4.1商空间
1.1 基本概念
设S为向量空间V的一个子空间,u和v为V内的向量。
容易验证,定义为u−v∈S的二元关系u≡v是一个等价关系。
当u≡v时,我们称u和v模S同余(congruent modulo S)。
术语“mod”是modulo的口语化表述,u≡v通常写为u≡vmodS。
当子空间在上下文明确时,我们简单将其写为u≡v。
为了看清等价类的结构,我们记
{u∈V∣u≡v}={u∈V∣u−v∈S}={v+s∣s∈S}=v+S,
(4.1.1)
因此集合v+S={v+s∣s∈S}称为V在S中的一个陪集(coset),v称为(v+S)的一个陪集代表元(coset representative)。
V中S的所有陪集构成集合称为V模S的商空间(quotient space of V modulo S),读作“V模S”,记作V/S={v+S∣v∈V}。
当然,这里的术语“空间”提示我们将定义V/S上向量空间的运算。
一个自然的选择是
(u+S)+(v+S)=(u+v)+S,r(u+S)=(ru)+S.
(4.1.2)
不过仍需要检查这些运算是否良定义(well-defined),即运算结果是否与代表元的选择无关:
若u1+S=u2+S,v1+S=v2+S,我们希望(u1+v1)+S=(u2+v2)+S且(ru1)+S=(ru2)+S。
根据条件,u1−u2∈S且v1−v2∈S,因此
(u1+v1)+S=(u2+v2)+(u1−u2)+(v1−v2)+S=(u2−v2)+S,
(4.1.3)(ru1)+S=(ru2)+r(u1−u2)+S=(ru2)+S.
(4.1.4)
可见加法和标量乘法是良定义的,以上结果也可以用等价关系≡更简洁地表述为
这一结果在代数中会反复出现。
在一个代数结构上(例如群、环、向量空间),若一个等价关系保持代数运算,则称其为同余关系(congurence relation)。
定理 4.1 (商空间)
设S为V的子空间,二元关系u≡v ⇔ u−v∈S为V上的等价关系,其等价类为陪集v+S={v+s∣s∈S}。
V中S的所有陪集构成的集合V/S称为V模S的商空间,其自身构成一个向量空间,包含良定义的运算:
(u+S)+(v+S)=(u+v)+S,r(u+S)=ru+S.
(4.1.5)
V/S的零向量为陪集0+S=S。
1.2 自然投影与对应定理
若S为V的一个子空间,则可以定义将每个向量嵌入包含其陪集的映射πS:V→V/S, v↦v+S。
该映射称为从V到V/S的典范/自然投影(canonical/natural projection),或者简单称为模S的投影(projection modulo S)。
注意这里“投影”并非上一章中“投影算子”的“投影”含义。
定理 4.2 (典范投影)
典范投影πS:V→V/S定义为πS(v)=v+S,该投影为满射线性变换,其核为ker(πS)=S。
证明
容易证明πS是满射。
对于任意u,v∈V和r,s∈F,
πS(ru+sv)=(ru+sv)+S=(ru+S)+(sv+S)=r(u+S)+s(v+S)=rπS(u)+sπS(v),
(4.1.6)
因此πS为线性变换,最后
ker(πS)={v∈V∣v+S=S}={v∈V∣v∈S}=S.
(4.1.7)
4.2商空间的泛性质与第一同构定理
设S为V的子空间,那么(V/S,πS)具有一个常称为泛性质(university)1的特殊性质,具体如下。
定理 4.3
设S为V的一个子空间,τ∈L(V,W)满足S⊆ker(τ),则存在唯一线性变换τ′:V/S→W,使得τ′∘πS=τ。
在这种情况下,ker(τ′)=ker(τ)/S且im(τ′)=im(τ)。
证明
若希望构造映射τ′:V/S→W,首先要求同余关系的等价类的像与该等价类的代表元选取无关;
换言之,若u≡vmodS,则希望τ′(u+S)=τ′(v+S)。
对于线性变换,该式等价于
0=τ′(u+S)−τ′(v+S)=τ′(u−v+S)=τ′∘πS(u−v)=τ(u−v)⇔u−v∈ker(τ).
(4.2.1)
因此当S⊆ker(τ)时,上式显然满足,此时τ′良定义,并且
im(τ′)={τ′(v+S)∣v+S∈V/S}={τ(v)∣v∈V}=im(τ),
(4.2.2)ker(τ′)={v+S∣τ′(v+S)=0}={v+S∣τ(v)=0}=ker(τ)/S.
(4.2.3)
由于τ′在V内每个向量上的取值完全由τ确定,故τ′唯一。
上述定理具有一个非常重要的推论,称为第一同构定理(first isomorphism theorem)。
定理 4.4 (第一同构定理)
设τ:V→W为线性变换,则线性变换
τ′:V/ker(τ)→W defined by τ′(v+ker(τ))=τ(v)
(4.2.4)
为单射,并且V/ker(τ)≅im(τ)。
证明
在定理 4.3中取S=ker(τ),那么存在唯一线性变换τ′:V/ker(τ)→W使得τ′∘πS=τ,其将v+ker(τ)映射到τ(v)。
因此ker(τ′)=ker(τ)/ker(τ)=ker(τ)为V/ker(τ)中的零向量。
根据命题 3.2,τ′为单射,并且im(τ′)=im(τ)意味着τ′同时也是从V/ker(τ)到im(τ)的满射,因此V/ker(τ)≅im(τ)。
根据第一同构定理,任何V上的线性变换τ:V→im(τ)同构于V上的一个商空间;
反之,V的任意商空间V/S是V上典范投影πS的像。
因此,在同构意义下,商空间等价于同态像。
推论 4.1
设S为V的一个子空间,则V中S的所有补空间同构于V/S,进而彼此同构。
证明
设T为S的一个补空间,将第一同构定理 4.4应用于投影算子ρS,T:V→S,得到T≅V/S。
推论 4.2
设S为向量空间V的一个子空间,则dim(V)=dim(S)+dim(V/S)。
证明
对于V的子空间S的任意补空间T,投影算子ρS,T的核与像分别为T和S。
根据秩-零化度定理 3.3,dim(V)=dim(S)+dim(T)。
再利用推论 3.2和推论 4.1,dim(T)=dim(V/S),从而结论得证。
根据此推论,我们引入一个可能会偶尔用到的概念。
定义 4.1 (余维数)
若S是V的一个子空间,则dim(V/S)称为V中S的余维数(codimension),记作codim(S)或codimV(S)。
另一方面,需要指出的是,商空间补空间的同构性可能并没有预期的那么好。
例 4.1
考虑F[x]上的一组基{1,x,x2,⋯},取
A=⟨x,x2,x3,⋯⟩,B=⟨1⟩,C=⟨1,x2,x4,⋯⟩,D=⟨x,x3,x5⟩.
(4.2.5)
定义映射f:A→D,使得f(xn+1)=x2n (n∈N),可证明f为同构;
但另一方面,dim(B)=1=ℵ0=dim(D)。
这意味着此时A⊕B=F[x]=C⊕D且A≅C,但B≅D;
考虑F[x,y]上的一组基{xmyn}m,n∈N,取
S=⟨x,x2,⋯⟩,B=⟨1⟩,D=⟨1,y,y2,⋯⟩.
(4.2.6)
定义映射g:V→W,使得g(xn)={x(n−1)/2,yn/2+1,if n is odd,if n is even,
可证明g是同构;
但另一方面,dim(B)=1=ℵ0=dim(D)。
这意味着此时S⊕B≅S⊕D,但B≅D。
4.3线性泛函与对偶基
3.3 线性泛函
定义 4.2
设V为域F上的向量空间。
若线性变换f∈L(V,F)取值于基域F,则称其为V上的线性泛函(linear functional),或者简称为泛函。
V上所有线性泛函构成的向量空间记为V∗,称其为V的代数对偶空间(algebraic dual space)。
例 4.2
由f(p(x))=p(0)定义的映射f:F[x]→F是一个线性泛函,称为0点取值泛函(evaluation at 0);
记C[a,b]为在[a,b]⊆R上所有连续函数构成的线性空间,映射f:C[a,b]→R定义为
f(α(x))=∫abα(x)dx,
(4.3.1)
则f是一个线性泛函,记作f∈C[a,b]∗。
对于任意f∈V∗,秩-零化度定理 3.3给出dim(ker(f))+dim(im(f))=dim(V)。
由于im(f)⊆F,首先有0∈im(F);
若存在其他非零元r,则⟨r⟩={rs∣s∈F}=F。
这意味着im(f)={0}或F,即非零线性泛函是满射。
下面我们列举线性泛函其他的一些基本性质。
命题 4.1
对于V中任意非零向量v∈V,存在线性泛函f∈V∗使得f(v)=0;
向量v∈V为零当且仅当f(v)=0对于任意f∈V∗成立;
设f∈V∗,若f(x)=0,则V=⟨x⟩⊕ker(f);
两个非零线性泛函f,g∈V∗具有相同的核当且仅当存在非零标量λ,使得f=λg。
证明
前两条性质是显然的。
对于性质3,首先考虑u∈⟨x⟩∩ker(f),那么存在r∈F,使得u=rx,从而对于任意线性泛函f∈V∗,0=fu=f(rx)=rf(x)。
根据性质2,这要求x=0,因此⟨x⟩∩ker(f)={0}。
⟨x⟩⊕ker(f)⊆V是显然的;
对于反向包含,对任意v∈V定义r=f(v)/f(x),那么f(v−rx)=f(v)−rf(x)=0,即v=rx+(v−rx)∈⟨x⟩⊕ker(f),因此V⊆⟨x⟩⊕ker(f)。
对于性质4,必要性是显然的;
对于充分性,在K=ker(f)=ker(g)内,f与g的取值相同。
对于任意x∈/K,根据性质3,V=⟨x⟩⊕K。
取λ=f(x)/g(x),则f∣⟨x⟩=λg∣⟨x⟩。
可见f(x)=λg(x)对所有x∈V成立。
3.4 对偶基
设V为包含一组基B={vi∣i∈I}的向量空间。
对于每个指标i∈I,我们可通过正交性条件
vi∗(vj)=δi,j,where δi,j={1,0,if i=j,if i=j
(4.3.2)
定义一个线性泛函vi∗∈V∗,其中δi,j为Kronecker δ-函数(Kronecker delta function)。
那么对于aik∈F,
0=ai1vi1∗+⋯+ainvin∗⟹0=j=1∑naijvij∗(vik)=aik
(4.3.3)
对所有k=1,⋯,n成立,因此B∗={vi∗∣i∈I}线性无关。
定理 4.5 (对偶基)
设V为具有基B={vi∣i∈I}的线性空间。
集合B∗={vi∗∣i∈I}线性无关,其中vi∗按(4.3.2)式定义;
若V是有限维的,则B∗是V∗的一组基,称为B的对偶基(dual basis)。
证明
第一条结论已证明。
对于任意f∈V∗,设dim(V)=n,我们有∑j=1nf(vj)vj∗(vi)=f(vi)。
因此对于任意v∈V,存在唯一一组ri∈F,使得v=∑i=1nrivi,进而
f(v)=i=1∑nrif(vi)=i=1∑nri(j=1∑nf(vj)vj∗(vi))=j=1∑nf(vj)vj∗(i=1∑nrivi)=j=1∑nf(vj)vj∗(v),
(4.3.4)
即f=∑j=1nf(vj)vj∗。
因此V∗=⟨B∗⟩,根据定理 2.1,B∗是V∗的基。
根据上述定理,若dim(V)<∞,则dim(V∗)=dim(V)<∞,这是因为对偶向量同样形成了V∗的一组基。
但对于无限维情形,情况要复杂得多。
我们先给出一个直观的例子,最后不加证明地给出结论。
例 4.3
设V为域F=Z2={0,1}上的一个无限维向量空间,其基为B。
由于线性组合是有限和,故V⊆P0(B)。
根据定理 1.2,dim(V)≤∣P0(B)∣=∣B∣。
另一方面,由于每个f∈V∗都可将每个vi∈B映射独立映射到0和1,因此dim(V∗)=∣P(B)∣。
根据定理 1.2,dim(V∗)>dim(V)。
定理 4.6
设V为向量空间,则dim(V)≤dim(V∗),等号成立当且仅当dim(V)<∞。