![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •В.А. Павский линейная алгебра
- •Оглавление
- •Введение
- •I. Введение в линейную алгебру § 1. История развития алгебры
- •§ 2. Множества
- •§ 3. Строение множеств
- •Алгебра множеств
- •§ 4. Число Развитие
- •§ 5. Числовые множества
- •Бесконечные множества
- •Натуральный ряд
- •Множество целых чисел
- •Множество рациональных чисел
- •Множество действительных чисел
- •Множество комплексных чисел
- •Суммы и произведения
- •Приближенные вычисления
- •II. Элементы линейной алгебры § 1. Матрицы и определители 3, 7
- •Действия над матрицами
- •1. Сложение матриц
- •2. Умножение матрицы на число
- •3. Умножение матриц
- •Определитель матрицы
- •Свойства определителей
- •Вычисление определителей
- •Аксиоматическое построение теории определителей
- •Обратная матрица
- •Ранг матрицы
- •Элементарные преобразования матрицы
- •§ 2. Системы линейных алгебраических уравнений
- •Методы решения слау
- •1. Метод Крамера
- •2. Матричный метод
- •3. Метод Гаусса
- •Однородная система линейных алгебраических уравнений (ослау)
- •§ 3. Системы линейных алгебраических неравенств
- •III. Линейные пространства
- •§ 1. Линейная зависимость
- •§ 2. Линейные комбинации. Базисы
- •§ 3. Подпространства
- •§ 4. Прямые суммы
- •§ 5. Евклидовы пространства
- •§ 6. Координатные системы
- •IV. Векторная алгебра § 1. Векторы
- •§ 2. Линейные операции над векторами
- •§ 3. Проекция вектора на ось
- •Линейные свойства проекции вектора на ось
- •Координаты вектора
- •Деление отрезка в данном отношении
- •§ 4. Базис системы векторов
- •§ 5. Скалярное произведение векторов
- •§ 6. Векторное произведение векторов 4
- •Геометрические свойства векторного произведения
- •Алгебраические свойства векторного произведения
- •§ 7. Смешанное произведение векторов 4
- •V. Аналитическая геометрия 4
- •§ 1. Системы координат на плоскости
- •§ 2. Уравнение линии на плоскости
- •§ 3. Уравнение поверхности и линии в пространстве
- •§ 4. Прямая и плоскость в линейном пространстве
- •Уравнение плоскости, проходящей через три точки
- •Взаимное расположение плоскостей
- •Уравнение прямой в пространстве r3
- •Уравнение прямой, проходящей через две точки
- •Прямая как линия пересечения плоскостей
- •Расстояние от точки до прямой
- •Угол между прямой и плоскостью
- •Угол между плоскостями
- •VI. Линейные операторы § 1. Линейный оператор
- •Векторные свойства линейных операторов
- •Умножение операторов
- •Матрицы операторов
- •Изменение базиса 3, 11
- •Подобие 11
- •§ 2. Характеристический многочлен
- •VII. Билинейные и квадратичные формы § 1. Билинейные формы
- •§ 2. Квадратичные формы
- •Приведение к каноническому виду
- •VIII. Гиперповерхности и поверхности второго порядка
- •Классификация линий второго порядка
- •Окружность
- •Гипербола
- •Парабола
- •Классификация поверхностей второго порядка
- •Заключение
- •Список литературы
- •Линейная алгебра
- •650002, Г. Кемерово, ул. Институтская, 7
- •650002, Г. Кемерово, Институтская, 7
§ 3. Подпространства
Линейные пространства изучают не только отношения между элементами, но и прямые, плоскости и другие линейные аналоги геометрических образов.
Определение.
Непустое множество M
линейного пространства L
называется подпространством или линейным
многообразием 11,
если из принадлежности
следует, что ему принадлежат все линейные
комбинации
.
Последнее
означает, что с любым элементом
оно содержит и элемент
,
то есть нулевой элемент
.
Поэтому, говоря о подпространствах
(прямых, плоскостях и т.д.), следует иметь
в виду, что все они содержат нуль-вектор
или проходят через начало координатной
системы, если таковая введена.
Следовательно, любое подпространство является пространством.
Очевидными
примерами подпространства являются
само пространство L
и множества О,
состоящее из одного элемента
{}
или начала.
Пример III.12. Выберем в трехмерном линейном пространстве три единичных взаимно перпендикулярных вектора и приведем их к общему началу (рис. III.1), которое обозначили через O.
Рис. III.1
Из
определения подпространства следует,
что пространство
есть объединение подпространств
и
с базисами
и
соответственно. Ясно, что
и
,
где множество
содержит один элемент
– нуль-вектор. Из рисунка видно, что
является объединением плоскости
и прямой l.
Приведение к общему началу позволяет
ввести прямоугольную координатную
систему с заданным масштабом
и направлением.
§ 4. Прямые суммы
Пусть
и
линейные пространства над одним и тем
же числовым полемR.
Их прямой суммой называется линейное
пространство
,
элементами которого являются всевозможные
пары элементов
,
где
,
,
а линейные операции определяются
формулой
.
Множество
всех элементов вида ,0
образует в
подпространство, соответствие
,0
показывает, что это подпространство
изоморфно
,
а0,
–
.
Какова
связь между
и
,
если их рассматривать как подпространства
?
Теорема
III.5.
Если
и
подпространства линейного пространства
,
то следующие условия эквивалентны
1)
;
2)
Ơ,
где Ơ={0}
– нуль-пространство и
(то есть
и
дополняют друг друга);
3)
любой элемент
из
можно записать как
,
где
,
(рис.III.2).
Рис. III.2
Теорема III.6. Размерность прямой суммы равна сумме размерностей ее слагаемых.
Следствие. Любое подпространство конечного линейного пространства обладает дополнением.
Пример
III.13.
Пусть элементы
,
,
,
принадлежат
,
а
и
подпространства такие, что
,
.
Проверить
равенство
,
если
а)
,
,
,
;
б)
,
,
,
.
Имеем
или
.
По
правилу сложения координат получили
а)
.
Приравнивая соответствующие координаты
правой и левой частей последнего
равенства, получим систему уравнений,
решение которой имеет вид:
,
то есть элементы линейно независимые.
Рассматривая пары
,
,
получаем
,
.
Таким образом, равенство
верно.
Аналогичные
вычисления для случая б) дают
,
,
то есть элементы линейно зависимые,
.
Докажем теорему (о размерности пространства), используя разложение пространства в прямую сумму подпространств.
Теорема
III.7.
Все базисы n-мерного
линейного пространства
состоят изn
элементов.
Доказательство.
Рассмотрим
n-мерное
линейное пространство
,
.
Доказательство проведем методом
математической индукции.
При
число базисных векторов равно 0, что
следует из определения линейной
комбинации. При
число базисных элементов
равно
.
Любой другой элемент получается
умножением базисного на число
,
то есть
,
следовательно, базис одномерного
линейного пространства (прямая) состоит
из одного элемента.
Предположим,
что n-мерное
линейное пространство
состоит изn
базисных элементов. Докажем, что
n+1-мерное
линейное пространство
состоит из (n+1)
базисного элемента. В самом деле,
представим (n+1)-мерное
пространство
в виде прямой суммы подпространств
,
где
– одномерное линейное пространство,
что возможно в силу предыдущей теоремы.
Любой элемент пространства
получается умножением базисных элементов
на число
,
,
.
В силу свойств прямой суммы получаем,
что любой базис пространства
состоит изn+1
элемента и число базисов в любом линейном
пространстве
бесконечно ▼.
Замечание.
Между прочим, доказательство по индукции
можно было начинать с
,
не акцентируя внимание на
.
Замечание. Из теоремы, в силу метода индукции, следует, что потенциально любое линейное пространство содержит столько базисных векторов, какова его размерность.
Пример
III.14.
Рассмотрим
три единичных взаимно перпендикулярных
вектора
,
,
.
С точностью до изоморфизма возможно
разложение в прямую сумму
по базисным векторам для
любой из
,
для
– любая
пара
,
.
Аналогично можно составить базис
бесконечномерного пространства.