Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Глава 3

.2.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
719.99 Кб
Скачать

§ 3.4. Базис и размерность линейного пространства

Всякую систему векторов e1 ,e2 , ,en линейного пространства L называют

базисом этого пространства, если эта система векторов линейно независима и любой вектор пространства L линейно выражается через векторы этой системы.

Существенно различными являются случаи, когда базис пространства конечен и когда он бесконечен. В линейной алгебре изучаются линейные пространства с конечными базисами. Линейное пространство L называют конечномерным, если оно обладает базисом, состоящим из конечного числа векторов. Конечномерное пространство может обладать многими различными базисами. Число векторов в каждом базисе конечномерного пространства одинаково. Это число называют размерностью пространства. Если размерность про-

странства

L

равна n , то записывают

dim L n .

Пространство L при этом

называют n

- мерным.

 

 

 

 

 

 

 

Пусть в линейном пространстве L

над полем

F задан некоторый базис

e1 ,e2 , ,en .

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.1

Произвольный вектор x пространства L линейно выражается через базис

3.4.1 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x e

2

e

n

e

 

 

3.4.2

1 1

 

2

 

 

n

 

 

 

 

 

Представление вектора

x в виде 3.4.2

называется разложением по базисным

векторам

3.4.1

, а коэффициенты 1

, 2 , , n в разложении 3.4.2 - коорди-

натами вектора

x в базисе 3.4.1 .

 

 

 

 

 

Два линейных пространства L и

L над полем F называют изоморфным,

если между их векторами можно установить взаимно однозначное соответствие, при котором образом суммы двух векторов служит сумма образов этих векторов, а образом произведения вектора на число служит произведение образа этого вектора на то же число, т.е. если из того, что

x x , y y ,

x, y L,

x , y L ,

следует

x y x y

и

x x .

Необходимым и достаточным условием изоморфного соответствия двух линейных пространств является совпадение их размерностей.

При изоморфизме линейно независимым векторам из L соответствует линейно независимые векторы из L и наоборот.

Пример 1. Выясните, какова размерность каждого из указанных линейных пространств, и найдите какойлибо базис пространства:

а)

арифметическое пространство

R

n

, векторами которого являются упорядо-

 

ченные наборы по n действительных чисел (см. задачу 314. . );

41

б)

в)

пространство Mn R многочленов с действительными коэффициентами от

одной переменной, степень которых не превышает заданного неотрицательного числа n (см. задачу 317. . a ));

пространство

Rm,n

прямоугольных

m n - матриц с действительными эле-

ментами (см.

Решение. а)

задачу

3.16. a )).

Одним из возможных базисов

R

n

 

является следующий:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

1,0,0, ,0,0 ,

e

 

0,1,0, ,0,0

, , e

 

0,0,0, ,0,1 .

1

 

 

 

2

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

3.4.3

Действительно, система векторов

e

e

e

 

,

2

, ,

1 1

2 2

n n

1

 

 

e

,

1

 

n

e2

, ,en линейно независима

 

 

 

 

 

 

 

1

0,

 

2

0, ,

n

 

 

0,0, ,0

 

 

 

 

 

0

и всякий вектор x Rn

линейно выражается через векторы этой системы (если

x 1, 2 , , n , то x 1e1 2e2 nen ). Следовательно, dim R

n

 

n.

 

 

 

 

б)

Простейшим базисом Mn R

является такая система векторов:

 

 

 

 

 

e

1, e

t, ,e t

n 1

, e

 

t

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

n

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно, что система векторов e1,e2 , ,en 1 линейно независима

 

 

 

 

 

 

 

e e

 

 

e

 

 

t

 

t

n

0 t

 

0,

 

0, ,

 

 

0

n

0

n

 

0

1

n

 

0 1

1 2

 

 

n 1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и любой вектор

(если

f t 0

f

t M

R

n

 

 

t

t

1

n

 

линейно выражается через векторы этой системы

n

то

f t 0e1 1e2 nen 1 ). Таким обра-

,

зом, dim Mn R n 1 и в За базис пространства

Mn R изоморфно R

n 1

.

 

Rm,n можно принять систему векторов

 

 

 

1

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

1

 

 

 

0

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

e

 

 

 

 

 

,

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

0

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

e

 

 

 

 

 

 

,e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

m n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

, ,e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

0

1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

, ,e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

,

(3.4.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

1

, ,

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

Она линейно независима ( 1e1 2e2 m nem n

42

 

 

1

2

 

n

 

0

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

n 2

2n

 

0

0

0

 

0,

 

0, ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m 1 n 1

m 1 n 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m n

 

0

0

 

0

 

 

 

 

 

m n

0

 

 

) и через неё линейно выражается любой вектор

A Rm,n

( если

 

11

12

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

21

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m1

m2

 

 

 

 

 

1n

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

,

 

 

 

 

 

 

 

 

mn

 

 

 

 

 

то

A

e

 

12

e

 

1n

e

 

e

 

22

e

 

 

11 1

 

2

 

n

 

21 n 1

 

n 2

 

 

e

 

e

 

2n 2n

 

m n m n

). Поэтому

dim R

m n

m,n

 

и

Rm,n

изоморфно

R

m n

.

 

Пример 2. Систему многочленов

f1 t t

5

t

4

,

f2 t t

5

3t

3

,

f3 t t

5

2t

2

,

f4 t t

5

t

дополните до базиса

 

 

 

 

 

 

 

пространства

 

M5 R .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Известно (см. предыдущий пример), что dim M5 R 6.

Выяс-

ним, сколько и каких векторов нужно взять, чтобы дополнить данную систему

векторов до базиса M5 R . Воспользуемся изоморфизмом между

M5 R и

R

6

,

 

в котором и будем работать (это проще).

 

 

 

 

f1 t x1 0,0,0,0,1,1 ,

f2 t x2

0,0,0, 3,0,5 ,

 

 

 

 

f3 t x3 0,0,2,0,0,1 ,

f4 t x4

0, 1,0,0,0,1 .

 

 

 

 

Сведём векторы x1, x2 , x3 , x4 в матрицу и приведём её элементарными преобразованиями к ступенчатому виду:

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

0

0

0

0

1

1

 

 

0

0

0

0

1

 

x

 

 

 

0

0

0

3

0

 

 

 

0

0

2

0

0

 

 

 

2

 

 

 

5

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

.

 

x

 

 

 

0

0

2

0

0

 

 

0

0

0

3

0

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

1

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

0

0

0

 

0

0

0

0

1

 

x

4

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно, что система векторов x1, x2 , x3 , x4

(а, значит и система векторов

f1 t , f2

t , f3

t , f4 t ) линейно независима. Дополнять до базиса нужно двумя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

2

3

4

5

 

t t5

 

векторами. Например,

x

0,0,0,0,0,1 f

5

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

2

3

4

5

f

 

t 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

x

6

 

1,0,0,0,0,0

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример3. Проверьте, что векторы e1 2,2, 1 ,

e2 2, 1,2 , e3 1,2,2

образуют базис пространства R3 и найдите координаты вектора x 111, , в этом базисе.

43

Решение. dim R3

висимы.

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

2

2

1

 

e

 

 

 

2

1

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

e

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

3. Нужно показать, что векторы e1 ,e2 ,e3

линейно неза-

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

2

2

 

 

2

2

 

 

2

2

 

 

~

 

2

2

 

 

~

 

0

6

 

~

 

0

3

 

~

 

0

3

6

 

.

 

1

 

3

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

0

3

 

 

 

0

6

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

2

 

 

6

 

 

3

 

 

9

 

Значит, можно вектор

x

разложить по базисным векторам, т.е. представить в

виде

 

x 1e1

2e2

3e3 , причём такое представление будет единственным.

1e1 2e2 3e3 1 2,2, 1 2 2, 1,2 3

1, 2,2

 

 

(2

1

 

2

2

 

 

3

,2

1

 

2

2

3

,

1

2

2

2

3

1,1,1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

1

1

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 2 3

1,

 

 

или в матричном виде

 

2

1

2

2 1

 

 

 

 

 

1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

2

1

 

1

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заметим, что столбцами этой матрицы являются векторы e1 ,e2

,e3

, x.

стему метом Гаусса:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

2

1

 

 

 

 

2

 

2

1

 

 

 

2

2

1

 

 

2

2

 

 

2

 

1

2

 

~

 

2

 

2

1

 

~

 

0

6

3

 

~

 

0

3

6

 

 

 

1

 

 

1

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

2

 

 

 

 

2

1

 

2

 

 

 

0

3

6

 

 

 

0

6

3

 

1

 

 

 

 

1

 

 

3

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

1

 

 

2

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

0

1

2

 

 

 

0

1

2

 

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

2

1

 

 

 

0

0

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решим си-

 

 

1

 

 

~

3

 

 

 

 

3

 

Следовательно,

3 3 1 3

1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

1 2

 

1

2

 

 

1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

2

3

3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

1

 

 

1 2

 

 

2

 

1

2

 

2

 

1

.

1

2

3

1

 

2

3

3

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, вектор x

в базисе e1 ,e2 ,e3

имеет координаты

1

,

1

,

1

 

 

 

.

 

3

 

3

 

 

 

 

 

3

3.4.1. Выясните, какова размерность каждого из указанных линейных пространств, и найдите какой-либо базис пространства:

а б

в

пространство R (см. пример 2 § 3.1. ) ;

пространство R (см. задачу 3.1.3 в ) ;

пространство комплексных чисел C , рассматриваемое как действительное линейное пространство (см. задачу 3.1.3. г ) ;

44

г пространство комплексных чисел

C , рассматриваемое как комплексное ли-

нейное пространство ;

 

 

 

 

б ;

д пространство, заданное в задаче 3.1.6.

е пространство, заданное в задаче 3.1.6

г ;

ж пространство F бесконечных действительных последовательностей, эле-

менты которых удовлетворяют соотношению k k 1 k 2 , k 3,4,

(см. задачу 3.1.8.).

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4.2. В пространстве

R

4

найдите два различных базиса, имеющих общие

 

векторы e1 11,,0,0

и e2

0,0,11, .

 

 

3.4.3. В базисе

1 2i, 2 i действительного линейного пространства C

найдите координаты вектора

5 4i.

 

 

 

 

 

 

 

1 0

 

0 1

0

0

3.4.4. В базисе

 

 

,

,

 

действительного линейного про-

 

 

 

 

 

0 1

 

1 0

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

странства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

, , R найдите координаты векторов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

3

4

 

 

2

5

 

 

 

 

4

и B

 

2

 

.

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

3.4.5. В пространстве

R

4

дана система векторов x1, x2 , x3 , x4 .

 

Можно ли принять эту систему за базис? Каковы координаты вектора

y в этом

базисе?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

1,1,1,1 ,

x

2

 

1,1,

1, 1 ,

x

3

 

1, 1,1, 1 ,

x

4

 

1, 1, 1,1 ;

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y 1,2,1,1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б x1

1,1,0,1 ,

 

x2 2,1,3,1 ,

x3 1,1,0,0 , x4

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,0,0,1 .

 

 

 

 

 

 

 

3.4.6. Можно ли в пространстве многочленов

базиса систему многочленов

 

 

 

 

a x

t

2

1,

x

t

2

1,

x

2t 1;

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

б x

t

2

1,

x

t

2

1,

x

2t

2

1.

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

0,1, 1, 1 ;

M2 R

выбрать в качестве

3.4.7. Найдите координаты многочлена следующих базисов пространства M5 R :

t

5

t

4

 

 

t

3

t

2

 

 

t

1

в каждом из

а) e

1,

e

t,

e

t

2

,

e t

3

,

e

t

4

,

e

t

5

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

3

 

 

 

 

4

 

 

5

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

б e 1, e

t 1, e

 

t 2 1,

e t

3 1,

e t 4 1, e

t 5 1;

 

1

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

5

 

 

 

6

 

 

в e 1 t 3 ,

e t t 3

,

 

e t 2

t 3 ,

e t 3 ,

e t 4

t 3 ,

e t5

t 3.

1

 

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

4

 

 

 

5

 

 

 

6

 

45

§ 3.5. Подпространства линейного пространства. Сумма и пересечение подпространств

Множество L векторов линейного пространства L называется подпро-

странством этого пространства, если :

1) сумма любых двух векторов из L

принадлежит L и 2) произведение каждого вектора из L на любое число из

поля F также принадлежит L .

 

 

Рассмотрим два подпространства L1

и L2 линейного пространства L .

Суммой подпространств L1 и

L2

называется множество всех векторов,

которые можно представить в виде

x1 x2 , где x1 и x2 принадлежат соответ-

ственно подпространствам L1 и L2 . Сумма подпространств L1 и L2 обознача-

ется L1 L2 .

 

 

Пересечением подпространств L1

и L2 называется множество векторов,

которые принадлежат одновременно обоим подпространствам. Пересечение

подпространств

L и

L

обозначается L L .

 

 

1

2

1

2

 

 

Сумма и пересечение подпространств

L1

и

L2 являются подпространства-

ми пространства

L .

 

 

 

 

 

Для любых двух подпространств L1 ,

L2

конечномерного пространства

L имеет

 

 

 

dim L

 

1

 

место равенство

 

 

 

 

 

 

L

 

dim L

dim L

L

 

dim L

 

2

 

 

1

2

 

1

2

 

 

 

3.51.

Если для каждого вектора

x x

x

,

x

L

, x

2

L

1

2

 

1

1

 

2

x

из

S L

L

1

2

представление

единственно, то

S

называется прямой суммой подпространств

L1

и

L2

и

 

.

 

 

обозначается

L1 L2 .

 

 

Сумма S подпространств

L1 , L2 , , Lm

тогда и только тогда будет прямой

суммой, когда объединение базисов этих подпространств дает базис

S .

Пример 1. Покажите, что множество всех векторов

x

,

2

, ,

n

 

1

 

 

 

из

R

n

 

, координаты которых удовлетворяют уравнению

 

1

 

2

 

n

0

 

 

 

 

явля-

ется подпространством линейного пространства Rn . Найдите один из базисов и размерность этого подпространства.

Решение. Обозначим

 

 

n

 

 

R~n x 1 , 2

, , n Rn | i 0 .

 

 

 

i 1

 

 

Множество

~n

замкнуто относительно сложения векторов и умножения

R

 

 

 

~n

, R

вектора на действительное число: x, y R

x y 1, 2 , , n 1, 2 , , n 1 1, 2 2 , , n n ,

46

n

 

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

~n

 

i i i i 0 0 0

, т.е.

 

;

(x y) R

i 1

 

 

 

i 1

 

i 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

,

2

, ,

n

 

 

 

 

,

2

, ,

n

 

,

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~n

 

 

i i 0 0 , т.е.

 

 

.

 

( x) R

 

i 1

 

 

i 1

 

 

~n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

- подпространство линейного пространства

 

R

 

Покажем, что система векторов e1 1,0,0, ,0, 1 ,

e2 0,1,0, ,0, 1 , e3 0,0,1, ,0, 1 ,

R

n

 

.

. . . . . . .

en 1 0,0,0, ,1, 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~n

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

образует базис в R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 e

e

 

e

,

2

,

, ,

n

1

,

 

2

 

n 1

1 1

2 2

n 1

n 1

1

 

3

 

1

 

 

 

если и только если

1

0, 2 0, , n 1 0

, т.е. система векторов

0,0,0, ,0,0 ,

e

,e

, ,e

1

2

n 1

линейно независима;

 

2)

~n

x

,

x R

 

 

 

 

 

1

2

= e

e

 

e

1 1

2 2

 

 

n 1

n 1

, ,

 

,

, ,

n

1

2

 

, т.е. всякий вектор

 

,

 

n 1

 

n 1

~n

1

2

 

 

может быть представлен в

x R

виде линейной комбинации системы векторов

e1 ,e2 , ,en 1. .

 

 

Таким образом,

 

 

 

~n

n

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dim R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2. Найдите базисы суммы и пересечения подпространств

L

L x , x

2

, x

3

, x

4

 

и

L

2

L y

1

, y

2

, y

3

, y

4

,

где

x

1111,,, , x

2

1, 111,, ,

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

x3 1,0,0,1 ,

x4

0,11,,0 ;

y1 5, 3,2,1 ,

 

y2 2,1,9, 3 ,

y3 7, 3,11, 2 ,

y4 3, 4, 7,4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Сначала найдем базисы подпространств

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

1

1

1

1

 

 

1

1

1

1

 

 

1

1

1

 

x

 

 

 

 

1

1

1

 

 

 

0

2

0

 

 

 

0

1

0

 

2

 

 

 

1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

~

 

 

 

 

x

 

 

 

1

0

0

 

 

0

1

1

 

 

0

1

1

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

1

1

 

 

1

1

x

4

 

 

0

0

 

0

0

 

0

 

 

 

 

 

 

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Базис L1

образуют векторы x1 , x2 , x3 , dim L1 3.

 

L

, L

1

 

2

 

 

1

 

 

 

 

0

 

 

 

~

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

и

 

1

 

0

 

 

0

 

 

0

L

L .

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1

 

 

1

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

~

 

0

1

 

 

 

 

0

 

 

0

1

 

 

 

0

 

47

 

 

1

 

 

 

 

3

 

 

y

 

 

 

5

2

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

2

1

9

y

 

 

 

7

3

11

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

7

y

4

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

5

16

 

 

 

 

 

0

 

11

41

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

0

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

0

 

3

2

17

0

 

 

1

 

 

5

 

 

2

 

 

1

 

~

 

 

 

 

 

7

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

3

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

~

y3

 

~

 

y

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

 

9

 

11

 

7

1

5

0

1

0

11

0

0

7

 

 

 

 

 

3

 

 

 

~

 

 

 

 

2

 

4

 

 

 

 

16

 

0

 

41

 

0

 

 

1

5

 

0

11

 

 

0

32

 

 

11

0

 

7

 

 

 

0

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

17

 

 

0

 

 

 

 

 

    

16

 

41

123

 

41

1

5

0

1

0

0

0

0

7

 

 

 

 

 

 

 

17

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

51

 

 

 

 

 

 

 

17

 

 

 

16

7

 

 

0

0

 

 

 

.

41

 

 

 

 

17

 

0

0

 

 

 

 

Базис

L2

образуют векторы

y

,

1

 

y

2

,

 

 

y3

,

dim L

3.

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

1

1

 

1

 

 

 

1

 

 

 

1

 

1

1

 

 

1

 

 

1

 

1

 

 

1

1

 

 

 

 

x

 

 

1

1

1

 

 

 

1

 

0

 

2

0

 

 

0

0

 

1

 

 

0

0

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

 

 

1

0

 

0

 

 

 

1

 

0

 

1

1

 

0

0

 

1

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

y

5

3

2

 

 

 

1

0

 

8

3

 

 

0

 

8

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

4

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

2

1

 

9

 

 

 

 

 

 

0

 

1

7

 

 

 

 

 

 

0

 

1

 

 

7

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

y

3

 

 

7

11

2

 

0

 

4

 

 

9

0

 

 

4

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

1

1

 

 

 

1

 

1

1

1

 

 

 

1

1

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

 

 

0

0

 

0

 

1

0

0

 

0

1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

1

0

 

 

 

0

 

0

1

0

 

 

 

0

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

~

 

 

~

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

3

 

 

 

0

 

0

0

 

 

0

0

 

 

0

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

4

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

7

 

 

 

 

 

 

0

 

0

0

 

 

 

 

 

0

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

5

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

4

 

9

 

0

 

0

0

9

 

0

0

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

Базис

L1 L2

 

составляют вектора x1

, x2 , x3

, y1

, dim L1 L2 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

Размерность пересечения подпространств

L1

и

L2

определим из соотно-

шения

351. . ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

3

3 4 2

 

 

 

 

 

 

dim L

L

 

dim L

 

 

dim L

dim L

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим базисные вектора подпространства

L L

через

z

и z

2

. По

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

1

 

 

определению пересечения подпространств

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

352. .

zi

1i x1 2i

x2 3i

x3

1i

y1 2i y2

 

3i y3 ,

 

i 1,2,

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

35. .3

1i x1

2i

x2 3i

x3 1i ( y1) 2i

y2 3i

y3 ,

i 1,2,

 

 

 

 

 

где слева от равенства записана линейная комбинация векторов, образующих базис L1 L2 . Переменные 2i и 3i , стоящие при линейно зависимых векто-

рах, называются свободными. Выберем их значения в соответствии с таблицей

48

i

2i

3i

 

 

 

 

 

1

1

0

 

 

 

 

 

2

0

1

 

 

 

3.5.3

 

При таком выборе значений 2i

и 3i

системы линейных уравнений

от-

носительно 1i , 2i , 3i , 1i будут иметь линейно независимые решения. Запишем явно системы 35. .3 и решим их методом Гаусса. Учитывая, что системы уравнений 35. .3 отличаются лишь правыми частями, целесообразно их объединить в одну расширенную матрицу.

x1

x2

x3

y1

y2

y3

 

 

 

1

1

1

1

1

1

5 2

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

2

1

1

1

0

3

1

 

 

 

 

3

~

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

1

1

1

0

2

9

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

1

1

 

 

 

 

0

1

1 3 2

 

 

 

 

 

5

2

7

 

8

 

 

 

1 10

 

 

 

 

3

7

4

 

4

 

 

 

5 9

.

Осуществляя обратный ход в вычислительной схеме Гаусса, рассматриваем сначала первый столбец свободных членов, соответствующий 21 1, 31 0, а

затем второй, полученный при 22

0, 32 1.

В результате приходим к тому,

что:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

45

, 21

 

7

 

,

31

 

 

43

, 11

5

и

 

 

 

 

 

8

8

 

 

 

4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

41

, 22

 

11

, 32

43

,

12

9

.

 

 

 

 

 

8

8

4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соотношения 35. .2 будем использовать для вычисления и проверки получен-

ных результатов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

x

 

 

 

x

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

45

1111,,,

 

 

7

1, 111,,

43

1,0,0,1

21

2

31

3

 

 

 

 

 

 

 

1

 

11

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

8

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

,

19

,

26

,

17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

4

4

 

4

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

21

y

2

 

 

31

y

3

 

 

5, 3,2,1

 

 

1 2,1,9, 3

0

7, 3,11, 2

 

 

11

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

,

19

,

26

,

17

z

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

4

 

 

4

 

 

4

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

x

 

 

 

41

 

11,,11,

 

11 1, 111,,

 

43 1,0,0,1

 

2

 

 

 

12

1

 

 

 

 

22

 

2

 

 

 

 

 

32

 

3

 

 

8

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

,

15

,

26

,

17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

4

4

 

 

4

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

49

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

y

2

 

y

3

5, 3,2,1

0 2,1,9, 3

1 7, 3,11, 2

 

 

12

1

22

 

32

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

,

15

,

26

,

17

 

z

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

4

 

4

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5.1. Укажите, какие из заданных множеств являются подпространствами действительных линейных пространств. Найдите один из базисов и размерность каждого из этих подпространств:

а)

все векторы плоскости, каждый из которых параллелен либо оси

x , либо

 

оси y ;

 

б) в) г)

д) е)

все векторы плоскости, одинаково направленные с осью x ;

все векторы из

R

n

, сумма координат каждого из которых равна ;

 

 

все векторы из

R

n

, у которых первая и последняя координаты равны между

 

собой;

 

 

 

вида , , , , , , , где и - действительные числа;

все векторы из Rn

все симметричные матрицы порядка n ;

 

 

 

0

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a,b,c C

 

 

 

ж)

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

c

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a,b,c R

 

 

 

 

з)

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

c

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и)

все кососимметричные матрицы порядка

n

(квадратная матрица

 

называется кососимметричной, если ij ji для любых i, j ).

 

 

ij

A

 

 

3.5.2. Что представляют собой сумма и пересечение следующих подпро-

странств

L1

и

L2 пространства

Rn,n всех действительных квадратных матриц

порядка

n :

 

 

 

 

 

 

а) L - пространство симметричных матриц (см. задачу 3.5.1 е) ),

L

2

- простран-

1

 

 

 

 

 

 

ство верхних треугольных матриц;

б) L1 - пространство симметричных матриц,

ных матриц (см. задачу 3.5.1

и) ).

L2

- пространство кососимметрич-

 

3.5.3. Найдите какиелибо базисы суммы и пересечения подпространств

L L x

, x

2

, x

3

и

L

L y , y

2

, y

3

арифметического векторного пространства

1

1

 

 

 

2

1

 

 

 

строк R4 :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) x1 11,,2,1 ,

x2

0,1,3,2 ,

x3

2,11,,3 ,

y1

3,1,4,0 ,

y2

6, 2,0,1 ,

y3 5,3,0,1 ;

б) x1 0,0, 1, 1 ,

x2 0,2,2,0 ,

x3 11,,0,0 ,

y1

0, 2,0, 2 ,

y2 11,,2,0 ,

y3 2,1,2,1 ;

50

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]