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向量空间

對一般域F,V记為F-向量空間。若F是實數域ℝ,则V稱為實數向量空間;若F是複數域ℂ,则V稱為複數向量空間;若F是有限域,则V稱為有限域向量空間。

最简单的F-向量空間是F自身。只要定义向量加法为域中元素的加法,标量乘法为域中元素的乘法就可以了。例如当F是实数域ℝ时,可以验证对任意实数a、b以及任意实数u、v、w,都有:

u + (v + w) = (u + v) + w,

v + w = w + v,

零元素存在:零元素0满足:对任何的向量元素v,v + 0 = v,

逆元素存在:对任何的向量元素v,它的相反数w = −v就满足v + w = 0。

标量乘法对向量加法满足分配律:a(v + w) = a v + a w.

向量乘法对标量加法满足分配律:(a + b)v = a v + b v.

标量乘法与标量的域乘法相容:a(bv) =(ab)v。

标量乘法有單位元:ℝ中的乘法单位元,也就是实数“1”满足:对任意实数v,1v = v。

更为常见的例子是给定了直角坐标系的平面:平面上的每一点

P

{\displaystyle P}

都有一个坐标

P

(

x

,

y

)

{\displaystyle P(x,y)}

,并对应着一个向量

(

x

,

y

)

{\displaystyle (x,y)}

。所有普通意义上的平面向量组成了一个空间,记作ℝ²,因为每个向量都可以表示为两个实数构成的有序数组

(

x

,

y

)

{\displaystyle (x,y)}

。可以验证,对于普通意义上的向量加法和标量乘法,ℝ²满足向量空间的所有公理。实际上,向量空间是ℝ²的推广。

同样地,高维的欧几里得空间ℝn也是向量空间的例子。其中的向量表示为

v

=

(

a

1

,

a

2

,

,

a

n

)

{\displaystyle v=(a_{1},a_{2},\cdots ,a_{n})}

,其中的

a

1

,

a

2

,

,

a

n

{\displaystyle a_{1},a_{2},\cdots ,a_{n}}

都是实数。定义向量的加法和标量乘法是:

λ

R

,

v

=

(

a

1

,

a

2

,

,

a

n

)

R

n

,

w

=

(

b

1

,

b

2

,

,

b

n

)

R

n

{\displaystyle \forall \lambda \in \mathbb {R} ,\,v=(a_{1},a_{2},\cdots ,a_{n})\in \mathbb {R} ^{n},\,w=(b_{1},b_{2},\cdots ,b_{n})\in \mathbb {R} ^{n}}

v

+

w

=

(

a

1

,

a

2

,

,

a

n

)

+

(

b

1

,

b

2

,

,

b

n

)

=

(

a

1

+

b

1

,

a

2

+

b

2

,

,

a

n

+

b

n

)

{\displaystyle v+w=(a_{1},a_{2},\cdots ,a_{n})+(b_{1},b_{2},\cdots ,b_{n})=(a_{1}+b_{1},a_{2}+b_{2},\cdots ,a_{n}+b_{n})}

λ

v

=

λ

(

a

1

,

a

2

,

,

a

n

)

=

(

λ

a

1

,

λ

a

2

,

,

λ

a

n

)

{\displaystyle \lambda v=\lambda (a_{1},a_{2},\cdots ,a_{n})=(\lambda a_{1},\lambda a_{2},\cdots ,\lambda a_{n})}

可以验证这也是一个向量空间。

再考虑所有系数为实数的多项式的集合

R

[

X

]

{\displaystyle \mathbb {R} [X]}

。对于通常意义上的多项式加法和标量乘法,

R

[

X

]

{\displaystyle \mathbb {R} [X]}

也构成一个向量空间。更广泛地,所有从实数域射到实数域的连续函数的集合

C

(

R

,

R

)

{\displaystyle {\mathcal {C}}(\mathbb {R} ,\mathbb {R} )}

也是向量空间,因为两个连续函数的和或差以及连续函数的若干倍都还是连续函数。

方程组与向量空间

编辑

向量空间的另一种例子是齐次线性方程组(常数项都是0的线性方程组)的解的集合。例如下面的方程组:

3

x

+

2

y

z

=

0

{\displaystyle 3x+2y-z=0}

x

+

5

y

+

2

z

=

0

{\displaystyle x+5y+2z=0}

如果

(

x

1

,

y

1

,

z

1

)

{\displaystyle (x_{1},y_{1},z_{1})}

(

x

2

,

y

2

,

z

2

)

{\displaystyle (x_{2},y_{2},z_{2})}

都是解,那么可以验证它们的“和”

(

x

1

+

x

2

,

y

1

+

y

2

,

z

1

+

z

2

)

{\displaystyle (x_{1}+x_{2},y_{1}+y_{2},z_{1}+z_{2})}

也是一组解,因为:

3

(

x

1

+

x

2

)

+

2

(

y

1

+

y

2

)

(

z

1

+

z

2

)

=

(

3

x

1

+

2

y

1

z

1

)

+

(

3

x

2

+

2

y

2

z

2

)

=

0

{\displaystyle 3(x_{1}+x_{2})+2(y_{1}+y_{2})-(z_{1}+z_{2})=(3x_{1}+2y_{1}-z_{1})+(3x_{2}+2y_{2}-z_{2})=0}

(

x

1

+

x

2

)

+

5

(

y

1

+

y

2

)

+

2

(

z

1

+

z

2

)

=

(

x

1

+

5

y

1

+

2

z

1

)

+

(

x

2

+

5

y

2

+

2

z

2

)

=

0

{\displaystyle (x_{1}+x_{2})+5(y_{1}+y_{2})+2(z_{1}+z_{2})=(x_{1}+5y_{1}+2z_{1})+(x_{2}+5y_{2}+2z_{2})=0}

同样,将一组解乘以一个常数后,仍然会是一组解。可以验证这样定义的“向量加法”和“标量乘法”满足向量空间的公理,因此这个方程组的所有解组成了一个向量空间。

一般来说,当齐次线性方程组中未知数个数大于方程的个数时,方程组有无限多组解,并且这些解组成一个向量空间。

对于齐次线性微分方程,解的集合也构成向量空间。比如说下面的方程:

f

+

4

x

f

+

cos

(

x

)

f

=

0

{\displaystyle f''+4xf'+\cos(x)f=0}

出于和上面类似的理由,方程的两个解

f

1

{\displaystyle f_{1}}

f

2

{\displaystyle f_{2}}

的和函数

f

1

+

f

2

{\displaystyle f_{1}+f_{2}}

也满足方程。可以验证,这个方程的所有解构成一个向量空间。

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