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4.4 向量空间 ​

NOTE

本节考试时基本不涉及,了解即可。

向量空间的概念 ​

向量空间的定义 ​

当 时, 维向量可以把有向线段作为几何形象,但当 时 维向量就不再有这种几何形象,只是沿用一些几何术语罢了。

几何中,「空间」通常是作为点的集合,即构成「空间」的元素是点,这样的空间叫做点空间。类似地,我们可以定义向量空间的概念。

定义 设 为 维向量的集合,如果集合 非空,且对于加法和数乘两种运算封闭,那么就称集合 为一个向量空间。

所谓封闭,是指集合 中可以进行向量的加法和数乘两种运算,具体地说,就是:若 ,,则 ;若 ,,则 。

定义 设有向量空间 ,若 ,则称 是 的子空间。

的概念 ​

任意两个 3 维向量的和仍然是 3 维向量,数 乘 3 维向量也仍然是 3 维向量,因此,我们将 3 维向量的全体所组成的集合记为:

在点空间取定坐标系以后,空间中的点 与 3 维向量 之间有一一对应的关系,因此,向量空间可以类比为取定了坐标系的点空间。

由此推广,将 维向量的全体组成的集合记为

因此,任何有 维向量组成的向量空间 ,总有 ,因此 是 的子空间。

在讨论向量的运算时。我们把向量看作有向线段;在讨论向量集时,则把向量看作向量 起点为原点时,其终点所在的点 (也称 为点 的向径)。从而把点 的轨迹作为向量集的图形。例如点集:

是一个平面( 不全为零),于是向量集:

也叫做向量空间 中的平面,并把 作为它的图形。

类似地, 维向量的全体所组成的集合记为:

所以,向量集:

便是向量空间 中的 维的超平面。

向量组与向量空间 ​

向量组生成的向量空间 ​

设 为两个已知的 维向量,考虑集合

对于集合 中的向量 和 ,总有

因此集合 是一个向量空间。这个向量空间称为由向量 , 生成的向量空间,记作:

一般地,由向量组 所生成的向量空间为

向量空间与向量组等价 ​

设向量组 和 等价,记

设 ,则 可由向量组 线性表示。又因 可由 线性表示,所以 ,因此 。同理可证,,所以 。

因此,有:

若向量组 与向量组 等价,则有

向量空间的基 ​

基与维数 ​

设 为向量空间,如果 个向量 ,且满足

  1. 线性无关
  2. 中的任意向量都可有 线性表示

则向量组 称为向量空间的一个基, 称为向量空间 的维数,并称 为 维向量空间,记作 。

特别地,如果向量空间 没有基,那么 的维数为 。 维向量空间只含一个零向量 。

若把向量空间 看作向量组,则由最大无关组的等价定义可知, 的基就是向量组的最大无关组, 的维数就是向量组的秩。

坐标 ​

定义 如果在向量空间 中取定一个基 ,那么 中的任意向量 可唯一地表示为

这个有序数组 称为向量 在基 下的坐标,记作 。

特别地,在 中取单位坐标向量组 为基,则向量在该基下的坐标就是该向量的分量, 称为 中的自然基。

向量空间与方程组的解 ​

根据 上一节 中对齐次线性方程组的讨论,我们有:

  • 齐次线性方程组的解可以组成一个向量空间,称为解空间;
  • 齐次线性方程组的的基础解系是其解空间的基。