定义一个对象 ,就必须回头检查”换一个名字结果是否相同”。商空间是这种情形最经典的来源;后面在抽象代数(商群、商环)、拓扑(商拓扑)里会反复遇到同一套模式。识别出”这里需要检查良定义”本身,就是一项重要的数学能力。
4.6 Definition: quotient map, π \pi π (3.104)
要把 V V V 与 V / U V/U V / U 联系起来,最自然的映射是”把每个向量送到它所在的那一层”。
Definition 3.104 (quotient map, π \pi π )
设 U U U 是 V V V 的子空间。商映射 (quotient map) π \pi π 是如下定义的线性映射
π : V → V / U , π ( v ) = v + U \pi : V \to V/U, \qquad \pi(v) = v + U π : V → V / U , π ( v ) = v + U
对每个 v ∈ V v \in V v ∈ V 成立。
请验证 π \pi π 确实是线性的 :由 定义 3.102 ,
π ( v + w ) = ( v + w ) + U = ( v + U ) + ( w + U ) = π ( v ) + π ( w ) , \pi(v + w) = (v+w) + U = (v+U) + (w+U) = \pi(v) + \pi(w), π ( v + w ) = ( v + w ) + U = ( v + U ) + ( w + U ) = π ( v ) + π ( w ) ,
π ( λ v ) = ( λ v ) + U = λ ( v + U ) = λ π ( v ) . \pi(\lambda v) = (\lambda v) + U = \lambda(v+U) = \lambda\,\pi(v). π ( λ v ) = ( λ v ) + U = λ ( v + U ) = λ π ( v ) .
(注意这里”验证线性”几乎是累赘的——因为 V / U V/U V / U 上的运算本来就是照着这个要求定义的 ,这与 lecture 7 中”矩阵乘法被复合强制出来”的因果如出一辙。)
π \pi π 的核心性质 :π \pi π 是满射 (因为 V / U V/U V / U 的元素按定义都形如 v + U = π ( v ) v+U = \pi(v) v + U = π ( v ) ),而它的零空间恰好是 U U U :
π ( v ) = 0 + U ⟺ v + U = U ⟺ v ∈ U , \pi(v) = 0 + U \iff v + U = U \iff v \in U, π ( v ) = 0 + U ⟺ v + U = U ⟺ v ∈ U ,
(第二步用了 定理 3.101 )。用一句话概括:
π 是满射,且 null π = U . \boxed{\ \pi \text{ 是满射,且 } \text{null } \pi = U.\ } π 是满射,且 null π = U .
这句话就是”商掉 U U U “的精确含义:商映射把 U U U 整个压成零,把其余部分一一对应地送到 V / U V/U V / U 。
记号说明 :π \pi π 同时依赖 U U U 与 V V V ,但这两个空间通常由上下文明确,故不写进记号。
4.7 Proposition: dimension of quotient space (3.105)
Proposition 3.105 (dimension of quotient space)
设 V V V 有限维,U U U 是 V V V 的子空间。则
dim V / U = dim V − dim U . \dim V/U = \dim V - \dim U. dim V / U = dim V − dim U .
证明 :设 π \pi π 是从 V V V 到 V / U V/U V / U 的商映射。由上一节的观察,null π = U \text{null } \pi = U null π = U 且 range π = V / U \text{range } \pi = V/U range π = V / U 。把这两个值代入线性映射基本定理(定理 3.21 ):
dim V = dim null π + dim range π = dim U + dim V / U , \dim V = \dim \text{null } \pi + \dim \text{range } \pi = \dim U + \dim V/U, dim V = dim null π + dim range π = dim U + dim V / U ,
移项即得所求。■ \blacksquare ■
解读 :dim \dim dim 在商运算下相减 ——与 定理 3.92 中乘积的”相加”恰好相反。这也符合几何直觉:把 V V V 按 dim U \dim U dim U 维的方向”分层”,剩下的”层参数”就只有 dim V − dim U \dim V - \dim U dim V − dim U 个自由度。例如 R 2 \mathbf{R}^2 R 2 按一条直线(1 1 1 维)分层,得到的”所有平行直线”只需一个 参数刻画,故 dim ( R 2 / U ) = 2 − 1 = 1 \dim(\mathbf{R}^2/U) = 2 - 1 = 1 dim ( R 2 / U ) = 2 − 1 = 1 。✓ \checkmark ✓
这条命题与 定理 3.94 的对称美 :直和说”dim \dim dim 可加”,商说”dim \dim dim 可减”。而这两件事本质上是同一件事 ——都会在第 5 节由 T ~ \tilde{T} T ~ 统一起来。
4.8 Notation: T ~ \tilde{T} T ~ (3.106) 与 Theorem: null space and range of T ~ \tilde{T} T ~ (3.107)
现在我们来到本讲的高潮:每一个线性映射都可以被”修复”成一个单射,而修复的代价就是把定义域商掉它的零空间。
Notation 3.106 (T ~ \tilde{T} T ~ )
设 T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V,W) T ∈ L ( V , W ) 。定义 T ~ : V / ( null T ) → W \tilde{T} : V/(\text{null } T) \to W T ~ : V / ( null T ) → W 为
T ~ ( v + null T ) = T v . \tilde{T}(v + \text{null } T) = Tv. T ~ ( v + null T ) = T v .
又是良定义性问题 :T ~ \tilde{T} T ~ 的输入是平移 v + null T v + \text{null } T v + null T ,代表元不唯一。设 u , v ∈ V u, v \in V u , v ∈ V 满足
u + null T = v + null T . u + \text{null } T = v + \text{null } T. u + null T = v + null T .
由 定理 3.101 ,u − v ∈ null T u - v \in \text{null } T u − v ∈ null T ,故
T ( u − v ) = 0 , 即 T u = T v . T(u-v) = 0, \quad\text{即}\quad Tu = Tv. T ( u − v ) = 0 , 即 T u = T v .
换任何代表元算出来的像都一样 ,所以 T ~ \tilde{T} T ~ 确实良定义。(“验证 T ~ \tilde{T} T ~ 是线性的”是例行工作,不再赘述。)
这个构造的动机 :T T T 不是单射,是因为零空间里那些方向被压成了零 ——它们携带的信息被彻底抹掉了,因此不同输入可能对应到同一个输出。既然这些方向上的差别”本来就无关紧要”,那我们干脆宣布它们等价 ,把它们商掉。商掉之后再问”输出去哪了”,就不会再撞车了。这就是 T ~ \tilde{T} T ~ 的全部想法:把 T T T 的”信息损失”从映射的性质搬到了定义域的结构里。
Theorem 3.107 (null space and range of T ~ \tilde{T} T ~ )
设 T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V,W) T ∈ L ( V , W ) 。则
(a) T ~ ∘ π = T \tilde{T} \circ \pi = T T ~ ∘ π = T ,其中 π \pi π 是 V V V 到 V / ( null T ) V/(\text{null } T) V / ( null T ) 的商映射;
(b) T ~ \tilde{T} T ~ 是单射;
(c) range T ~ = range T \text{range } \tilde{T} = \text{range } T range T ~ = range T ;
(d) V / ( null T ) V/(\text{null } T) V / ( null T ) 与 range T \text{range } T range T 是同构的向量空间。
证明 :
(a) 对 v ∈ V v \in V v ∈ V ,
( T ~ ∘ π ) ( v ) = T ~ ( π ( v ) ) = T ~ ( v + null T ) = T v . (\tilde{T} \circ \pi)(v) = \tilde{T}(\pi(v)) = \tilde{T}(v + \text{null } T) = Tv. ( T ~ ∘ π ) ( v ) = T ~ ( π ( v )) = T ~ ( v + null T ) = T v .
这就是著名的交换图 (commutative diagram) :
V → T W π ↓ ↗ T ~ V / ( null T ) \begin{array}{ccc}
V & \xrightarrow{\ \ T\ \ } & W\\
{\scriptstyle \pi}\big\downarrow & \ \ \nearrow_{\tilde{T}} & \\
V/(\text{null } T) & &
\end{array} V π ↓ ⏐ V / ( null T ) T ↗ T ~ W
“先商掉零空间、再用 T ~ \tilde{T} T ~ 送出去”与”直接用 T T T 送出去”结果相同。等价地,T T T 穿过 (factors through) 商映射。
(b) 设 v ∈ V v \in V v ∈ V 且 T ~ ( v + null T ) = 0 \tilde{T}(v + \text{null } T) = 0 T ~ ( v + null T ) = 0 。则 T v = 0 Tv = 0 T v = 0 ,即 v ∈ null T v \in \text{null } T v ∈ null T 。由 定理 3.101 ,
v + null T = 0 + null T . v + \text{null } T = 0 + \text{null } T. v + null T = 0 + null T .
故 null T ~ = { 0 + null T } \text{null } \tilde{T} = \{0 + \text{null } T\} null T ~ = { 0 + null T } ,即 T ~ \tilde{T} T ~ 单射 (定理 3.15 )。
(c) 由 T ~ \tilde{T} T ~ 的定义,range T ~ = { T v : v ∈ V } = range T \text{range } \tilde{T} = \{Tv : v \in V\} = \text{range } T range T ~ = { T v : v ∈ V } = range T 。
(d) 把 T ~ \tilde{T} T ~ 看作以 range T \text{range } T range T 为陪域 的映射(而不是以 W W W 为陪域)。由 (c) 它是满射,由 (b) 它是单射,故它是可逆 的(定理 3.63 ),即 V / ( null T ) V/(\text{null } T) V / ( null T ) 到 range T \text{range } T range T 之上 的同构。■ \blacksquare ■
这条定理的意义(本讲最值得记住的一句话) :
V / null T ≅ range T \boxed{\ V/\text{null } T \ \cong\ \text{range } T\ } V / null T ≅ range T
它是 lecture 6 那条”信息守恒律”的结构化版本 。回顾 lecture 6:
lecture 6 的说法 lecture 9 的说法 公式 dim V = dim null T + dim range T \dim V = \dim \text{null } T + \dim \text{range } T dim V = dim null T + dim range T V / null T ≅ range T V/\text{null } T \cong \text{range } T V / null T ≅ range T 内容 只有维数 层面的守恒 连空间本身 都同构 丢失的信息 被”减掉”的维度 被商掉的那个子空间
也就是说:(d) 是基本定理的升级版 ——它不只是说”维数配平”,而是明确告诉你被商掉的部分与剩下的部分如何拼回原来的空间 。把 命题 3.105 用到 U = null T U = \text{null } T U = null T 上,立刻得到
dim V / null T = dim V − dim null T = dim range T , \dim V/\text{null } T = \dim V - \dim \text{null } T = \dim \text{range } T, dim V / null T = dim V − dim null T = dim range T ,
两边取维数就重新得到 了基本定理。所以本讲并没有推翻 lecture 6,而是给出了它的几何解释 。
顺带一提 :T ~ \tilde{T} T ~ 的构造也是 lecture 6 前瞻里那个问题的答案——“若 T T T 不是单射,能否通过商掉 null T \text{null } T null T 把它修复成单射?“答案是:能,而且修好之后它恰好就是 range T \text{range } T range T 的同构复制品。
5. 本讲概念映射 (Summary)
关心的问题 精确形式 编号 ”并排放置若干空间” V 1 × ⋯ × V m = { ( v 1 , … , v m ) } V_1 \times \dots \times V_m = \{(v_1,\dots,v_m)\} V 1 × ⋯ × V m = {( v 1 , … , v m )} 3.87 ”并排后还是向量空间吗” 是,F \mathbf{F} F -向量空间在乘积下封闭 3.89 ”并排后维数如何变化” dim \dim dim 可加 :dim ( V 1 × ⋯ × V m ) = ∑ dim V k \dim(V_1 \times \dots \times V_m) = \sum \dim V_k dim ( V 1 × ⋯ × V m ) = ∑ dim V k 3.92 ”直和的映射刻画” ∑ V k \sum V_k ∑ V k 是直和 ⟺ Γ ( v 1 , … , v m ) = ∑ v k \iff \Gamma(v_1,\dots,v_m) = \sum v_k ⟺ Γ ( v 1 , … , v m ) = ∑ v k 单射3.93 ”直和的维数判据” ∑ V k \sum V_k ∑ V k 是直和 ⟺ dim ∑ V k = ∑ dim V k \iff \dim \sum V_k = \sum \dim V_k ⟺ dim ∑ V k = ∑ dim V k 3.94 ”把子空间搬到别处” 平移 v + U = { v + u : u ∈ U } v + U = \{v+u : u \in U\} v + U = { v + u : u ∈ U } 3.95 , 3.97 ”平移何时重合” v − w ∈ U ⟺ v + U = w + U ⟺ v-w \in U \iff v+U = w+U \iff v − w ∈ U ⟺ v + U = w + U ⟺ 相交非空3.101 ”把平移当作新向量” 商空间 V / U = { v + U : v ∈ V } V/U = \{v+U : v \in V\} V / U = { v + U : v ∈ V } 3.99 ”商空间的运算良定义吗” 良定义(关键:U U U 对加法、数乘封闭) 3.103 ”商之后维数如何变化” dim \dim dim 可减 :dim V / U = dim V − dim U \dim V/U = \dim V - \dim U dim V / U = dim V − dim U 3.105 ”如何把 T T T 修成单射” V / null T ≅ range T V/\text{null } T \cong \text{range } T V / null T ≅ range T 3.107
一条主线 :
乘积 回答”把空间并排放置会得到什么”——答案是维数相加 (定理 3.92 );商 回答”把某些向量视为无差别会得到什么”——答案是维数相减 (命题 3.105 )。而两者通过 Γ \Gamma Γ 与 π \pi π 这两个映射联系起来,最终在 定理 3.107 处汇合:任何线性映射 T T T 都把定义域”分成”零空间与其余部分,其余部分无损地送达值域 。
本讲造出了两种新空间,并证明它们在向量空间的范畴内封闭 ;而商空间最终成为线性映射基本定理的几何化身——
V / null T ≅ range T . V/\text{null } T \cong \text{range } T. V / null T ≅ range T .
6. Questions to Carry Forward (下节课前瞻)
对偶空间 :把”线性映射到 F \mathbf{F} F “这一特殊情形单独拿出来研究,会得到什么?为什么 V ′ = L ( V , F ) V' = \mathcal{L}(V,\mathbf{F}) V ′ = L ( V , F ) 值得拥有自己的名字?(Lecture 10)
对偶映射 :T : V → W T: V \to W T : V → W 会诱导 T ′ : W ′ → V ′ T' : W' \to V' T ′ : W ′ → V ′ ——注意方向反了 。这个”反向”与转置、与 定理 3.68 的反序律是否同源?
零化子 (annihilator) :U 0 = { φ ∈ V ′ : φ ( u ) = 0 , ∀ u ∈ U } U^0 = \{\varphi \in V' : \varphi(u) = 0,\ \forall u \in U\} U 0 = { φ ∈ V ′ : φ ( u ) = 0 , ∀ u ∈ U } 。它是 U U U 在 V ′ V' V ′ 中的”影子”,并且 dim U + dim U 0 = dim V \dim U + \dim U^0 = \dim V dim U + dim U 0 = dim V ——与 命题 3.105 的形式完全一致,是巧合吗?
转置的来历 :M ( T ′ ) = ( M ( T ) ) t \mathcal{M}(T') = (\mathcal{M}(T))^t M ( T ′ ) = ( M ( T ) ) t 。lecture 7 中我们”定义”了转置并把它与对偶类比(3.C.14/3.C.15 的讨论),现在可以给出严格解释了。
行秩 = 列秩 :能否用对偶给出比 lecture 7 中 3.57 更简短的证明?(Axler 正是这么做的,见 3.133。)
自然的同构 :V ≅ V ′ V \cong V' V ≅ V ′ 需要选一组基 ,而 V ≅ V ′ ′ V \cong V'' V ≅ V ′′ 不需要(习题 3.F.32)。“自然”在这里到底指什么?
7. Exercises (Homework Assignment 9: LADR 3.E: 5, 10, 11, 13, 20)
编号说明 :与前面各讲一致,正文与定理引用一律使用第四版 编号(3.87–3.107)。但作业题号来自第三版 。两版的 3.E 习题有 4 题左右的错位,因此下表同时给出两版题号。
第三版题号(作业) 第四版对应题 考查内容 3.E.5 3.E.4 L ( V , W 1 × ⋯ × W m ) ≅ L ( V , W 1 ) × ⋯ × L ( V , W m ) \mathcal{L}(V, W_1 \times \dots \times W_m) \cong \mathcal{L}(V,W_1) \times \dots \times \mathcal{L}(V,W_m) L ( V , W 1 × ⋯ × W m ) ≅ L ( V , W 1 ) × ⋯ × L ( V , W m ) 3.E.10 3.E.9 任意一族平移之交,要么是某个子空间的平移,要么是空集 3.E.11 3.E.12 仿射组合 ∑ λ j v j \sum \lambda_jv_j ∑ λ j v j (∑ λ j = 1 \sum\lambda_j = 1 ∑ λ j = 1 )是平移;且维数 ≤ m − 1 \le m-1 ≤ m − 1 3.E.13 3.E.15 把 V / U V/U V / U 的基与 U U U 的基”拼起来”即得 V V V 的基 3.E.20 3.E.19 S ↦ S ∘ π S \mapsto S \circ \pi S ↦ S ∘ π 是 L ( V / U , W ) \mathcal{L}(V/U,W) L ( V / U , W ) 到 { T : U ⊆ null T } \{T : U \subseteq \text{null } T\} { T : U ⊆ null T } 上的同构
术语对照 :第三版称 v + U v + U v + U 为 U U U 的仿射子集 (affine subset) ,第四版改称平移 (translate) ——后者更直观,理由见第 4.1 节末尾的 Remark。本讲正文采用第四版术语,本节的习题陈述则保留第三版原文的用词。(“仿射”这套词并非废弃:仿射组合 、仿射包 在数学中仍是标准术语,本节的 3.E.11 就会用到它们——因为”取系数和为 1 1 1 的线性组合”这个操作本身没有更好的名字。)
3.E.5
Suppose W 1 , … , W m W_1, \dots, W_m W 1 , … , W m are vector spaces. Prove that L ( V , W 1 × ⋯ × W m ) \mathcal{L}(V, W_1 \times \dots \times W_m) L ( V , W 1 × ⋯ × W m ) and L ( V , W 1 ) × ⋯ × L ( V , W m ) \mathcal{L}(V, W_1) \times \dots \times \mathcal{L}(V, W_m) L ( V , W 1 ) × ⋯ × L ( V , W m ) are isomorphic vector spaces.
solution:
第一步:定义”逐个分量取出”的映射。 对每个 k k k ,设
π k : W 1 × ⋯ × W m → W k , π k ( w 1 , … , w m ) = w k \pi_k : W_1 \times \dots \times W_m \to W_k, \qquad \pi_k(w_1,\dots,w_m) = w_k π k : W 1 × ⋯ × W m → W k , π k ( w 1 , … , w m ) = w k
是第 k k k 个投影 。π k \pi_k π k 显然是线性的。现在定义
Ψ : L ( V , W 1 × ⋯ × W m ) ⟶ L ( V , W 1 ) × ⋯ × L ( V , W m ) , \Psi : \mathcal{L}(V, W_1 \times \dots \times W_m) \longrightarrow \mathcal{L}(V,W_1) \times \dots \times \mathcal{L}(V,W_m), Ψ : L ( V , W 1 × ⋯ × W m ) ⟶ L ( V , W 1 ) × ⋯ × L ( V , W m ) ,
Ψ ( T ) = ( π 1 ∘ T , … , π m ∘ T ) . \Psi(T) = \big(\pi_1 \circ T,\ \dots,\ \pi_m \circ T\big). Ψ ( T ) = ( π 1 ∘ T , … , π m ∘ T ) .
(注意 π k ∘ T ∈ L ( V , W k ) \pi_k \circ T \in \mathcal{L}(V,W_k) π k ∘ T ∈ L ( V , W k ) ,所以右端确实是乘积空间的元素——这正是”乘积空间由它的分量刻画”这一直觉的映射化。)
第二步:Ψ \Psi Ψ 线性。 由复合的线性性与乘积空间的逐分量运算,对 S , T S, T S , T 与 λ ∈ F \lambda \in \mathbf{F} λ ∈ F ,
Ψ ( S + T ) = ( π 1 ∘ ( S + T ) , … ) = ( π 1 ∘ S + π 1 ∘ T , … ) = Ψ ( S ) + Ψ ( T ) , Ψ ( λ T ) = ( π 1 ∘ ( λ T ) , … ) = ( λ ( π 1 ∘ T ) , … ) = λ Ψ ( T ) . ✓ \begin{aligned}
\Psi(S+T) &= \big(\pi_1 \circ (S+T),\dots\big) = \big(\pi_1\circ S + \pi_1\circ T,\dots\big) = \Psi(S) + \Psi(T),\\
\Psi(\lambda T) &= \big(\pi_1 \circ (\lambda T),\dots\big) = \big(\lambda(\pi_1\circ T),\dots\big) = \lambda\,\Psi(T). \qquad\checkmark
\end{aligned} Ψ ( S + T ) Ψ ( λ T ) = ( π 1 ∘ ( S + T ) , … ) = ( π 1 ∘ S + π 1 ∘ T , … ) = Ψ ( S ) + Ψ ( T ) , = ( π 1 ∘ ( λ T ) , … ) = ( λ ( π 1 ∘ T ) , … ) = λ Ψ ( T ) . ✓
第三步:Ψ \Psi Ψ 单射。 设 Ψ ( T ) = ( 0 , … , 0 ) \Psi(T) = (0,\dots,0) Ψ ( T ) = ( 0 , … , 0 ) ,即 π k ∘ T = 0 \pi_k \circ T = 0 π k ∘ T = 0 对每个 k k k 成立。任取 v ∈ V v \in V v ∈ V ,则
T v = ( w 1 , … , w m ) 其中 w k = π k ( T v ) = ( π k ∘ T ) ( v ) = 0 , Tv = (w_1,\dots,w_m) \quad\text{其中 } w_k = \pi_k(Tv) = (\pi_k \circ T)(v) = 0, T v = ( w 1 , … , w m ) 其中 w k = π k ( T v ) = ( π k ∘ T ) ( v ) = 0 ,
故 T v = ( 0 , … , 0 ) Tv = (0,\dots,0) T v = ( 0 , … , 0 ) 。由 v v v 任意,T = 0 T = 0 T = 0 ,于是 null Ψ = { 0 } \text{null } \Psi = \{0\} null Ψ = { 0 } 。✓ \checkmark ✓
第四步:Ψ \Psi Ψ 满射。 任取 ( T 1 , … , T m ) ∈ L ( V , W 1 ) × ⋯ × L ( V , W m ) (T_1,\dots,T_m) \in \mathcal{L}(V,W_1) \times \dots \times \mathcal{L}(V,W_m) ( T 1 , … , T m ) ∈ L ( V , W 1 ) × ⋯ × L ( V , W m ) 。定义
T : V → W 1 × ⋯ × W m , T v = ( T 1 v , … , T m v ) . T : V \to W_1 \times \dots \times W_m, \qquad Tv = \big(T_1v,\dots,T_mv\big). T : V → W 1 × ⋯ × W m , T v = ( T 1 v , … , T m v ) .
T T T 是线性的(逐分量验证:T ( v + v ′ ) = ( T 1 v + T 1 v ′ , … ) = T v + T v ′ T(v+v') = (T_1v+T_1v',\dots) = Tv + Tv' T ( v + v ′ ) = ( T 1 v + T 1 v ′ , … ) = T v + T v ′ ,齐性同理)。又对每个 k k k ,
( π k ∘ T ) ( v ) = π k ( T 1 v , … , T m v ) = T k v , (\pi_k \circ T)(v) = \pi_k\big(T_1v,\dots,T_mv\big) = T_kv, ( π k ∘ T ) ( v ) = π k ( T 1 v , … , T m v ) = T k v ,
故 π k ∘ T = T k \pi_k \circ T = T_k π k ∘ T = T k ,即 Ψ ( T ) = ( T 1 , … , T m ) \Psi(T) = (T_1,\dots,T_m) Ψ ( T ) = ( T 1 , … , T m ) 。✓ \checkmark ✓
结论 :Ψ \Psi Ψ 是可逆线性映射,故两个空间同构 。■ \blacksquare ■
要点 :这道题说的是”从 V V V 到乘积空间的线性映射,等价于一族各分量上的线性映射 ”。这与 定理 3.92 (乘积空间维数相加)互为表里:由 定理 3.72 ,
dim L ( V , ∏ k W k ) = ( dim V ) ∑ k dim W k = ∑ k ( dim V ) ( dim W k ) = dim ∏ k L ( V , W k ) , \dim \mathcal{L}\Big(V, \prod_k W_k\Big) = (\dim V)\sum_k \dim W_k = \sum_k (\dim V)(\dim W_k) = \dim \prod_k \mathcal{L}(V,W_k), dim L ( V , k ∏ W k ) = ( dim V ) k ∑ dim W k = k ∑ ( dim V ) ( dim W k ) = dim k ∏ L ( V , W k ) ,
两者维数相同——但上面的构造性证明更强 :它不仅说明同构存在,还把同构明确写了出来(“取分量”),而且不需要任何有限维假设 。
3.E.10
Prove that the intersection of every collection of affine subsets of V V V is either an affine subset of V V V or the empty set.
solution:
设 A \mathcal{A} A 是 V V V 的一族平移(第三版称之为仿射子集),下面证明 ⋂ A ∈ A A \bigcap_{A \in \mathcal{A}} A ⋂ A ∈ A A 要么是空集,要么是某个子空间的平移。
第一步:每个平移都是某一个等价关系的等价类。 设 A = v + U A = v + U A = v + U (U U U 是 V V V 的子空间)。由 定理 3.101 ,
x ∈ v + U ⟺ x − v ∈ U ⟺ x + U = v + U . x \in v + U \iff x - v \in U \iff x + U = v + U. x ∈ v + U ⟺ x − v ∈ U ⟺ x + U = v + U .
也就是说,A A A 恰好是”相差属于 U U U “这个等价关系的一个等价类 。特别地:同一个平移的任意两个代表元之差都属于 U U U 。
方向空间是唯一的。 这后面还会用到,先证一下:若 v + U = x + W v + U = x + W v + U = x + W (U , W U, W U , W 都是子空间),则 U = W U = W U = W 。
v ∈ v + U = x + W v \in v + U = x + W v ∈ v + U = x + W ,故 v − x ∈ W v - x \in W v − x ∈ W 。任取 u ∈ U u \in U u ∈ U ,则 v + u ∈ v + U = x + W v + u \in v + U = x + W v + u ∈ v + U = x + W ,即 v + u − x ∈ W v + u - x \in W v + u − x ∈ W ;而 v − x ∈ W v - x \in W v − x ∈ W ,W W W 对减法封闭,故 u ∈ W u \in W u ∈ W 。于是 U ⊆ W U \subseteq W U ⊆ W 。
把 v v v 与 x x x 、U U U 与 W W W 的角色对调,同理得 W ⊆ U W \subseteq U W ⊆ U 。
因此 U = W U = W U = W 。所以”A A A 的方向空间”与代表元的选取无关,是一个内禀的量。
第二步:若交集非空,取一个公共点。 设 x ∈ ⋂ A ∈ A A x \in \bigcap_{A\in\mathcal{A}} A x ∈ ⋂ A ∈ A A 。对每个 A A A ,由第一步存在子空间 U A U_A U A 使 A = x + U A A = x + U_A A = x + U A (因为 x ∈ A x \in A x ∈ A ,可以把 A A A 写成”以 x x x 为代表元”的形式)。
于是
⋂ A ∈ A A = ⋂ A ∈ A ( x + U A ) = x + ⋂ A ∈ A U A . \bigcap_{A\in\mathcal{A}} A = \bigcap_{A\in\mathcal{A}} \big(x + U_A\big) = x + \bigcap_{A\in\mathcal{A}} U_A. A ∈ A ⋂ A = A ∈ A ⋂ ( x + U A ) = x + A ∈ A ⋂ U A .
第二个等号需要双向验证 (下面两段合起来才证完”两集合相等”):
正向(⊆ \subseteq ⊆ ) :设 y ∈ ⋂ A ∈ A A y \in \bigcap_{A\in\mathcal{A}} A y ∈ ⋂ A ∈ A A 。则对每个 A ∈ A A \in \mathcal{A} A ∈ A 都有 y ∈ A = x + U A y \in A = x + U_A y ∈ A = x + U A ,这等价于
y − x ∈ U A . y - x \in U_A. y − x ∈ U A .
由于上式对每个 A ∈ A A \in \mathcal{A} A ∈ A 都成立,故 y − x ∈ ⋂ A ∈ A U A y - x \in \bigcap_{A\in\mathcal{A}} U_A y − x ∈ ⋂ A ∈ A U A ,于是 y = x + ( y − x ) ∈ x + ⋂ A ∈ A U A y = x + (y-x) \in x + \bigcap_{A\in\mathcal{A}} U_A y = x + ( y − x ) ∈ x + ⋂ A ∈ A U A 。
反向(⊇ \supseteq ⊇ ) :设 y ∈ x + ⋂ A ∈ A U A y \in x + \bigcap_{A\in\mathcal{A}} U_A y ∈ x + ⋂ A ∈ A U A 。则存在 u ∈ ⋂ A ∈ A U A u \in \bigcap_{A\in\mathcal{A}} U_A u ∈ ⋂ A ∈ A U A 使 y = x + u y = x + u y = x + u 。任取 A 0 ∈ A A_0 \in \mathcal{A} A 0 ∈ A 。因为 u ∈ ⋂ A U A ⊆ U A 0 u \in \bigcap_{A} U_A \subseteq U_{A_0} u ∈ ⋂ A U A ⊆ U A 0 ,所以
y = x + u ∈ x + U A 0 = A 0 . y = x + u \in x + U_{A_0} = A_0. y = x + u ∈ x + U A 0 = A 0 .
这里 A 0 ∈ A A_0 \in \mathcal{A} A 0 ∈ A 是任意 取的,故 y y y 属于每一个 A 0 ∈ A A_0 \in \mathcal{A} A 0 ∈ A ,即
y ∈ ⋂ A ∈ A A . y \in \bigcap_{A \in \mathcal{A}} A. y ∈ A ∈ A ⋂ A .
(这一步正是关键:不能只验证"y ∈ x + U A 0 y \in x + U_{A_0} y ∈ x + U A 0 "就停下,必须把它落实为”y y y 落在交集中”。)
第三步:子空间的交仍是子空间。 容易验证 ⋂ A ∈ A U A \bigcap_{A\in\mathcal{A}} U_A ⋂ A ∈ A U A 是 V V V 的子空间(1.34 的三条:0 0 0 属于每个 U A U_A U A ;加法与数乘的封闭性逐个子空间继承)。
结论 :若交集为空,结论成立;若交集非空,则
⋂ A ∈ A A = x + ( ⋂ A ∈ A U A ) , \bigcap_{A\in\mathcal{A}} A = x + \Big(\bigcap_{A\in\mathcal{A}} U_A\Big), A ∈ A ⋂ A = x + ( A ∈ A ⋂ U A ) ,
即它是子空间 ⋂ A U A \bigcap_A U_A ⋂ A U A 的一个平移。■ \blacksquare ■
要点 :这道题把有限 情形推广到了任意 一族——有限情形就是第四版 3.E.9(即第三版 3.E.9),它的结论是 A 1 ∩ A 2 = x + ( U 1 ∩ U 2 ) A_1 \cap A_2 = x + (U_1 \cap U_2) A 1 ∩ A 2 = x + ( U 1 ∩ U 2 ) 。关键在于第二步的观察:一旦交集非空,就可以把所有平移用同一个公共点重新参数化 ,于是”求交集”变成”求各方向空间的交”。这也顺带说明了一个事实:平移的方向空间 是这个平移的内禀属性(与代表元的选择无关),所以”把方向空间交起来”是有意义的操作。
几何直觉 (在 R 3 \mathbf{R}^3 R 3 中):一族平行平面的交要么是空集(错开的平面),要么是同一个平面;一族过一条公共直线的平面的交,就是那条直线(共有的方向空间之交降成一维)。“维数只能下降、不会上升” ,正是”子空间的交仍是子空间”的几何化身。
3.E.11
Suppose v 1 , … , v m ∈ V v_1, \dots, v_m \in V v 1 , … , v m ∈ V . Let
A = { λ 1 v 1 + ⋯ + λ m v m : λ 1 , … , λ m ∈ F and λ 1 + ⋯ + λ m = 1 } . A = \{\lambda_1v_1 + \dots + \lambda_mv_m : \lambda_1,\dots,\lambda_m \in \mathbf{F} \text{ and } \lambda_1 + \dots + \lambda_m = 1\}. A = { λ 1 v 1 + ⋯ + λ m v m : λ 1 , … , λ m ∈ F and λ 1 + ⋯ + λ m = 1 } .
(a) Prove that A A A is an affine subset of V V V .
(b) Prove that every affine subset of V V V that contains v 1 , … , v m v_1,\dots,v_m v 1 , … , v m also contains A A A .
(c) Prove that A = v + U A = v + U A = v + U for some v ∈ V v \in V v ∈ V and some subspace U U U of V V V with dim U ≤ m − 1 \dim U \le m-1 dim U ≤ m − 1 .
solution:
(a) A A A 是平移。
取 v = v 1 v = v_1 v = v 1 ,并令
U = span ( v 2 − v 1 , v 3 − v 1 , … , v m − v 1 ) . U = \text{span}\big(v_2 - v_1,\ v_3 - v_1,\ \dots,\ v_m - v_1\big). U = span ( v 2 − v 1 , v 3 − v 1 , … , v m − v 1 ) .
我们证明 A = v 1 + U A = v_1 + U A = v 1 + U 。
A ⊆ v 1 + U A \subseteq v_1 + U A ⊆ v 1 + U :设 λ 1 + ⋯ + λ m = 1 \lambda_1 + \dots + \lambda_m = 1 λ 1 + ⋯ + λ m = 1 。则
∑ j = 1 m λ j v j = ( ∑ j = 1 m λ j ) v 1 + ∑ j = 2 m λ j ( v j − v 1 ) = v 1 + ∑ j = 2 m λ j ( v j − v 1 ) , \sum_{j=1}^m \lambda_jv_j = \Big(\sum_{j=1}^m \lambda_j\Big)v_1 + \sum_{j=2}^m \lambda_j\big(v_j - v_1\big) = v_1 + \sum_{j=2}^m \lambda_j\big(v_j - v_1\big), j = 1 ∑ m λ j v j = ( j = 1 ∑ m λ j ) v 1 + j = 2 ∑ m λ j ( v j − v 1 ) = v 1 + j = 2 ∑ m λ j ( v j − v 1 ) ,
而 ∑ j = 2 m λ j ( v j − v 1 ) ∈ U \sum_{j=2}^m \lambda_j(v_j - v_1) \in U ∑ j = 2 m λ j ( v j − v 1 ) ∈ U 。故该元素属于 v 1 + U v_1 + U v 1 + U 。
v 1 + U ⊆ A v_1 + U \subseteq A v 1 + U ⊆ A :U U U 的元素形如 ∑ j = 2 m μ j ( v j − v 1 ) \sum_{j=2}^m \mu_j(v_j - v_1) ∑ j = 2 m μ j ( v j − v 1 ) 。于是
v 1 + ∑ j = 2 m μ j ( v j − v 1 ) = ( 1 − ∑ j = 2 m μ j ) v 1 + ∑ j = 2 m μ j v j , v_1 + \sum_{j=2}^m \mu_j(v_j - v_1) = \Big(1 - \sum_{j=2}^m \mu_j\Big)v_1 + \sum_{j=2}^m \mu_jv_j, v 1 + j = 2 ∑ m μ j ( v j − v 1 ) = ( 1 − j = 2 ∑ m μ j ) v 1 + j = 2 ∑ m μ j v j ,
而系数之和 ( 1 − ∑ j ≥ 2 μ j ) + ∑ j ≥ 2 μ j = 1 \big(1 - \sum_{j\ge2}\mu_j\big) + \sum_{j\ge2}\mu_j = 1 ( 1 − ∑ j ≥ 2 μ j ) + ∑ j ≥ 2 μ j = 1 ,故这个元素属于 A A A 。
因此 A = v 1 + U A = v_1 + U A = v 1 + U 是平移(仿射子集)。
(b) A A A 是最小的这类平移。
设 B B B 是任一包含 v 1 , … , v m v_1,\dots,v_m v 1 , … , v m 的平移,写 B = x + W B = x + W B = x + W (W W W 是子空间,x ∈ V x \in V x ∈ V )。因为 v 1 , … , v m ∈ B v_1,\dots,v_m \in B v 1 , … , v m ∈ B ,对每个 j j j 有
v j − x ∈ W . v_j - x \in W. v j − x ∈ W .
特别地,对 j ≥ 2 j \ge 2 j ≥ 2 ,
v j − v 1 = ( v j − x ) − ( v 1 − x ) ∈ W , v_j - v_1 = (v_j - x) - (v_1 - x) \in W, v j − v 1 = ( v j − x ) − ( v 1 − x ) ∈ W ,
(W W W 是子空间,对减法封闭)。故 v 2 − v 1 , … , v m − v 1 ∈ W v_2 - v_1,\dots,v_m - v_1 \in W v 2 − v 1 , … , v m − v 1 ∈ W ,于是 U = span ( v 2 − v 1 , … , v m − v 1 ) ⊆ W U = \text{span}(v_2-v_1,\dots,v_m-v_1) \subseteq W U = span ( v 2 − v 1 , … , v m − v 1 ) ⊆ W 。又 v 1 ∈ B = x + W v_1 \in B = x + W v 1 ∈ B = x + W ,即 v 1 − x ∈ W v_1 - x \in W v 1 − x ∈ W ,故
A = v 1 + U ⊆ v 1 + W = ( v 1 − x ) + ( x + W ) = ( v 1 − x ) + B . A = v_1 + U \subseteq v_1 + W = (v_1 - x) + \big(x + W\big) = (v_1 - x) + B. A = v 1 + U ⊆ v 1 + W = ( v 1 − x ) + ( x + W ) = ( v 1 − x ) + B .
需要说明最后这个平移等于 B B B :由 定理 3.101 ,v 1 − x ∈ W v_1 - x \in W v 1 − x ∈ W 给出 ( v 1 − x ) + W = W (v_1-x) + W = W ( v 1 − x ) + W = W ,故
( v 1 − x ) + B = ( v 1 − x ) + ( x + W ) = ( ( v 1 − x ) + x ) + W = v 1 + W = B (v_1 - x) + B = (v_1-x) + (x + W) = \big((v_1-x)+x\big) + W = v_1 + W = B ( v 1 − x ) + B = ( v 1 − x ) + ( x + W ) = ( ( v 1 − x ) + x ) + W = v 1 + W = B
(中间一步用平移结合律 ( a + ( x + W ) ) = ( a + x ) + W (a + (x+W)) = (a+x) + W ( a + ( x + W )) = ( a + x ) + W )。于是 A ⊆ B A \subseteq B A ⊆ B 。
(c) dim U ≤ m − 1 \dim U \le m-1 dim U ≤ m − 1 。
由 (a),U = span ( v 2 − v 1 , … , v m − v 1 ) U = \text{span}(v_2-v_1,\dots,v_m-v_1) U = span ( v 2 − v 1 , … , v m − v 1 ) 是由 m − 1 m-1 m − 1 个向量张成的空间,故
dim U ≤ m − 1. ■ \dim U \le m - 1. \qquad\blacksquare dim U ≤ m − 1. ■
要点 :A A A 称为 v 1 , … , v m v_1,\dots,v_m v 1 , … , v m 的仿射包 (affine hull) ,它的几何意义是”过这 m m m 个点的最小的平坦集合”。
(a) 说它确实是”平坦的”(一个平移);
(b) 说它是最小 的:任何包含这些点的平移都包含它;
(c) 给出维数上界:m m m 个点最多张成 m − 1 m-1 m − 1 维——因为在 R 2 \mathbf{R}^2 R 2 中两点确定一条直线(2 − 1 = 1 2-1=1 2 − 1 = 1 维),在 R 3 \mathbf{R}^3 R 3 中三点确定一个平面(3 − 1 = 2 3-1=2 3 − 1 = 2 维),而共线 时维数还会更低。
注意 U U U 的定义方式:先固定一个点 v 1 v_1 v 1 作为”原点”,再取其余各点与它的差 。这是处理仿射问题的一般手法——仿射空间没有天然的原点,所以我们必须先挑选 一个点充当原点,才能把”方向”谈清楚。(这也解释了 (b) 的证明里为什么可以自由地把 B B B 用不同的点重新参数化。)
3.E.13
Suppose U U U is a subspace of V V V and v 1 + U , … , v m + U v_1+U, \dots, v_m+U v 1 + U , … , v m + U is a basis of V / U V/U V / U and u 1 , … , u n u_1,\dots,u_n u 1 , … , u n is a basis of U U U . Prove that v 1 , … , v m , u 1 , … , u n v_1,\dots,v_m,u_1,\dots,u_n v 1 , … , v m , u 1 , … , u n is a basis of V V V .
solution:
记这个拼接起来的列表为 B = ( v 1 , … , v m , u 1 , … , u n ) \mathcal{B} = (v_1,\dots,v_m,u_1,\dots,u_n) B = ( v 1 , … , v m , u 1 , … , u n ) 。按”线性无关 + + + 张成”两步证明。
第一步:B \mathcal{B} B 张成 V V V 。 任取 v ∈ V v \in V v ∈ V 。因为 v 1 + U , … , v m + U v_1+U,\dots,v_m+U v 1 + U , … , v m + U 是 V / U V/U V / U 的基 ,它张成 V / U V/U V / U ,故存在 c 1 , … , c m ∈ F c_1,\dots,c_m \in \mathbf{F} c 1 , … , c m ∈ F 使
v + U = ( c 1 v 1 + ⋯ + c m v m ) + U . v + U = \big(c_1v_1 + \dots + c_mv_m\big) + U. v + U = ( c 1 v 1 + ⋯ + c m v m ) + U .
由 定理 3.101 ,
v − ∑ j = 1 m c j v j ∈ U . v - \sum_{j=1}^m c_jv_j \in U. v − j = 1 ∑ m c j v j ∈ U .
记这个差为 u u u 。因为 u 1 , … , u n u_1,\dots,u_n u 1 , … , u n 是 U U U 的基,存在 d 1 , … , d n ∈ F d_1,\dots,d_n \in \mathbf{F} d 1 , … , d n ∈ F 使 u = ∑ k d k u k u = \sum_k d_ku_k u = ∑ k d k u k 。于是
v = ∑ j = 1 m c j v j + ∑ k = 1 n d k u k , v = \sum_{j=1}^m c_jv_j + \sum_{k=1}^n d_ku_k, v = j = 1 ∑ m c j v j + k = 1 ∑ n d k u k ,
即 v v v 是 B \mathcal{B} B 的线性组合。
第二步:B \mathcal{B} B 线性无关。 设
∑ j = 1 m c j v j + ∑ k = 1 n d k u k = 0. ( ∗ ) \sum_{j=1}^m c_jv_j + \sum_{k=1}^n d_ku_k = 0. \tag{$\ast$} j = 1 ∑ m c j v j + k = 1 ∑ n d k u k = 0. ( ∗ )
把两边”取到 V / U V/U V / U 中” (即作用商映射 π \pi π )。因为 π ( u k ) = u k + U = 0 + U \pi(u_k) = u_k + U = 0 + U π ( u k ) = u k + U = 0 + U (u k ∈ U u_k \in U u k ∈ U ,由 定理 3.101 ),后 n n n 项全部消失,得
c 1 ( v 1 + U ) + ⋯ + c m ( v m + U ) = 0 + U . c_1(v_1+U) + \dots + c_m(v_m+U) = 0 + U. c 1 ( v 1 + U ) + ⋯ + c m ( v m + U ) = 0 + U .
因为 v 1 + U , … , v m + U v_1+U,\dots,v_m+U v 1 + U , … , v m + U 线性无关(它是基),故
c 1 = ⋯ = c m = 0. c_1 = \dots = c_m = 0. c 1 = ⋯ = c m = 0.
代回 ( ∗ ) (\ast) ( ∗ ) 得 ∑ k d k u k = 0 \sum_k d_ku_k = 0 ∑ k d k u k = 0 。因为 u 1 , … , u n u_1,\dots,u_n u 1 , … , u n 线性无关,故 d 1 = ⋯ = d n = 0 d_1 = \dots = d_n = 0 d 1 = ⋯ = d n = 0 。
于是所有系数为 0 0 0 ,B \mathcal{B} B 线性无关。
结论 :B \mathcal{B} B 既线性无关又张成 V V V ,故是 V V V 的一组基 。■ \blacksquare ■
要点 :这道题给出了”由商空间与子空间的基拼出原空间的基 ”的处方,其证明手法值得记住:要证一半向量(v j v_j v j )的系数为零,就把整个等式投影到商空间 ,让另一半(u k u_k u k )自动消失。这与本讲 命题 3.105 的 dim V / U = dim V − dim U \dim V/U = \dim V - \dim U dim V / U = dim V − dim U 完全吻合——因为 B \mathcal{B} B 的长度是 m + n m + n m + n ,而
m + n = dim V / U + dim U = dim V . m + n = \dim V/U + \dim U = \dim V. m + n = dim V / U + dim U = dim V .
顺带地,这道题也印证了习题 3.E.13(第四版)中 V ≅ U × ( V / U ) V \cong U \times (V/U) V ≅ U × ( V / U ) 的构造:V / U V/U V / U 的基”抬回” V V V 后(即 v 1 , … , v m v_1,\dots,v_m v 1 , … , v m ),它们与 U U U 直和地拼成 V V V 。
3.E.20
Suppose U U U is a subspace of V V V . Define Γ : L ( V / U , W ) → L ( V , W ) \Gamma : \mathcal{L}(V/U, W) \to \mathcal{L}(V, W) Γ : L ( V / U , W ) → L ( V , W ) by
Γ ( S ) = S ∘ π . \Gamma(S) = S \circ \pi. Γ ( S ) = S ∘ π .
(a) Show that Γ \Gamma Γ is a linear map.
(b) Show that Γ \Gamma Γ is injective.
(c) Show that range Γ = { T ∈ L ( V , W ) : T u = 0 for every u ∈ U } \text{range } \Gamma = \{T \in \mathcal{L}(V,W) : Tu = 0 \text{ for every } u \in U\} range Γ = { T ∈ L ( V , W ) : T u = 0 for every u ∈ U } .
solution:
这里 π : V → V / U \pi : V \to V/U π : V → V / U 是商映射(定义 3.104 )。
(a) Γ \Gamma Γ 是线性映射。
设 S 1 , S 2 ∈ L ( V / U , W ) S_1, S_2 \in \mathcal{L}(V/U, W) S 1 , S 2 ∈ L ( V / U , W ) ,λ ∈ F \lambda \in \mathbf{F} λ ∈ F 。对每个 v ∈ V v \in V v ∈ V ,
Γ ( S 1 + S 2 ) ( v ) = ( ( S 1 + S 2 ) ∘ π ) ( v ) = ( S 1 + S 2 ) ( π ( v ) ) = S 1 ( π ( v ) ) + S 2 ( π ( v ) ) = Γ ( S 1 ) ( v ) + Γ ( S 2 ) ( v ) = ( Γ ( S 1 ) + Γ ( S 2 ) ) ( v ) , \begin{aligned}
\Gamma(S_1 + S_2)(v) &= \big((S_1+S_2)\circ\pi\big)(v) = (S_1+S_2)\big(\pi(v)\big) = S_1\big(\pi(v)\big) + S_2\big(\pi(v)\big)\\
&= \Gamma(S_1)(v) + \Gamma(S_2)(v) = \big(\Gamma(S_1) + \Gamma(S_2)\big)(v),
\end{aligned} Γ ( S 1 + S 2 ) ( v ) = ( ( S 1 + S 2 ) ∘ π ) ( v ) = ( S 1 + S 2 ) ( π ( v ) ) = S 1 ( π ( v ) ) + S 2 ( π ( v ) ) = Γ ( S 1 ) ( v ) + Γ ( S 2 ) ( v ) = ( Γ ( S 1 ) + Γ ( S 2 ) ) ( v ) ,
故 Γ ( S 1 + S 2 ) = Γ ( S 1 ) + Γ ( S 2 ) \Gamma(S_1+S_2) = \Gamma(S_1)+\Gamma(S_2) Γ ( S 1 + S 2 ) = Γ ( S 1 ) + Γ ( S 2 ) 。同理
Γ ( λ S ) ( v ) = ( λ S ) ( π ( v ) ) = λ S ( π ( v ) ) = λ Γ ( S ) ( v ) , \Gamma(\lambda S)(v) = (\lambda S)\big(\pi(v)\big) = \lambda\,S\big(\pi(v)\big) = \lambda\,\Gamma(S)(v), Γ ( λ S ) ( v ) = ( λ S ) ( π ( v ) ) = λ S ( π ( v ) ) = λ Γ ( S ) ( v ) ,
故 Γ ( λ S ) = λ Γ ( S ) \Gamma(\lambda S) = \lambda\Gamma(S) Γ ( λ S ) = λ Γ ( S ) 。因此 Γ \Gamma Γ 线性。
(b) Γ \Gamma Γ 是单射。
只需证 null Γ = { 0 } \text{null } \Gamma = \{0\} null Γ = { 0 } 。设 Γ ( S ) = S ∘ π = 0 \Gamma(S) = S \circ \pi = 0 Γ ( S ) = S ∘ π = 0 (V V V 上的零映射)。关键观察:π \pi π 是满射 (定义 3.104 的讨论:V / U V/U V / U 的每个元素都形如 v + U = π ( v ) v + U = \pi(v) v + U = π ( v ) )。因此 range π = V / U \text{range } \pi = V/U range π = V / U ,而
{ 0 } = range ( S ∘ π ) = S [ range π ] = S [ V / U ] = range S , \{0\} = \text{range}(S \circ \pi) = S\big[\text{range } \pi\big] = S\big[V/U\big] = \text{range } S, { 0 } = range ( S ∘ π ) = S [ range π ] = S [ V / U ] = range S ,
故 S = 0 S = 0 S = 0 。于是 null Γ = { 0 } \text{null } \Gamma = \{0\} null Γ = { 0 } ,Γ \Gamma Γ 单射。
另一种写法 :任取 v ˉ = v + U ∈ V / U \bar{v} = v + U \in V/U v ˉ = v + U ∈ V / U ,则 v ˉ = π ( v ) \bar v = \pi(v) v ˉ = π ( v ) ,故
S ( v ˉ ) = S ( π ( v ) ) = ( S ∘ π ) ( v ) = 0. S(\bar v) = S\big(\pi(v)\big) = (S\circ\pi)(v) = 0. S ( v ˉ ) = S ( π ( v ) ) = ( S ∘ π ) ( v ) = 0.
由 v ˉ \bar v v ˉ 任意得 S = 0 S = 0 S = 0 。这里”π \pi π 满射”是全部要害 ——如果 π \pi π 不满射,S S S 在 π \pi π 的像之外可以任意取值而不被 Γ \Gamma Γ 约束,Γ \Gamma Γ 就不可能单射。
(c) range Γ = { T ∈ L ( V , W ) : T u = 0 对一切 u ∈ U } \text{range } \Gamma = \{T \in \mathcal{L}(V,W) : Tu = 0 \text{ 对一切 } u \in U\} range Γ = { T ∈ L ( V , W ) : T u = 0 对一切 u ∈ U } 。
记右端集合为 E \mathcal{E} E ,即 E = { T : U ⊆ null T } \mathcal{E} = \{T : U \subseteq \text{null } T\} E = { T : U ⊆ null T } 。验证两个包含。
range Γ ⊆ E \text{range } \Gamma \subseteq \mathcal{E} range Γ ⊆ E :设 T = Γ ( S ) = S ∘ π T = \Gamma(S) = S \circ \pi T = Γ ( S ) = S ∘ π 。若 u ∈ U u \in U u ∈ U ,则 π ( u ) = u + U = 0 + U \pi(u) = u + U = 0 + U π ( u ) = u + U = 0 + U (定理 3.101 ),故
T u = S ( π ( u ) ) = S ( 0 + U ) = 0 Tu = S\big(\pi(u)\big) = S(0 + U) = 0 T u = S ( π ( u ) ) = S ( 0 + U ) = 0
(最后一步因为 S S S 线性,把零元素送成零)。故 T ∈ E T \in \mathcal{E} T ∈ E 。
E ⊆ range Γ \mathcal{E} \subseteq \text{range } \Gamma E ⊆ range Γ :设 T ∈ L ( V , W ) T \in \mathcal{L}(V,W) T ∈ L ( V , W ) 且 T u = 0 Tu = 0 T u = 0 对一切 u ∈ U u \in U u ∈ U 。我们要造出 S ∈ L ( V / U , W ) S \in \mathcal{L}(V/U,W) S ∈ L ( V / U , W ) 使 S ∘ π = T S \circ \pi = T S ∘ π = T ,即让 S S S 满足
S ( v + U ) = T v 对一切 v ∈ V . ( † ) S(v + U) = Tv \qquad \text{对一切 } v \in V. \tag{$\dagger$} S ( v + U ) = T v 对一切 v ∈ V . ( † )
( † ) (\dagger) ( † ) 良定义 :设 v , v ′ ∈ V v, v' \in V v , v ′ ∈ V 满足 v + U = v ′ + U v + U = v' + U v + U = v ′ + U 。由 定理 3.101 ,v − v ′ ∈ U v - v' \in U v − v ′ ∈ U ,故由 T T T 在 U U U 上为零得
T v − T v ′ = T ( v − v ′ ) = 0 , 即 T v = T v ′ . Tv - Tv' = T(v - v') = 0, \quad\text{即}\quad Tv = Tv'. T v − T v ′ = T ( v − v ′ ) = 0 , 即 T v = T v ′ .
所以 ( † ) (\dagger) ( † ) 给出的值与代表元的选取无关。
S S S 线性 :利用 V / U V/U V / U 上运算的定义(定义 3.102 )与 T T T 的线性性,
S ( ( v + U ) + ( v ′ + U ) ) = S ( ( v + v ′ ) + U ) = T ( v + v ′ ) = T v + T v ′ = S ( v + U ) + S ( v ′ + U ) , S\big((v+U)+(v'+U)\big) = S\big((v+v')+U\big) = T(v+v') = Tv + Tv' = S(v+U) + S(v'+U), S ( ( v + U ) + ( v ′ + U ) ) = S ( ( v + v ′ ) + U ) = T ( v + v ′ ) = T v + T v ′ = S ( v + U ) + S ( v ′ + U ) ,
S ( λ ( v + U ) ) = S ( ( λ v ) + U ) = T ( λ v ) = λ T v = λ S ( v + U ) . S\big(\lambda(v+U)\big) = S\big((\lambda v)+U\big) = T(\lambda v) = \lambda\,Tv = \lambda\,S(v+U). S ( λ ( v + U ) ) = S ( ( λ v ) + U ) = T ( λ v ) = λ T v = λ S ( v + U ) .
故 S ∈ L ( V / U , W ) S \in \mathcal{L}(V/U,W) S ∈ L ( V / U , W ) ,且由 ( † ) (\dagger) ( † ) 得 S ∘ π = T S \circ \pi = T S ∘ π = T ,即 T = Γ ( S ) ∈ range Γ T = \Gamma(S) \in \text{range } \Gamma T = Γ ( S ) ∈ range Γ 。
结论 :range Γ = E \text{range } \Gamma = \mathcal{E} range Γ = E 。■ \blacksquare ■
要点 :把 (a)(b)(c) 合起来看,Γ \Gamma Γ 是
Γ : L ( V / U , W ) → ≅ { T ∈ L ( V , W ) : U ⊆ null T } \Gamma : \mathcal{L}(V/U, W) \xrightarrow{\ \cong\ } \big\{T \in \mathcal{L}(V,W) : U \subseteq \text{null } T\big\} Γ : L ( V / U , W ) ≅ { T ∈ L ( V , W ) : U ⊆ null T }
的一个同构 ((a) 线性、(b) 单射、(c) 值域恰好是这个子空间——而由 定理 3.71 的同类推理,(c) 已经蕴含 Γ \Gamma Γ 是到该子空间之上 的满射)。
这正是 lecture 9 正文 定理 3.107 中交换图 的”反向”说法:
正文里,给定 T T T 且 U = null T U = \text{null } T U = null T ,我们造出 T ~ \tilde T T ~ 使 T ~ ∘ π = T \tilde T \circ \pi = T T ~ ∘ π = T (从 T T T 到 T ~ \tilde T T ~ );
这里,给定任意 子空间 U U U ,我们刻画了”哪些 T T T 能穿过 π \pi π “——答案正是 U ⊆ null T U \subseteq \text{null } T U ⊆ null T (从 T ~ \tilde T T ~ 到 T T T )。
而 (c) 中的集合 { T : U ⊆ null T } \{T : U \subseteq \text{null } T\} { T : U ⊆ null T } 正是习题 3.D.10 里那个 E \mathcal{E} E 。于是把它与 定理 3.72 以及习题 3.D.10 的维数公式放在一起,立刻得到
dim L ( V / U , W ) = ( dim V / U ) ( dim W ) = ( dim V − dim U ) ( dim W ) = dim E , \dim \mathcal{L}(V/U, W) = (\dim V/U)(\dim W) = (\dim V - \dim U)(\dim W) = \dim \mathcal{E}, dim L ( V / U , W ) = ( dim V / U ) ( dim W ) = ( dim V − dim U ) ( dim W ) = dim E ,
与 3.D.10 的结果完全一致 ——两道题从不同路径(一道用线性映射的核,一道用商空间)得到同一个空间与同一个维数。这正说明”商掉 U U U “与”在 U U U 上取零”是同一件事的两面。