- •Линейные пространства
- •§ 1. Понятие линейного пространства
- •§2. Линейная зависимость и линейная независимость векторов линейного пространства
- •§3. Ранг и базис системы векторов
- •Базис и размерность пространства
- •Координаты векторов
- •Координаты векторов
- •Изменение координат вектора при изменении базиса
§3. Ранг и базис системы векторов
Пусть дана система m векторов линейного пространства 1 =( 11, 12, … 1n),
2 =( 21, 22, … 2n), m =( m1, m2, … mm).
Определение. Базисом системы векторов называется такая ее подсистема, которая обладает следующими свойствами:
1) эта подсистема линейно независима;
2) любой вектор всей системы является линейной комбинацией векторов указанной подсистемы.
Из координат векторов составим матрицу:
По аналогии с трехмерным векторным пространством элементы любого линейного пространства называются векторами, хотя природа этих элементов может быть совсем иная.
Другими примерами вещественных линейных пространств могут служить:
множество столбцов
из
элементов,
являющихся вещественными числами ;
множество многочленов степени не выше с вещественными коэффициентами;
множество всех многочленов с вещественными коэффициентами;
множество функций непрерывных на некотором отрезке
.
В примерах 2-4 нулевым вектором является многочлен или функция тождественно равная нулю, то есть равная нулю при всех значениях аргумента. Проверку того, что указанные множества являются линейными пространствами, предоставляем читателю.
Если в примерах 1-3 слово "вещественными" заменить на "комплексными", то получим примеры комплексных линейных пространств.
Пример 18.1
Рассмотрим еще один пример линейного
пространства. Пусть имеется однородная
система линейных уравнений, которую
запишем в матричном виде
,
где
--
матрица системы, а
--
столбец неизвестных. В силу предложения
15.3 столбцы-решения системы
можно складывать и умножать на число.
При этом будут получаться снова решения
этой системы. Значит, на множестве
решений определены операции сложения
и умножения на число. Легко проверить,
что эти операции удовлетворяют требованиям
из определения линейного пространства.
Итак, множество решений однородной
системы линейных уравнений является
линейным пространством. Если матрица
имеет
вещественные элементы, то и пространство
будет вещественным, если комплексные --
то и пространство будет комплексным.
Наверх: Линейные пространства Назад: Линейные пространства
Базис и размерность пространства
Так как в линейном пространстве векторы можно складывать и умножать на числа, то из них можно составлять линейные комбинации и можно ввести понятия линейной зависимости и линейной независимости системы векторов так же, как это было сделано в разделе "Линейная зависимость векторов". На случай произвольного линейного пространства определения 10.14 и 10.15 переносятся дословно. Предложения 10.6, 10.7, 10.8 переносятся дословно вместе с доказательствами.
На основе линейной зависимости в линейном пространстве вводится определение базиса. Оно почти дословно совпадает с определением 10.16.
Определение
18.2 Базисом линейного
пространства
называется
такая конечная упорядоченная линейно
независимая система векторов, что любой
вектор пространства
является
линейной комбинацией этих векторов.
В отличие от трехмерного пространства векторов, в некоторых линейных пространствах базис не существует.
Пример 18.2 Пусть -- линейное пространство всех многочленов с веществеными коэффициентами. Покажем, что в этом пространстве базис не существует.
Предположим
противное. Пусть векторы
образуют
в этом пространстве базис.
Каждый вектор пространства -- это многочлен. Пусть
|
|
|
|
|
|
|
|
Из степеней многочленов
выберем
наибольшую и обозначим ее буквой
.
Возьмем многочлен
.
Так как
и
векторы
образуют
базис, то
,
где
--
вещественные числа. Следовательно,
является
суммой многочленов степеней меньших,
чем
,
и поэтому его степень должна быть меньше,
чем
.
С другой стороны, по определению,
многочлен
имеет
степень
.
Получили противоречие. Значит,
предположение о существовании базиса
неверно.
Теорема 18.1 В линейном пространстве любые два базиса содержат одинаковое число векторов.
Доказательство теоремы мы приводить не будем. Желающие могут найти его в любом учебнике по линейной алгебре, например в [1].
Определение
18.3 Линейное пространство
,
в котором существует базис, состоящий
из
векторов,
называется
-мерным
линейным или векторным пространством.
Число
называется
размерностью пространства и
обозначается
.
Линейное пространство, в котором не
существует базис, называется
бесконечномерным.
Примером бесконечномерного пространства является пространство всех многочленов с вещественными коэффициентами. Как показано в примере 18.2 в этом пространстве базис отсутствует.
Предложение 18.1 Пространство столбцов из элементов, являющихся вещественными числами, имеет рамерность .
Доказательство. Возьмем систему векторов
Покажем, что эта система линейно независима. Составим линейную комбинацию и приравняем ее к нулю:
Преобразуем левую часть:
Следовательно,
откуда
,
,
.
Итак, система векторов
--
линейно независима.
Пусть
--
произвольный вектор пространства,
Очевидно,
что
Следовательно, вектор является линейной комбинацией векторов . Тем самым доказано, что векторы образуют базис в пространстве столбцов из элементов. Размерность пространства равна числу векторов в базисе. Следовательно, пространство -- -мерное.
Пространство
столбцов из
элементов,
являющихся вещественными числами,
обозначается
.
Предложение 18.2 Пространство столбцов из элементов, являющихся комплексными числами, имеет размерность .
Доказательство
такое же, как и в предыдущем предложении.
Это пространство обозначается
.
Пример 18.3
Пространство решений однородной
системы линейных уравнений
имеет
базис из
решений,
где
--
число неизвестных, а
--
ранг матрицы
.
Этим базисом служит фундаментальная
система решений (см. определение
15.5 и теорему
15.3).
