主要内容

高等代数教学辅导

6.1 一般线性空间的定义与举例

子节 6.1.1 基础知识回顾

定义 6.1.1.

\(V\)是一个非空集合。定义\(V\)上的加法(记为\(+\))为满足下面要求的运算法则: 对任意\(\alpha, \beta \in V\),按该运算法则,存在唯一的对应元素,记为\(\alpha + \beta\),并且运算法则\(+\)还满足
  1. 封闭性:\(\alpha + \beta \in V\)
  2. 交换律:\(\alpha + \beta = \beta + \alpha\)\(\forall \alpha, \beta \in V\)
  3. 结合律:\(\alpha + (\beta + \gamma) = (\alpha + \beta) + \gamma\)\(\forall \alpha, \beta, \gamma \in V\)
  4. 零元:存在\(V\)中某个元素,记为\(0\),使得\(\alpha + 0 = 0 + \alpha = \alpha\)\(\forall \alpha \in V\)
  5. 负元:对任意\(\alpha \in V\),存在\(V\)中元素\(\beta\)使得\(\alpha + \beta = \beta + \alpha = 0\)

定义 6.1.2.

\(V\)为定义了加法“\(+\)”的非空集合,\(\F\)为一个数域。\(V\)\(\F\)上的数乘(记为\(\cdot\))为满足下面要求的运算法则:对任意\(c \in \F\)\(\alpha \in V\),按该运算法则,存在唯一的对应元素,记为\(c \cdot \alpha\)(一般简记为\(c \alpha\)),并且数乘法则还满足
  1. 封闭性:\(c \alpha \in V\)\(\forall c \in \F, \alpha \in V\)
  2. 有数乘单位元:\(1\alpha = \alpha\)\(\forall \alpha \in V\)
  3. 数乘与向量加法的分配律:\(c (\alpha + \beta) = c \alpha + c \beta\)\(\forall \alpha, \beta \in V, \forall c \in \F\)
  4. 数字加法与数乘的分配律:\((c+d) \alpha = c \alpha + d \alpha\)\(\forall c,d \in \F, \forall \alpha \in V\)
  5. 数字乘法与数乘的结合律:\((cd) \alpha = c (d \alpha)\)\(\forall c,d \in \F, \forall \alpha \in V\)

练习 6.1.2 练习

基础题.

1.
判断下列集合对于给定的运算是否构成相应数域上的线性空间:
  1. 复数域\(\C\)对于数的加法和数乘在实数域\(\R\)上是否构成线性空间?
  2. 实数域\(\R\)对于数的加法和数乘在复数域\(\C\)上是否构成线性空间?
  3. 与给定的方阵\(A \in \R^{n \times n}\)可交换的所有\(n\)阶实方阵对于矩阵的加法和数乘是否构成\(\R\)上的线性空间?
  4. \(\R\)上的区间\([0,1]\)上所有单调递增连续实函数对于函数的加法和数乘在\(\R\)上是否构成线性空间?
  5. \(\R\)上的区间\([0,1]\)上满足\(f(1)=0\)的连续实函数对于函数的加法和数乘在\(\R\)上是否构成线性空间?
解答.
  1. 是,请读者自行验证。
  2. 不是。取复数\({\rm i}\in\C\),实数\(1\in\R\),则\({\rm i}\cdot 1 = {\rm i}\notin \R\)。所以数乘运算不封闭,不构成线性空间。
  3. 是。记\(V = \{ X \in \R^{n\times n}\mid AX = XA \}\)。首先,\(V\)非空,因为零矩阵和单位矩阵(如果可交换)都在\(V\)中,但至少零矩阵在。对任意\(X,Y\in V\),有\(AX=XA, AY=YA\),则
    \begin{equation*} A(X+Y) = AX + AY = XA + YA = (X+Y)A, \end{equation*}
    所以\(X+Y \in V\)。对任意\(k\in\R\),有
    \begin{equation*} A(kX) = k(AX) = k(XA) = (kX)A, \end{equation*}
    所以\(kX \in V\)。因此\(V\)对加法和数乘封闭。而矩阵的加法和数乘满足线性空间要求的其他性质,这些运算在\(V\)上继承自全矩阵空间,所以\(V\)构成\(\R\)上的线性空间。
  4. 不是。因为数乘运算不封闭。设\(f: [0,1] \to \R\)单调递增连续。对任意\(c\in\R\),定义数乘\((c f)(x) = c f(x)\)。当\(c < 0\)时,若\(x<y\),则\(f(x) \le f(y)\),从而\(c f(x) \ge c f(y)\),即\(c f\)单调递减,而不是单调递增。所以当\(c<0\)时,\(c f\)不在原集合中。因此,数乘运算不是封闭的,不构成线性空间。
  5. 是。记\(V = \{ f \in C[0,1] \mid f(1)=0 \}\)。首先,零函数显然在\(V\)中。对任意\(f,g\in V\),有\((f+g)(1)=f(1)+g(1)=0+0=0\),所以\(f+g\in V\)。对任意\(c\in\R\),有\((cf)(1)=c f(1)=c\cdot 0=0\),所以\(cf\in V\)。因此\(V\)对加法和数乘封闭。函数的加法和数乘满足线性空间要求的其他性质,这些运算在\(V\)上继承自连续函数空间,所以\(V\)构成\(\R\)上的线性空间。
2.
重新定义\(\F\)\(n\)阶方阵的加法为
\begin{equation*} A \boxplus B = BA - AB, \end{equation*}
则所有\(n\)阶方阵的集合关于加法\(\boxplus\)和普通矩阵数乘是否构成\(\F\)上的线性空间?
解答.
不构成。因为加法\(\boxplus\)不满足交换律,也不满足结合律,并且不存在零元。具体验证如下:
  • 交换律:\(A \boxplus B = BA - AB\),而
    \begin{equation*} B \boxplus A = AB - BA = -(BA-AB) = -(A \boxplus B). \end{equation*}
    一般地,\(A \boxplus B \neq B \boxplus A\),除非\(A \boxplus B=0\)。所以加法不满足交换律。
  • 结合律:考虑
    \begin{align*} (A \boxplus B) \boxplus C \amp = (BA-AB) \boxplus C \\ \amp = C(BA-AB) - (BA-AB)C\\ \amp = CBA - CAB - BAC + ABC, \end{align*}
    \begin{align*} A \boxplus (B \boxplus C) \amp= A \boxplus (CB - BC) \\ \amp = (CB-BC)A - A(CB-BC)\\ \amp = CBA - BCA - ACB + ABC. \end{align*}
    两者一般不等,所以结合律不成立。
  • 零元:如果存在零矩阵\(O\)使得对所有\(A\)\(A \boxplus O = A\),即\(OA - AO = A\)。但左边\(OA - AO = O - O = 0\),所以要求\(0=A\),这对非零\(A\)不成立。所以零元不存在。
因此,所有\(n\)阶方阵的集合关于运算\(\boxplus\)和普通数乘不构成线性空间。
3.
\(V\)是数域\(\F\)上的线性空间,\(\alpha, \beta \in V\)\(c \in \F\),证明:
  1. \(c(\alpha - \beta) = c \alpha - c \beta\)
  2. \((c-d)\alpha = c \alpha - d \alpha\)
解答.
  1. 由线性空间公理,有
    \begin{equation*} c(\alpha - \beta) = c(\alpha + (-\beta)) = c\alpha + c(-\beta). \end{equation*}
    下证\(c(-\beta) = -c\beta\)。事实上,由分配律:
    \begin{equation*} c\beta + c(-\beta) = c(\beta + (-\beta)) = c \cdot 0 = 0, \end{equation*}
    所以\(c(-\beta)\)\(c\beta\)的负元,即\(c(-\beta) = -c\beta\)。因此
    \begin{equation*} c(\alpha - \beta) = c\alpha + (-c\beta) = c\alpha - c\beta. \end{equation*}
  2. 由分配律,
    \begin{equation*} (c-d)\alpha = (c + (-d))\alpha = c\alpha + (-d)\alpha. \end{equation*}
    类似可证\((-d)\alpha = -d\alpha\),因为
    \begin{equation*} d\alpha + (-d)\alpha = (d + (-d))\alpha = 0\alpha = 0, \end{equation*}
    所以\((-d)\alpha\)\(d\alpha\)的负元,即\((-d)\alpha = -d\alpha\)。因此
    \begin{equation*} (c-d)\alpha = c\alpha + (-d\alpha) = c\alpha - d\alpha. \end{equation*}

提高题.

4.
考虑下面\(2 \times 2\)实矩阵的集合
\begin{equation*} C = \left\{ \begin{pmatrix}a & b \\ -b & a\end{pmatrix} \middle| a, b \in \R \right\}. \end{equation*}
  1. \(C\)关于矩阵的加法和数乘是否构成\(\C\)上的线性空间?若构成线性空间,求其维数与一个基。
  2. \(C\)关于矩阵的加法和数乘是否构成\(\R\)上的线性空间?若构成线性空间,求其维数与一个基。
解答.
  1. 不是。可以直接验证,复数数乘运算关于\(C\)并不封闭。
  2. 是。对于任意\(a_{1}, a_{2}, b_{1}, b_{2} \in \R\)
    \begin{equation*} \begin{pmatrix}a_{1}&b_{1} \\ -b_{1}&a_{1}\end{pmatrix} + \begin{pmatrix}a_{2}&b_{2} \\ -b_{2}&a_{2}\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}(a_{1} + a_{2})&(b_{1} + b_{2}) \\ -(b_{1} + b_{2})&(a_{1} + a_{2})\end{pmatrix} \in C. \end{equation*}
    所以,\(C\)对于矩阵加法是封闭的。
    对于任意\(a,b,c \in \R\)
    \begin{equation*} c \begin{pmatrix}a & b \\ -b & a\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}ca&cb \\ -cb&ca\end{pmatrix} \in \C. \end{equation*}
    所以,\(C\)对于实数数乘也是封闭的。
    此外,我们已知矩阵的加法和数乘满足线性空间要求的其他性质,所以\(C\)构成\(\R\)上的线性空间。
    下面求基和维数。对于任意\(a,b \in \R\)
    \begin{equation*} \begin{pmatrix}a & b \\ -b & a\end{pmatrix} = a \begin{pmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1\end{pmatrix} + b \begin{pmatrix}0 & 1 \\ -1 & 0\end{pmatrix}. \end{equation*}
    同时
    \begin{equation*} \begin{pmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1\end{pmatrix}, \begin{pmatrix}0 & 1 \\ -1 & 0\end{pmatrix} \in C \end{equation*}
    线性无关,因此这两个矩阵构成子空间\(C\)的一个基,\(C\)的维数是\(2\)
    注:\(\begin{pmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1\end{pmatrix}\)对应了\(\C\)中的数字\(1\)\(\begin{pmatrix}0 & 1 \\ -1 & 0\end{pmatrix}\)对应了\(\C\)中的虚部单位\({\rm i}\)
5.
考虑下面\(2 \times 2\)复矩阵的集合
\begin{equation*} H = \left\{ \begin{pmatrix}\alpha & \beta \\ -\overline{\beta} & \overline{\alpha}\end{pmatrix} \middle| \alpha, \beta \in \C \right\}. \end{equation*}
  1. \(H\)关于矩阵的加法和数乘是否构成\(\C\)上的线性空间?若构成线性空间,求其维数与一个基。
  2. \(H\)关于矩阵的加法和数乘是否构成\(\R\)上的线性空间?若构成线性空间,求其维数与一个基。
解答.
  1. 不是。因为复数域的数乘运算关于\(H\)不封闭: 设\(A = \begin{pmatrix}\alpha & \beta \\ -\overline{\beta} & \overline{\alpha}\end{pmatrix}\text{,}\) \(c \in \C\),则
    \begin{equation*} cA = \begin{pmatrix}c\alpha & c\beta \\ -c\overline{\beta} & c\overline{\alpha}\end{pmatrix}. \end{equation*}
    若要求\(c A \in H\),则需要存在\(\alpha', \beta'\)使得\(cA = \begin{pmatrix}\alpha' & \beta' \\ -\overline{\beta'} & \overline{\alpha'}\end{pmatrix}\),即要求\(\alpha' = c\alpha\)\(\beta' = c\beta\),且\(-\overline{\beta'}= -c\overline{\beta}\)\(\overline{\alpha'}= c\overline{\alpha}\)。但\(\overline{\beta'}= \overline{c\beta}= \overline{c}\,\overline{\beta}\),所以\(-\overline{\beta'}= -\overline{c}\,\overline{\beta}\),而\(cA\)\((2,1)\)元是\(-c\overline{\beta}\)。因此,当且仅当\(c\overline{\beta}= \overline{c}\,\overline{\beta}\),即\((c-\overline{c})\overline{\beta}=0\)对所有\(\beta\)成立,这要求\(c=\overline{c}\),即\(c\in\R\)。所以,如果数乘是复数乘法,则\(cA\)不一定属于\(H\)(除非\(c\)是实数)。因此,\(H\)关于通常的复数数乘不封闭,故\(H\)不是\(\C\)上的线性空间。
  2. 是。因为\(H\)\(\C^{2\times 2}\)的子集,且对矩阵加法和实数数乘封闭: 设\(A = \begin{pmatrix}\alpha_{1}&\beta_{1} \\ -\overline{\beta_1}&\overline{\alpha_1}\end{pmatrix}, B = \begin{pmatrix}\alpha_{2}&\beta_{2} \\ -\overline{\beta_2}&\overline{\alpha_2}\end{pmatrix} \in H\),则
    \begin{align*} A + B \amp = \begin{pmatrix}\alpha_{1}+\alpha_{2}&\beta_{1}+\beta_{2} \\ -(\overline{\beta_1}+\overline{\beta_2})&\overline{\alpha_1}+\overline{\alpha_2}\end{pmatrix} \\ \amp = \begin{pmatrix}\alpha_{1}+\alpha_{2}&\beta_{1}+\beta_{2} \\ -\overline{\beta_1+\beta_2}&\overline{\alpha_1+\alpha_2}\end{pmatrix} \in H, \end{align*}
    加法关于\(H\)封闭。对任意\(c\in\R\)\(cA = \begin{pmatrix}c\alpha_{1}&c\beta_{1} \\ -c\overline{\beta_1}&c\overline{\alpha_1}\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}c\alpha_{1}&c\beta_{1} \\ -\overline{c\beta_1}&\overline{c\alpha_1}\end{pmatrix}\),因为\(c\)是实数,所以\(\overline{c\beta_1}=c\overline{\beta_1}\)\(\overline{c\alpha_1}=c\overline{\alpha_1}\)。因此\(cA\in H\)。实数数乘关于\(H\)也封闭。同时矩阵的加法和数乘满足线性空间要求的其他性质,所以\(H\)构成\(\R\)上的线性空间。下面求维数与基。设\(\alpha = a+b{\rm i}, \beta = c+d{\rm i}\),其中\(a,b,c,d\in\R\)。则
    \begin{align*} \begin{pmatrix}\alpha & \beta \\ -\overline{\beta} & \overline{\alpha}\end{pmatrix}= \amp \begin{pmatrix}a+b{\rm i}&c+d{\rm i}\\ -c+d{\rm i}&a-b{\rm i}\end{pmatrix}\\ =\amp \phantom{+} a \begin{pmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1\end{pmatrix} + b \begin{pmatrix}{\rm i}& 0 \\ 0 & -{\rm i}\end{pmatrix} \\ \amp + c \begin{pmatrix}0 & 1 \\ -1 & 0\end{pmatrix} + d \begin{pmatrix}0 & {\rm i}\\ {\rm i}& 0\end{pmatrix}. \end{align*}
    \begin{equation*} I= \begin{pmatrix}1 & 0 \\ 0 & 1\end{pmatrix},\quad J = \begin{pmatrix}{\rm i}& 0 \\ 0 & -{\rm i}\end{pmatrix}, \end{equation*}
    \begin{equation*} K = \begin{pmatrix}0 & 1 \\ -1 & 0\end{pmatrix},\quad L = \begin{pmatrix}0 & {\rm i}\\ {\rm i}& 0\end{pmatrix}. \end{equation*}
    则显然这四个矩阵是实数域上线性无关的(因为系数\(a,b,c,d\)唯一确定)。且任意\(H\)中矩阵可由它们线性表示,所以\(\dim_{\R}H = 4\),它的一个基为\((I, J, K, L)\)
    注:这里\(I,J,K,L\)对应四元数的四个基向量。
6.
考虑下面两个数域\(\F\)上的\(n\)阶矩阵的集合,它们对于矩阵的加法和数乘是否构成\(\F\)上的线性空间?若构成线性空间,求其维数与一个基。
  1. \(V_{1} = \{ A \in \F^{n \times n}\mid A^{\top} = A \}\)
  2. \(V_{2} = \{ A \in \F^{n \times n}\mid A^{\top} = -A \}\)
解答.
  1. 是。对称矩阵的和仍对称,数乘仍对称,且零矩阵对称,所以\(V_{1}\)\(\F^{n\times n}\)的子空间,构成线性空间。维数:对称矩阵由主对角线和上三角部分(不包括对角线)的元素唯一确定。对角线有\(n\)个元素,上三角(不包括对角线)有\(\frac{n(n-1)}{2}\)个元素,所以总自由度\(n + \frac{n(n-1)}{2}= \frac{n(n+1)}{2}\)。因此\(\dim V_{1} = \frac{n(n+1)}{2}\)。基:对\(1\le i\le j\le n\),定义矩阵\(E_{ij}\),其中\((i,j)\)\((j,i)\)位置为1,其余为0。当\(i=j\)时,就是只有一个对角线位置为1的矩阵;当\(i<j\)时,矩阵在上三角\((i,j)\)和下三角\((j,i)\)位置为1。这些矩阵共有\(\frac{n(n+1)}{2}\)个,且线性无关,构成\(V_{1}\)的一组基。
  2. 是。反对称矩阵的和仍反对称,数乘仍反对称,且零矩阵反对称,所以\(V_{2}\)是子空间。维数:反对称矩阵的对角元必须为\(0\)(因为\(a_{ii}=-a_{ii}\)),上三角部分(不包括对角线)的元素可自由选取,且下三角部分由对称性确定。上三角有\(\frac{n(n-1)}{2}\)个元素。所以\(\dim V_{2} = \frac{n(n-1)}{2}\)。一个基:对\(1\le i<j\le n\),定义矩阵\(F_{ij}\),其中\((i,j)\)位置为1,\((j,i)\)位置为\(-1\),其余为\(0\)。这样的矩阵共有\(\frac{n(n-1)}{2}\)个,且线性无关,构成\(V_{2}\)的一组基。
7.
\(V\)为一般线性空间,\(V_{1}, V_{2}\)\(V\)的两个子空间,证明\(V_{1} \oplus V_{2}\)当且仅当\(V_{1} \cap V_{2} = 0\)
解答.
直和\(V_{1} \oplus V_{2}\)的定义是:\(V_{1}+V_{2}\)中每个向量的表示法唯一,即若\(\alpha_{1}+\alpha_{2}=0\)\(\alpha_{1}\in V_{1}, \alpha_{2}\in V_{2}\),则必有\(\alpha_{1}=\alpha_{2}=0\)
必要性:假设\(V_{1} \oplus V_{2}\),即\(V_{1}+V_{2}\)是直和。任取\(\alpha \in V_{1} \cap V_{2}\),则\(\alpha \in V_{1}\)\(\alpha \in V_{2}\)。那么\(\alpha\)可以表示为\(\alpha = \alpha + 0\)(来自\(V_{1}\)\(V_{2}\)),也可以表示为\(0 + \alpha\)。由直和表示的唯一性,必须有\(\alpha=0\)。所以\(V_{1} \cap V_{2} = \{0\}\)
充分性:假设\(V_{1} \cap V_{2} = \{0\}\)。要证\(V_{1}+V_{2}\)是直和,即表示唯一。设\(\alpha_{1}+\alpha_{2} = \alpha_{1}' + \alpha_{2}'\),其中\(\alpha_{1},\alpha_{1}'\in V_{1}\)\(\alpha_{2},\alpha_{2}'\in V_{2}\)。则\((\alpha_{1}-\alpha_{1}') = (\alpha_{2}'-\alpha_{2})\)。左边属于\(V_{1}\),右边属于\(V_{2}\),所以这个向量属于\(V_{1}\cap V_{2} = \{0\}\)。于是\(\alpha_{1}-\alpha_{1}'=0\)\(\alpha_{2}'-\alpha_{2}=0\),即\(\alpha_{1}=\alpha_{1}'\)\(\alpha_{2}=\alpha_{2}'\)。所以表示唯一,故\(V_{1} \oplus V_{2}\)
8.
证明:在线性空间所应满足的10条运算性质中(定义6.1.1和定义6.1.2),加法的交换律可由其他性质推导出。
解答.
我们使用其他9条性质推导加法交换律。设\(V\)是数域\(\F\)上的线性空间,加法满足结合律,存在零元\(0\),每个元有负元,数乘满足分配律、结合律等。具体性质列表如下:
  1. \(\alpha+\beta = \beta+\alpha\)(交换律,待证)
  2. \(\displaystyle (\alpha+\beta)+\gamma = \alpha+(\beta+\gamma)\)
  3. 存在\(0\in V\)使得\(\alpha+0=\alpha\)
  4. 存在\(-\alpha\in V\)使得\(\alpha+(-\alpha)=0\)
  5. \(\displaystyle 1\cdot \alpha = \alpha\)
  6. \(\displaystyle k(l\alpha) = (kl)\alpha\)
  7. \(\displaystyle (k+l)\alpha = k\alpha + l\alpha\)
  8. \(\displaystyle k(\alpha+\beta) = k\alpha + k\beta\)
我们要从上面的第2—8条性质推出交换律。对任意\(\alpha,\beta\in V\),考虑\((1+1)(\alpha+\beta)\)。一方面,
\begin{equation*} (1+1)(\alpha+\beta) = 1\cdot(\alpha+\beta) + 1\cdot(\alpha+\beta) = (\alpha+\beta) + (\alpha+\beta). \end{equation*}
另一方面,
\begin{align*} (1+1)(\alpha+\beta)\amp= (1+1)\alpha + (1+1)\beta \\ \amp = (1\cdot\alpha+1\cdot\alpha) + (1\cdot\beta+1\cdot\beta) \\ \amp = (\alpha+\alpha)+(\beta+\beta). \end{align*}
所以
\begin{equation*} (\alpha+\beta)+(\alpha+\beta) = (\alpha+\alpha)+(\beta+\beta). \end{equation*}
两边同时左加\(-\alpha\),右加\(-\beta\)(利用结合律):
\begin{align*} \amp(-\alpha) + [(\alpha+\beta)+(\alpha+\beta)] + (-\beta) \\ = \amp (-\alpha) + [(\alpha+\alpha)+(\beta+\beta)] + (-\beta)\\ \amp [(-\alpha)+(\alpha+\beta)]+[\alpha+\beta+(-\beta)]\\ = \amp [(-\alpha)+(\alpha+\alpha)]+[\beta+\beta+(-\beta)] \quad \text{(结合律)}\\ \amp [((-\alpha)+\alpha)+\beta] + [\alpha+(\beta+(-\beta))]\\ = \amp [((-\alpha)+\alpha)+\alpha] + [\beta+(\beta+(-\beta))] \end{align*}
\begin{align*} (0+\beta) + (\alpha+0)\amp = (0+\alpha) + (\beta+0)\\ \beta + \alpha \amp = \alpha + \beta. \end{align*}
这里用到了零元性质和负元性质。因此加法交换律得证。