线性代数

第3章 线性变换

第3.1节 线性变换

我们将引入线性变换, 本书的剩余部分我们将研究的对象. 读者或许会发现阅读 (或重读) 附录里关于函数的部分是有用的, 因为我们将自由地使用其中的术语.

定义. 令V和W是域F上的向量空间. 一个从V到W的线性变换是一个从V到W的函数T满足 T⁡ ( c⁢α +β ) = c⁢ ( T⁡α ) + T⁡β 对于所有V中α和β以及所有F中标量c成立.
例子1. 如果V是任意的向量空间, 恒等变换I, 由I⁡α=α定义, 是一个从V到V的线性变换. 零变换, 由0⁡α=0定义, 也是一个从V到V的线性变换.
例子2. 令F是一个域, V是从F到F的多项式函数f构成的空间, f由 f⁡ (x) = c0 + c1 ⁢x +⋯+ ck ⁢ xk 给定. 令 ( D⁡f ) ⁡ (x) = c1 + 2⁢ c1 ⁢x +⋯+ k⁢ ck ⁢ x k−1 . 那么D是一个从V到V的线性变换, 即微分变换.
例子3. 令A是域F上一个固定的m×n矩阵, 由T⁡(X)=A⁢X定义的函数T是一个从Fn×1到Fm×1的线性变换. 由U⁡(α)=α⁢A定义的函数U是一个从Fm到Fn的线性变换.
例子4. 令P是域F上一个固定的m×m矩阵, 令Q是域F上一个固定的n×n矩阵. 定义一个从Fm×n到自身的函数T, T⁡(A)=P⁢A⁢Q. 那么T是一个线性变换, 因为 T⁡ ( c⁢A +B ) = P⁢ ( c⁢A +B ) ⁢Q = ( c⁢P⁢A + P⁢B ) ⁢Q = c⁢P⁢A⁢Q + P⁢B⁢Q = c⁢ T⁡ (A) + T⁡ (B)
例子5. 令V是所有从ℝ到ℝ的连续函数构成的空间, 由 ( T⁡f ) ⁡ (x) = ∫0x f⁡ (t) dt 定义T, 那么T是一个从V到V的线性变换. 函数T⁡f不仅是连续的, 还拥有连续的一阶导数. 积分的线性性质是其根本性质之一.

读者验证例子1, 2, 3, 5是线性变换是没有难度的. 当我们了解更多关于线性变换的东西时, 例子也会随之得到扩展.

注意到以下事实是重要的. 如果T是一个从V到W的线性变换, 那么T⁡(0)=0. 人们可以从定义中看出来, 因为 T⁡ (0) = T⁡ ( 0+0 ) = T⁡ (0) + T⁡ (0) . 这点对于线性代数的初学者而言有时令人迷惑, 因为他可能已经接触过术语"线性函数"一个稍微有点不同的用法. 扼要的注记应该能够扫清这种迷惑. 设V是向量空间ℝ1, 那么一个从V到V的线性变换是一种特定的实数轴ℝ上的实值函数. 在一个微积分课程中, 人们可能会将图像是直线的函数称为线性的. 一个从ℝ1到ℝ1的线性变换, 根据我们的定义, 将会是一个从ℝ到ℝ的函数, 其图像是经过原点的直线.

不仅是T⁡(0)=0, 让我们指出一般的线性变换T的另一个性质. 这样的线性变换"保持"线性组合, 也就是说, 如果α1,…,αn是V中的向量, c1,…,cn是标量, 那么 T⁡ ( c1 ⁢ α1 + ⋯+ cn ⁢ αn ) = c1 ⁢ ( T⁡ α1 ) +⋯+ cn ⁢ ( T⁡ αn ) 这可由定义直接推得, 例如 T⁡ ( c1 ⁢ α1 + c2 ⁢ α2 ) = c1 ⁢ ( T⁡ α1 ) + T⁡ ( c2 ⁢ α2 ) = c1 ⁢ ( T⁡ α1 ) + c2 ⁢ ( T⁡ α2 )

定理1. 令V是一个域F上的有限维向量空间, 令{α1,…,αn}是V的一个有序基. 令W也是域F上的一个向量空间, 并且令β1,…,βn是W中任意的向量. 那么, 恰存在唯一的从V到W的线性映射T满足 T⁡ αj = βj , j= 1,…,n
证明. 为了证明存在某个线性变换T满足T⁡αj=βj我们按照以下方式推进. 给定V中的α, 存在唯一的n元组(x1,…,xn)满足 α= x1 ⁢ α1 + ⋯+ xn ⁢ αn . 对于这个向量α我们定义 T⁡α = x1 ⁢ β1 + ⋯+ xn ⁢ βn . 那么T是一个将每个V中的向量α与一个W中的向量T⁡α联系起来的良定义的规则. 从此定义中显然可以看出对于每个j有T⁡αj=βj. 为了说明T是线性的, 令 β= y1 ⁢ α1 + ⋯+ yn ⁢ αn 是V中的向量, 令c是任意的标量. 现在 c⁢α +β = ( c⁢ x1 + y1 ) ⁢ α1 + ⋯+ ( c⁢ xn + yn ) ⁢ αn 于是根据定义 T⁡ ( c⁢α +β ) = ( c⁢ x1 + y1 ) ⁢ β1 + ⋯+ ( c⁢ xn + yn ) ⁢ βn 另一方面 c⁢ ( T⁡α ) + T⁡β = c⁢ ∑ i=1 n xi ⁢ βi + ∑ i=1 n yi ⁢ βi = ∑ i=1 n ( c⁢ xi + yi ) ⁢ βi 因此 T⁡ ( c⁢α +β ) = c⁢ ( T⁡α ) + T⁡β . 如果U也是一个满足U⁡αj=βj,j=1,…,n的从V到W的线性变换, 那么对于向量α=∑i=1nxi⁢αi我们有 U⁡α = U⁡ ( ∑ i=1 n xi ⁢ αi ) = ∑ i=1 n xi ⁢ ( U⁡ αi ) = ∑ i=1 n xi ⁢ βi 因此U恰是我们之前所定义的规则T. 这表明满足T⁡αj=βj的线性变换T是唯一的.
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定理1是相当初等的. 然而, 它是如此基本以至于我们形式化地陈述了该定理. 函数的概念是非常一般的. 如果V和W是(非零的)向量空间, 那么从V到W的函数存在相当多样的可能性. 定理1强调了线性函数是极其特殊的.

例子6. 向量 α1 = ( 1,2 ) , α2 = ( 3,4 ) 是线性无关的, 因此构成了ℝ2的一个基. 根据定理1, 存在唯一的一个从ℝ2到ℝ3的线性变换满足 T⁡ α1 = ( 3,2,1 ) , T⁡ α2 = ( 6,5,4 ) 如果是这样的话, 我们必须能够找出T⁡(ε1). 我们先找到满足ε1=c1⁢α1+c2⁢α2的标量c1和c2, 然后我们就知道T⁡ε1=c1⁢T⁡α1+c2⁢T⁡α2. 如果(1,0)=c1⁢(1,2)+c2⁢(3,4), 那么c1=−2且c2=1, 因此 T⁡ ( 1,0 ) = −2 ⁢ ( 3,2,1 ) + ( 6,5,4 ) = ( 0,1,2 )
例子7. 令T是一个从m元组空间Fm到n元组空间Fn的线性变换. 定理1告诉我们T由向量的序列β1,…,βm唯一地确定, 其中 βi = T⁡ εi , i= 1,…,m . 简而言之, T由其在标准基向量下的像唯一地确定, 而这个确定就是 α= ( x1 ,…, xm ) , T⁡α = x1 ⁢ β1 + ⋯+ xm ⁢ βm . 如果B是一个以β1,…,βm为行向量的m×n矩阵, 那么上面就是在说 T⁡α = α⁢B . 换言之, 如果βi=(Bi,1,…,Bi,n), 那么 T⁡ ( x1 ,…, xm ) = [ x1 ⋯ xm ] ⁢ [ B 1,1 ⋯ B 1,n ⋮ ⋮ B m,1 ⋯ B m,n ] . 这是一种对于线性变换相当显式的刻画. 在第3.4节我们将严肃地研究线性变换和矩阵之间的关系. 之后我们并不会追求T⁡α=α⁢B这种特定的描述, 因为它将矩阵B置于向量α的右边, 而这可能会引起一些困惑. 这个例子的要点在于展现了我们对于所有从Fm到Fn的线性变换可以给出显式且相当简单的描述.

如果T是一个从V到W的线性变换, 那么T的像不仅是W的子集, 而且是W的子空间. 令RT是T的像, 即满足存在某个V中α使得β=T⁡α的所有W中向量β构成的集合. 令β1和β2是RT的元素, 令c是一个标量. 存在V中向量α1和α2满足T⁡α1=β1和T⁡α2=β2. 既然T是线性的, 那么 T⁡ ( c⁢ α1 + α2 ) = c⁢ T⁡ α1 + T⁡ α2 = c⁢ β1 + β2 这表明c⁢β1+β2也在RT之中.

另一个与线性变换T相关的有趣子空间是由所有满足T⁡α=0的V中的向量α构成的集合N. 它是V的一个子空间, 因为

  1. T⁡(0)=0, 于是N非空;
  2. 如果T⁡α1=T⁡α2=0, 那么 T⁡ ( c⁢ α1 + α2 ) = c⁢ T⁡ α1 + T⁡ α2 = c⁢0 +0 = 0 于是c⁢β1+β2也在N之中.

定义. 令V和W是域F上的向量空间, 令T是一个从V到W的线性变换. T的零空间是所有满足T⁡α=0的V中向量α构成的集合. 如果V是有限维的, 那么称T的像的维数为T的秩, T的零空间的维数为T的零化度.

以下是线性代数中最重要的结果之一.

定理2. 令V和W是域F上的向量空间, 令T是一个从V到W的线性变换, 设V是有限维的, 那么 rank⁡ (T) + nullity⁡ (T) = dim⁡V .
证明. 令{α1,…,αk}是N的一个基, N即T的零空间. 存在V中向量αk+1,…,αn满足{α1,…,αn}是V的一个基. 我们将证明{T⁡αk+1,…,T⁡αn}是T的像的一个基. 向量T⁡α1,…,T⁡αn当然能够张成T的像, 并且既然对于j≤k有T⁡αj=0, 我们可以看出T⁡αk+1,…,T⁡αn能够张成像. 为了看出这些像是线性无关的, 设我们有标量ci满足 ∑ i= k+1 n ci ⁢ ( T⁡ αi ) =0 . 这说明 T⁡ ( ∑ i= k+1 n ci ⁢ αi ) =0 并且可知α=∑i=k+1nci⁢αi在T的零空间中. 既然α1,…,αk构成了N的一个基, 那么必须存在标量b1,…,bk满足 α= ∑ i=1 k bi ⁢ αi . 因此 ∑ i=1 k bi ⁢ αi − ∑ j= k+1 n cj ⁢ αj =0 并且既然α1,…,αn是线性无关的, 我们必须有 b1 =⋯= bk = c k+1 =⋯= cn =0 . 如果r是T的秩, 那么T⁡αk+1,…,T⁡αn构成了T的像的基的事实告诉我们r=n−k. 既然k是T的零化度而n是V的维数, 证明结束了.
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定理3. 如果A是域F上的一个m×n矩阵, 那么 row-rank⁡ (A) = column-rank⁡ (A) .
证明. 令T是由T⁡(X)=A⁢X定义的从Fn×1到Fm×1的线性变换. T的零空间是线性方程组A⁢X=0的解空间, 即由所有满足A⁢X=0的列矩阵X构成的集合. T的像是由所有满足线性方程组A⁢X=Y有解的m×1的列矩阵Y构成的集合. 如果A1,…,An是A的列, 那么 A⁢X = x1 ⁢ A1 + ⋯+ xn ⁢ An 于是T的像是由A的列张成的子空间. 换句话说, T的像就是A的列空间, 因此 rank⁡ (T) = column-rank⁡ (A) . 定理2告诉我们如果S是线性方程组A⁢X=0的解空间, 那么 dim⁡S + column-rank⁡ (A) =n . 我们现在引用第2章的例子15. 我们的意图在于, 如果r是A的行空间的维数, 那么解空间S拥有一个由n−r个向量构成的基: dim⁡S = n− row-rank⁡ (A) . 现在显然有 row-rank⁡ (A) = column-rank⁡ (A) .
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刚刚我们给出的对于定理3的证明依赖于和线性方程组有关的显式计算. 实际上存在一个不依赖于这样的计算的概念性证明. 我们将在第3.7节给出这个证明.

练习1. 以下哪些函数T是从ℝ2到ℝ2的线性变换呢?
  1. T⁡(x1,x2)=(1+x1,x2);
  2. T⁡(x1,x2)=(x2,x1);
  3. T⁡(x1,x2)=(x12,x2);
  4. T⁡(x1,x2)=(sin⁡x1,x2);
  5. T⁡(x1,x2)=(x1−x2,0).
练习2. 找出有限维向量空间V上的零变换和恒等变换的像, 秩, 零空间, 零化度.
练习3. 描述例子2的微分变换和例子5的积分变换的像和零空间.
练习4. 存在从ℝ3到ℝ2的线性变换满足T⁡(1,−1,1)=(1,0)且T⁡(1,1,1)=(0,1)吗?
练习5. 如果 α1 = ( 1, −1 ) , β1 = ( 1,0 ) , α2 = ( 2, −1 ) , β2 = ( 0,1 ) , α3 = ( −3 ,2 ) , β3 = ( 1,1 ) 存在从ℝ2到ℝ2的线性变换T满足T⁡αi=βi对于i=1,2,3成立吗?
练习6. 显式描述 (如练习1和2) 满足T⁡ε1=(a,b),T⁡ε2=(c,d)的从F2到F2的线性变换T.
练习7. 令F是一个复数域的子域, 令T是由 T⁡ ( x1 , x2 , x3 ) = ( x1 − x2 + 2⁢ x3 , 2⁢ x1 + x2 , − x1 − 2⁢ x2 + 2⁢ x3 ) 定义的从F3到F3的函数.
  1. 验证T是一个线性变换.
  2. 如果(a,b,c)是F3中向量, 那么a,b,c满足什么条件时向量在T的像中? T的秩是多少?
  3. a,b,c满足什么条件时(a,b,c)在T的零空间中? T的零化度是多少?
练习8. 显式描述一个从ℝ3到ℝ3的线性变换, 其像是由(1,0,−1)和(1,2,2)张成的子空间.
练习9. 令V是域F上的所有n×n矩阵构成的向量空间, 令B是一个固定的n×n矩阵. 如果 T⁡ (A) = A⁢B − B⁢A 验证T是一个从V到V的线性变换.
练习10. 令V是所有复数的集合, 其被当作实数域上的向量空间 (在通常的运算下). 找出一个从V到V的线性变换, 但不是ℂ1上的线性变换, 即不是复线性的.
练习11. 令V是F上的n×1矩阵的空间, 令W是F上的m×1矩阵的空间. 令A是F上的一个固定的m×n矩阵, 令T是由T⁡(X)=A⁢X定义的从V到W的线性变换. 证明T是零变换当且仅当A是零矩阵.
练习12. 令V是域F上的一个n维向量空间, 令T是一个从V到V的线性变换, 并且T的像和零空间是相等的. 证明n是偶数. (你能给出这样的线性变换T的例子吗?)
练习13. 令V是一个向量空间, 令T是一个从V到V的线性变换. 证明以下两个关于T的陈述是等价的.
  1. T的像与零空间之交是V的零子空间.
  2. 如果T⁡(T⁡α)=0, 那么T⁡α=0.

第3.2节 线性变换的代数

在研究从V到W的线性变换时, 这些变换的集合继承了自然的向量空间结构具有根本的重要性. 从空间V到自身的线性变换的集合甚至有着更多的代数结构, 因为通常的函数复合提供了这样的变换的"乘法". 我们将在本节探索这些想法.

定理4. 令V和W是域F上的向量空间. 令T和U是从V到W的线性变换. 由 ( T+U ) ⁡ (α) = T⁡α + U⁡α 定义的函数(T+U)是一个从V到W的线性变换. 如果c是F任意的元素, 那么由 ( c⁢T ) ⁡ (α) = c⁢ ( T⁡α ) 定义的函数(c⁢T)是一个从V到W的线性变换. 所有从V到W的线性变换的集合, 与其上定义的加法和标量乘法一起, 构成了一个域F上的向量空间.
证明. 设T和U是从V到W的线性变换, 而(T+U)定义如上, 那么 ( T+U ) ⁡ ( c⁢α +β ) = T⁡ ( c⁢α +β ) + U⁡ ( c⁢α +β ) = c⁢ ( T⁡α ) + T⁡β + c⁢ ( U⁡α ) + U⁡β = c⁢ ( T⁡α + U⁡α ) + ( T⁡β + U⁡β ) = c⁢ ( T+U ) ⁡ (α) + ( T+U ) ⁡ (β) 这表明(T+U)是一个线性变换. 类似地, ( c⁢T ) ⁡ ( d⁢α +β ) = c⁢ [ T⁡ ( d⁢α +β ) ] = c⁢ [ d⁢ ( T⁡α ) + T⁡β ] = c⁢d⁢ ( T⁡α ) + c⁢ ( T⁡β ) = d⁢ [ c⁢ ( T⁡α ) ] + c⁢ ( T⁡β ) = d⁢ [ ( c⁢T ) ⁡α ] + ( c⁢T ) ⁡β 这表明(c⁢T)是一个线性变换.
为了验证从V到W的线性变换的集合 (以及这些运算) 是一个向量空间, 我们还必须直接检验每个向量加法和数乘上的条件是否满足. 我们将这些工作留给读者, 并满足于以下的评论: 这个空间里的零向量是零变换, 其将每个V的向量送至W的零向量; 这两个运算的每个性质都对应于空间W的运算的相应性质.
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或许我们应该提及另一种看待这个定理的方式. 如果我们如果上面那样定义和与标量积, 那么所有从V到W的函数构成了一个域F上的向量空间. 这与V是向量空间无关, V是一个非空集合足矣. 当V是向量空间的时候我们可以定义从V到W的线性变换, 那么定理4告诉我们这些变换构成了从V到W的所有函数构成的空间的一个子空间.

我们将从V到W的线性变换的空间记作L⁡(V,W). 我们提醒读者只有当V和W是定义于同一个域上的向量空间时L⁡(V,W)才有定义.

定理5. 令V是域F上的n维向量空间而W是域F上的m维向量空间, 那么L⁡(V,W)是有限维的, 并且维数是m⁢n.
证明. 令 𝔅= { α1 ,…, αn } 和 𝔅′ = { β1 ,…, βm } 分别是V和W的有序基. 对于每个满足1≤p≤m和1≤q≤n的整数序对(p,q), 我们定义从V到W的线性变换Ep,q如下. E p,q ⁡ ( αi ) = { 0 , 如果 i≠q βp , 如果 i=q = δ i,q ⁢ βp 根据定理1, 存在唯一的从V到W的线性变换满足这些条件. 我们要证明的是这m⁢n个线性变换构成了L⁡(V,W)的一个基.
令T是从V到W的线性变换. 对于每个j,1≤j≤n, 令A1,j,…,Am,j是向量T⁡αj相对于有序基𝔅′的坐标, 即 T⁡ αj = ∑ p=1 m A p,j ⁢ βp . 我们想要表明 T= ∑ p=1 m ∑ q=1 n A p,q ⁢ E p,q . 令U是上面这个式子右侧的线性变换, 那么对于每个j, U⁡ αj = ∑ p=1 m ∑ q=1 n A p,q ⁢ E p,q ⁡ ( αj ) = ∑ p=1 m ∑ q=1 n A p,q ⁢ δ j,q ⁢ βp = ∑ p=1 m A p,j ⁢ βp = T⁡ αj 因此U=T. 目前我们已经证明了Ep,q可以张成L⁡(V,W), 我们必须还要证明它们是线性无关的, 然而从我们上面写下的东西来看这是显然的, 因为如果变换 U= ∑ p=1 m ∑ q=1 n A p,q ⁢ E p,q 是零变换, 那么对于每个j有U⁡αj=0, 于是 ∑ p=1 m A p,j ⁢ βp =0 而βp的线性无关性质又可推出对于每个p和j我们有Ap,j=0.
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定理6. 令V,W,Z是域F上的向量空间, 令T是从V到W的线性变换, 令U是从W到Z的线性变换, 那么由(U⁢T)⁡(α)=U⁡(T⁡(α))定义的复合函数U⁢T是一个从V到Z的线性变换.
证明. U⁢T ⁡ ( c⁢α +β ) = U⁡ [ T⁡ ( c⁢α +β ) ] = U⁡ ( c⁢ T⁡α + T⁡β ) = c⁢ [ U⁡ ( T⁡α ) ] + U⁡ ( T⁡β ) = c⁢ ( U⁢T ) ⁡ (α) + ( U⁢T ) ⁡ (β)
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接下来, 我们将主要关注从一个向量空间到自身的线性变换. 鉴于我们经常得说"T是一个从V到V的线性变换", 以后我们将说"T是V上的一个线性算子".

定义. 如果V是域F上的一个向量空间, 那么一个V上的线性算子就是一个从V到V的线性变换.

在定理6的情况下, 当V=W=Z时, 以至于U和T都是空间V上的线性算子, 那么其复合U⁢T也是一个V上的线性算子. 因此, 空间L⁡(V,V)有一个乘法定义于其上, 即复合. 当然算子T⁢U也是有定义的, 不过读者应该注意一般U⁢T≠T⁢U, 即U⁢T−T⁢U≠0. 我们还应该特别注意如果T是一个V上的线性算子, 那么我们可以将T和T复合. 我们将使用记号T2=T⁢T, 而一般地, 对于n=1,2,3,…, Tn=T⁢⋯⁢T(n个T相乘). 我们定义T0=I, 如果T≠0. [译注: T=0时定义T0=I也是合理且必要的.]

引理. 令V是域F上的向量空间, 令U,T1,T2是V上的线性算子, 令c是F的元素.
  1. I⁢U=U⁢I=U;
  2. U⁢(T1+T2)=U⁢T1+U⁢T2; (T1+T2)⁢U=T1⁢U+T2⁢U;
  3. c⁢(U⁢T1)=(c⁢U)⁢T1=U⁢(c⁢T1).
证明.
  1. 这个关于恒等函数的性质是显然的, 我们列在这里仅是为了强调一下.
  2. [ U⁢ ( T1 + T2 ) ] ⁡ (α) = U⁡ [ ( T1 + T2 ) ⁡ (α) ] = U⁡ ( T1 ⁡α + T2 ⁡α ) = U⁡ ( T1 ⁡α ) + U⁡ ( T2 ⁡α ) = ( U⁢ T1 ) ⁡ (α) + ( U⁢ T2 ) ⁡ (α) 于是U⁢(T1+T2)=U⁢T1+U⁢T2. 另外, [ ( T1 + T2 ) ⁢U ] ⁡ (α) = ( T1 + T2 ) ⁡ ( U⁡α ) = T1 ⁡ ( U⁡α ) + T2 ⁡ ( U⁡α ) = ( T1 ⁢U ) ⁡ (α) + ( T2 ⁢U ) ⁡ (α) 于是(T1+T2)⁢U=T1⁢U+T2⁢U. (读者或许注意到了这两个分配律的证明并没有用到T1和T2是线性的这个事实, 而且第二个证明也没有用到U是线性的.)
  3. 我们将c的证明留给读者.
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这个引理的内容和定理5的一部分告诉我们向量空间L⁡(V,V)和复合运算构成了一个叫做含幺元的线性代数的结构. 我们将在第4章讨论这个东西. [译注: 其实在一般的代数学书籍里这种结构就叫代数.]

例子8. 如果A是一个元素来源于F的m×n矩阵, 我们可以由T⁡(X)=A⁢X定义一个从Fn×1到Fm×1的线性变换T. 如果B是一个p×m的矩阵, 那么我们可以通过U⁡(Y)=B⁢Y定义一个从Fm×1到Fp×1的线性变换U. 它们的复合U⁢T是很容易描述的: ( U⁢T ) ⁡ (X) = U⁡ ( T⁡ (X) ) = U⁡ ( A⁢X ) = B⁢ ( A⁢X ) = ( B⁢A ) ⁢X 因此U⁢T即"左乘积矩阵B⁢A".
例子9. 令F是一个域而V是所有从F到F的多项式函数构成的向量空间. 令D是例子2所定义的微分算子, 令T是"乘上x"的线性算子: ( T⁡f ) ⁡ (x) = x⁢ f⁡ (x) . 那么D⁢T≠T⁢D. 实际上, 读者应该很容易验证D⁢T−T⁢D=I, 即恒等算子.

即便我们定义的L⁡(V,V)上的乘法并不交换, 其与L⁡(V,V)的向量空间运算有着很好的联系.

例子10. 令𝔅={α1,…,αn}是向量空间V的一个有序基. 考虑定理5的证明中出现的线性算子Ep,q: E p,q ⁡ ( αi ) = δ i,q ⁢ αp . 这n2个线性算子构成了V上的线性算子空间的一个基. Ep,q⁢Er,s是什么呢? 我们有 ( E p,q ⁢ E r,s ) ⁡ ( αi ) = E p,q ⁡ ( δ i,s ⁢ αr ) = δ i,s ⁢ E p,q ⁡ ( αr ) = δ i,s ⁢ δ r,q ⁢ αp 因此 E p,q ⁢ E r,s = { 0 , 如果 r≠q E p,s , 如果 q=r 令T是一个V上的线性算子, 我们在定理5的证明中表明如果 Aj = [ T⁡ αj ] 𝔅 , A= [ A1 ,…, An ] 那么 T= ∑ p=1 n ∑ q=1 n A p,q ⁢ E p,q . 如果 U= ∑ r=1 n ∑ s=1 n B r,s ⁢ E r,s 是V上另一个线性算子, 那么上一条引理告诉我们 T⁢U = ( ∑ p=1 n ∑ q=1 n A p,q ⁢ E p,q ) ⁢ ( ∑ r=1 n ∑ s=1 n B r,s ⁢ E r,s ) = ∑ p=1 n ∑ q=1 n ∑ r=1 n ∑ s=1 n A p,q ⁢ B r,s ⁢ E p,q ⁢ E r,s 我们注意到, 这巨大的求和之中只有满足q=r的项才能活下来, 又因为Ep,r⁢Er,s=Ep,s, 我们有 T⁢U = ∑ p=1 n ∑ s=1 n ( ∑ r=1 n A p,r ⁢ B r,s ) ⁢ E p,s = ∑ p=1 n ∑ s=1 n ( A⁢B ) p,s ⁢ E p,s 因此, 复合T和U的效用相当于矩阵A和B相乘.

在我们对于线性变换的代数运算的讨论中, 我们还没有说任何与可逆性相关的东西. 我们所特别关心的问题之一是, 对于向量空间V上什么样的线性算子T存在线性算子T−1满足T⁢T−1=T−1⁢T=I? [译注: 读者应该将这里的T−1当作一个整体, 而不是T的逆, 因为还没有定义逆运算.]

从V到W的函数称为可逆的, 如果存在一个从W到V的函数U满足U⁢T是V上的恒等函数而T⁢U是W上的恒等函数. 如果T是可逆的, 那么函数U是唯一的, 我们将其记作T−1. (见附录.) 而且, T可逆当且仅当

  1. T是一一的, 即T⁡α=T⁡β可以推出α=β;
  2. T是映上的, 即T的像是(整个的)W.
[译注: 一一和映上是过时的术语, 之后我们将用单射和满射.]

定理7. 令V和W是域F上的向量空间, 令T是从V到W的线性变换. 如果T是可逆的, 那么逆函数是一个从W到V的线性变换. [译注: 这里说的可逆是函数的可逆.]
证明. 这里我们重复以强调一个点. 当T是单射且是满射, 那么存在唯一决定的从W到V的逆函数T−1满足T−1⁢T是V上的恒等函数而T⁢T−1是W上的恒等函数. 现在我们要证明的是, 如果线性函数T是可逆的, 那么其逆T−1也是线性的.
令β1和β2是W的向量而c是一个标量, 我们想要证明 T −1 ⁡ ( c⁢ β1 + β2 ) = c⁢ T −1 ⁡ β1 + T −1 ⁡ β2 . 令αi=T−1⁡βi,i=1,2, 即令αi是V中唯一满足T⁡αi=βi的向量. 既然T是线性的, 那么 T⁡ ( c⁢ α1 + α2 ) = c⁢ T⁡ α1 + T⁡ α2 = c⁢ β1 + β2 因此c⁢α1+α2是V中唯一的由T送至c⁢β1+β2的向量, 于是 T −1 ⁡ ( c⁢ β1 + β2 ) = c⁢ α1 + α2 = c⁢ ( T −1 ⁡ β1 ) + T −1 ⁡ β2
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设我们有一个从V到W的可逆的线性变换T和一个从W到Z的可逆的线性变换U, 那么U⁢T是可逆的并且(U⁢T)−1=T−1⁢U−1. 这个结论并不需要线性性质, 也不需要分开检验U⁢T是单射和满射. 所有需要做的事情只是验证T−1⁢U−1既是U⁢T的左逆也是U⁢T的右逆.

如果T是线性的, 那么T⁡(α−β)=T⁡α−T⁡β. 因此, T⁡α=T⁡β当且仅当T⁡(α−β)=0. 这极大地简化了对于T是否为单射的验证. 让我们称一个线性变换是非奇异的, 如果T⁡γ=0可以推出γ=0, 即T的零空间是{0}. 显然, T是单射当且仅当T非奇异. 这个评注的一个扩展是非奇异的线性变换就是那些保持线性无关的线性变换.

定理8. 令T是一个从V到W的线性变换, 那么T是非奇异的当且仅当V的每个线性无关子集在T下的像是W的线性无关子集.
证明. 首先设T是非奇异的. 令S是V的一个线性无关子集. 如果α1,…,αk是S中的向量 [译注: 不同的向量], 那么T⁡α1,…,T⁡αk是线性无关的, 因为如果 c1 ⁢ ( T⁡ α1 ) + ⋯+ ck ⁢ ( T⁡ αk ) =0 那么 T⁡ ( c1 ⁢ α1 + ⋯+ ck ⁢ αk ) =0 既然T是非奇异的, 那么 c1 ⁢ α1 + ⋯+ ck ⁢ αk =0 从中我们可以得出每个ci=0, 因为S是一个线性无关的集合. 这个论证表明S在T下的像是线性无关的.
设T将线性无关的子集映射至线性无关的子集. 令α是V的一个非零向量, 那么仅包含α的集合S是线性无关的. S的像是仅包含向量T⁡α的集合, 而这个集合是线性无关的. 因而T⁡α≠0, 否则的话就是线性相关的了. 这表明T的零空间是零子空间, 即T是非奇异的.
◻
例子11. 令F是一个复数域的子域 (或者特征为零的域), 令V是域F上的多项式函数的空间. 考虑例子9的微分算子D和"乘上x"的算子T. 既然D将每个常函数送至0, D是奇异的. 然而, 因为V不是有限维的, D的像是整个V, 于是定义一个D的右逆是有可能的. 例如, 如果E是不定积分算子: E⁡ ( c0 + c1 ⁢x +⋯+ cn ⁢ xn ) = c0 ⁢x + 12 ⁢ c1 ⁢ x2 +⋯+ 1 n+1 ⁢ cn ⁢ x n+1 那么E是V上的线性算子并且D⁢E=I. 另一方面, E⁢D≠I, 因为E⁢D将每个常函数都送至0. 与之相对地, 算子T是非奇异的, 因为如果对于每个x有x⁢f⁡(x)=0, 那么f=0. 因此, 可以找到T的一个左逆. 例如, 如果U是"移除常数项并除以x"的操作: U⁡ ( c0 + c1 ⁢x +⋯+ cn ⁢ xn ) = c1 + c2 ⁢x +⋯+ cn ⁢ x n−1 那么U是一个V上的线性算子并且U⁢T=I. 但是T⁢U≠I, 因为每个T⁢U的像中的函数自然也在T的像中, 而T的像是所有满足f⁡(0)=0的函数f构成的空间. [译注: 而不是整个V.]
例子12. 令F是一个域而T是一个F2上的线性算子, 其由 T⁡ ( x1 , x2 ) = ( x1 + x2 , x1 ) 定义. 那么, T是非奇异的, 因为如果T⁡(x1,x2)=0, 我们有 { x1 + x2 = 0 x1 = 0 于是x1=x2=0. 我们也看出T是满射, 因为如果令(z1,z2)是F2中任意的向量, 为了证明(z1,z2)在T的像中, 我们必须找出满足 { x1 + x2 = z1 x1 = z2 的标量x1和x2, 而x1=z2,x2=z1−z2就是显而易见的解. 这个计算为我们提供了T−1的显式公式, 即 T −1 ⁡ ( z1 , z2 ) = ( z2 , z1 − z2 ) .

在例子11之中我们看到一个线性变换可能是非奇异的但不是满射, 或者可能是满射但不是非奇异的. 然而, 上面这个例子为我们刻画了一种情形, 其中例子11的这种事情不可能发生.

定理9. 令V和W是域F上的有限维向量空间, 并且dim⁡V=dim⁡W. 如果T是一个从V到W的线性变换, 那么以下陈述是等价的:
  1. T是可逆的.
  2. T是非奇异的.
  3. T是满射, 即T的像是W.
证明. 令n=dim⁡V=dim⁡W, 从定理2我们知道 rank⁡ (T) + nullity⁡ (T) =n . 既然T是非奇异的当且仅当nullity⁡(T)=0, T的像是W当且仅当rank⁡(T)=n (因为n=dim⁡W), 而且零化度是0当且仅当秩为n, 那么T是非奇异的当且仅当T⁡(V)=W. 于是, 只要ii或iii其中之一成立, 那么另一条也成立, 那么T就是可逆的了.
◻

我们提醒读者一下, 除非有限维和dim⁡V=dim⁡W的条件都满足, 否则就不要应用定理9. 在定理9的假设下, 条件i, ii, iii还等价于以下陈述.

  1. 如果{α1,…,αn}是V的一个基, 那么{T⁡α1,…,T⁡αn}是W的一个基.
  2. 存在V的某个基{α1,…,αn}使得{T⁡α1,…,T⁡αn}是W的一个基.
我们将给出一个这五个条件等价的证明, 它不同于之前给出的三个条件等价的证明.

i推出ii. 如果T是可逆的, T当然是非奇异的. ii推出iii. 设T是非奇异的. 令{α1,…,αn}是V的一个基, 那么根据定理8, {T⁡α1,…,T⁡αn}是W的一个线性无关集合. 而且, 因为W的维数也是n, 所以这个集合也构成了W的一个基. 现在令β是W任意的向量, 那么存在标量c1,…,cn满足 β = c1 ⁢ ( T⁡ α1 ) + ⋯+ cn ⁢ ( T⁡ αn ) = T⁡ ( c1 ⁢ α1 + ⋯+ cn ⁢ αn ) 这表明β在T的像之中. iii推出iv. 现在我们假定T是满射. 如果{α1,…,αn}是V任意的基, 那么{T⁡α1,…,T⁡αn}可以张成T的像, 根据假设也就是整个W. 既然W的维数是n, 那么这n个向量必然是线性无关的, 也就是说构成了W的一个基. iv推出v. 这不需要证明. v推出i. 设存在V的某个基满足{T⁡α1,…,T⁡αn}是W的一个基. 既然T⁡αi可以张成W, 那么显然T的像是整个W. 如果α=c1⁢α1+⋯+cn⁢αn在T的零空间之中, 那么 T⁡ ( c1 ⁢ α1 + ⋯+ cn ⁢ αn ) =0 或者 c1 ⁢ ( T⁡ α1 ) + ⋯+ cn ⁢ ( T⁡ αn ) =0 既然T⁡αi是线性无关的, 那么每个ci=0, 因此α=0. 我们已经证明了T的像是W和T是非奇异的, 所以T是可逆的.

一个空间V上的可逆线性算子, 连带着复合运算, 提供了一个代数中被称为"群"的例子. 尽管我们没有时间细致地讨论群, 但是我们至少可以给出群的定义.

定义. 一个群由以下资料构成.
  1. 一个集合G;
  2. 一个法则 (或者说一个运算), 其联系G中每对元素x和y以一个G中元素x⁢y, 并且满足
    1. 对于所以G中x,y,z, x⁢(y⁢z)=(x⁢y)⁢z;
    2. 存在一个G中的元素e满足对于每个G中的x有e⁢x=x⁢e=x;
    3. 对于每个G的元素x存在一个G中元素x−1与之对应, 满足x⁢x−1=x−1⁢x=e.

我们已经证明了复合(U,T)↦U⁢T联系空间V上的每对可逆线性算子以另一个V上的可逆线性算子. 复合是一个结合运算. 恒等算子I对于每个T有I⁢T=T⁢I=T. 对于可逆的T, (根据定理7)存在一个可逆的线性算子T−1满足T⁢T−1=T−1⁢T=I. 因此, V上的可逆线性算子的集合, 连带着复合运算, 构成了一个群. 以矩阵乘法作为运算的n×n可逆矩阵的集合是另一个群的例子. 一个群是交换的, 如果它满足对于每个x和y有x⁢y=y⁢x. 以上两个我们给出的例子一般不是交换群. 人们经常将交换群的运算写成(x,y)↦x+y而不是(x,y)↦x⁢y, 并用符号0表示"恒元"e. 向量空间的向量的集合, 连带着向量加法, 是一个交换群. 一个域可以被描述为一个带有加法和乘法运算的集合, 其在加法下是一个交换群, 而非零元素在乘法下也构成了一个交换群, 并且分配律x⁢(y+z)=x⁢y+x⁢z成立.

练习1. 令T和U是ℝ2上由 T⁡ ( x1 , x2 ) = ( x2 , x1 ) 和 U⁡ ( x1 , x2 ) = ( x1 ,0 ) 定义的线性算子.
  1. 如何几何地描述T和U?
  2. 像定义T和U一样给出刻画(U+T),U⁢T,T⁢U,T2,U2的规则.
练习2. 令T是ℂ3上满足 T⁡ ε1 = ( 1,0,i ) , T⁡ ε2 = ( 0,1,1 ) , T⁡ ε3 = ( i,1,0 ) 的(唯一的)线性算子. T可逆吗?
练习3. 令T是ℝ3上由 T⁡ ( x1 , x2 , x3 ) = ( 3⁢ x1 , x1 − x2 , 2⁢ x1 + x2 + x3 ) 定义的线性算子. T可逆吗? 如果可逆的话, 像定义T一样给出T−1的规则.
练习4. 对于练习3的线性算子T, 证明 ( T2 −I ) ⁢ ( T− 3⁢I ) =0 .
练习5. 令 B= [ 1 −1 −4 4 ] 令T是由T⁡(A)=B⁢A定义的ℂ2×2上的线性算子. T的秩是多少? 你能描述T2吗?
练习6. 令T是从ℝ3到ℝ2的线性变换, 令U是从ℝ2到ℝ3的线性变换. 证明变换U⁢T是不可逆的. 给出这个定理的一般化版本.
练习7. 找出ℝ2上两个线性算子T和U满足T⁢U=0但是U⁢T≠0.
练习8. 令V是域F上的向量空间, 令T是V上的一个线性算子. 如果T2=0, 关于T的像和零空间的关系你有什么可说的? 给出一个ℝ2上的线性算子T的例子, 其满足T2=0但T≠0.
练习9. 令T是有限维向量空间V上的一个线性算子. 设存在一个V上的线性算子U满足T⁢U=I. 证明T是可逆的, 并且U=T−1. 给出一个例子表明在V不是有限维的情况下这是错的. (提示: 令T=D, 多项式函数空间上的微分算子.)
练习10. 令A是域F上的一个m×n矩阵, 令T是由T⁡(X)=A⁢X定义的从Fn×1到Fm×1的线性变换. 说明在m<n的情况下T可以是满射但不是非奇异的. 类似地, 说明在m>n的情况下T可以是非奇异的但不是满射.
练习11. 令V是一个有限维向量空间, 令T是V上的一个线性算子. 设rank⁡(T2)=rank⁡(T). 证明T的像和零空间是不相交的 (disjoint), 即只有零向量作为共同元素.
练习12. 令p,m,n是正整数而F是一个域. 令V是域F上的m×n矩阵的空间, W是域F上的p×n矩阵的空间. 令B是一个固定的p×m矩阵而T是一个由T⁡(A)=B⁢A定义的从V到W的线性变换. 证明T可逆当且仅当p=m且B是一个可逆的m×m矩阵.

第3.3节 同构

如果V和W是域F上的向量空间, 那么任何从V到W的双射的线性变换T都被称为从V到W的同构. 如果存在从V到W的同构, 那么就称V同构于W. [译注: 更直接和正确的说法其实是可逆而不是双射, 不过在向量空间的情况下这二者是等价的.]

注意到V平凡地同构于V, 恒等算子是一个从V到V的同构. 并且, 如果V通过T同构于W, 那么W也同构于V, 因为T−1是一个从W到V的同构. 读者应该很容易验证如果V同构于W且W同构于Z, 那么V同构于Z. 简而言之, 同构是向量空间的类上的等价关系. [译注: 这里的用词是class而不是set, 因为所有的向量空间的确不构成一个集合.] 当存在一个从V到W的同构时, 我们有时也说V和W是同构的, 而不说V同构于W. 鉴于V同构于W当且仅当W同构于V, 这不会引起歧义.

定理10. 每个域F上的n维向量空间都同构于空间Fn.
证明. 令V是域F上的n维向量空间, 令𝔅={α1,…,αn}是V的一个有序基. 我们按照以下方式定义从V到Fn的函数T: 如果α在V中, 令T⁡α是α相对于有序基𝔅的坐标n元组(x1,…,xn), 即满足 α= x1 ⁢ α1 + ⋯+ xn ⁢ αn 的n元组. 根据我们第2章对于坐标的讨论, 我们验证这个T是线性的且是双射的.
◻

出于许多目的我们可以将同构的向量空间视为"相同的", 尽管空间中的向量和运算可能是相当不同的. 我们目前不会详细讨论这个想法, 但将在我们对于向量空间的研究中积累对于同构的理解以及同构空间是"相同的"这个感觉.

我们将作出一些简要的评注. 设T是一个从V到W的同构. 如果S是V的一个子集, 那么定理8告诉我们S是线性无关的当且仅当集合T⁡(S)在W中是线性无关的. 因此, 在判断S是否线性无关时, 检视S还是T⁡(S)是无关紧要的. 从中我们可以看出, 同构是"维数保持的", 也就是说对于V任意的有限维子空间, 其在T下的像有着相同的维数. 现在我们给出这个想法的一个非常简单的刻画. 设A是域F上的一个m×n矩阵, 实际上我们给过两种对于矩阵A的解空间的定义. 第一种是Fn中所有满足线性方程组A⁢X=0的每个方程的n元组(x1,…,xn)构成的集合. 第二种是所有满足A⁢X=0的n×1列矩阵X构成的集合. 第一种解空间是Fn的子空间, 第二种解空间是Fn×1的子空间. 实际上Fn和Fn×1之间有一个显见的同构, 即 ( x1 ,…, xn ) ↦ [ x1 ⋮ xn ] . 在这个同构下, A的第一种解空间被映射至第二种解空间. 这两个空间有着相同的维数, 于是在证明关于解空间的维数的定理时, 选择那个空间来讨论是无关紧要的. 实际上, 读者或许并不会产生一点犹豫, 如果我们选择将Fn和Fn×1视为等同的. 当方便的时候, 我们就会这么做, 而不方便的时候, 我们就不这么做.

练习1. 令V是复数集, 令F是实数域. 在通常的运算下, V是F上的一个向量空间. 显式描述一个从该空间到ℝ2的同构.
练习2. 令V是复数域上的向量空间, 并设存在一个从V到ℂ3的同构T. 令α1,α2,α3,α4是V中向量, 满足 T⁡ α1 = ( 1,0,i ) , T⁡ α2 = ( −2 , 1+i ,0 ) , T⁡ α3 = ( −1 ,1,1 ) , T⁡ α4 = ( 2 ,i,3 ) .
  1. α1在α2和α3张成的子空间中吗?
  2. 令W1是α1和α2张成的子空间, 令W2是α3和α4张成的子空间, 那么W1和W2的交是什么呢?
  3. 找出一个这四个向量αj张成的V的子空间的基.
练习3. 令W是所有2×2的复Hermite矩阵构成的集合. 正如我们在第2章的例子6中所指出的, 在通常的运算下, W是一个实数域上的向量空间. 验证 ( x,y,z,t ) ↦ [ t+x y+ i⁢z y− i⁢z t−x ] 是一个从ℝ4到W的同构.
练习4. 表明Fm×n同构于Fm⁢n.
练习5. 令V是复数集, 其可以被视为实数域上的向量空间 (练习1). 我们按照以下方式定义一个从V到2×2实矩阵空间的函数T. 如果z=x+i⁢y, 其中x和y是实数, 那么 T⁡ (z) = [ x+ 7⁢y 5⁢y − 10⁢y x− 7⁢y ] .
  1. 验证T是一个单射的(实)线性变换.
  2. 验证T⁡(z1⁢z2)=T⁡(z1)⁢T⁡(z2).
  3. 你如何描述T的像?
练习6. 令V和W是域F上的有限维向量空间. 证明V和W同构当且仅当dim⁡V=dim⁡W.
练习7. 令V和W是域F上的向量空间, U是一个从V到W的同构. 证明T↦U⁢T⁢U−1是一个从L⁡(V,V)到L⁡(W,W)的同构.

第3.4节 通过矩阵表示变换

令V是域F上的n维向量空间, 令W是域F上的m维向量空间. 令𝔅={α1,…,αn}是V的一个有序基, 令𝔅′={β1,…,βm}是W的一个有序基. 如果T是任意的从V到W的线性变换, 那么T由其施加于向量αj的作用决定. 每个向量T⁡αj皆可唯一地表示为βi的线性组合 T⁡ αj = ∑ i=1 m A i,j ⁢ βi 其中A1,j,…,Am,j是T⁡αj在有序基𝔅′下的坐标. 于是, 变换T可由m⁢n个标量Ai,j决定. 由A⁡(i,j)=Ai,j定义的m×n矩阵A被称为T相对于有序基𝔅和𝔅′的矩阵. 我们即时的任务在于显式地理解矩阵A是如何决定线性变换T的.

如果α=x1⁢α1+⋯+xn⁢αn是V中的一个向量, 那么 T⁡α = T⁡ ( ∑ j=1 n xj ⁢ αj ) = ∑ j=1 n xj ⁢ ( T⁡ αj ) = ∑ j=1 n xj ⁢ ∑ i=1 m A i,j ⁢ βi = ∑ i=1 m ( ∑ j=1 n A i,j ⁢ xj ) ⁢ βi 如果X是α在有序基𝔅下的坐标矩阵, 那么以上的计算表明A⁢X是向量T⁡α在有序基𝔅′下的坐标矩阵, 因为标量 ∑ j=1 n A i,j ⁢ xj 是列矩阵A⁢X第i行的元素. 让我们也观察到如果A是域F上任意的m×n矩阵, 那么 T⁡ ( ∑ j=1 n xj ⁢ αj ) = ∑ i=1 m ( ∑ j=1 n A i,j ⁢ xj ) ⁢ βi 定义了一个从V到W的线性变换T, 并且其相对于𝔅和𝔅′的矩阵是A. 我们形式地总结如下:

定理11. 令V是域F上的n维向量空间, 令W是域F上的m维向量空间. 令𝔅={α1,…,αn}是V的一个有序基, 令𝔅′={β1,…,βm}是W的一个有序基. 对于每个从V到W的线性变换T, 存在一个域F上的m×n矩阵A满足 [ T⁡α ] 𝔅′ = A⁢ [α] 𝔅 对于每个V中向量α成立. 并且, T↦A是一个从所有从V到W的线性变换构成的集合到所有域F上的m×n矩阵构成的集合的一一对应.

定理11中与T相关联着的矩阵A被称为T相对于有序基𝔅和𝔅′的矩阵. 注意到式子T⁡αj=∑i=1mAi,j⁢βi是说矩阵A的列A1,…,An由 Aj = [ T⁡ αj ] 𝔅′ , j= 1,…,n 给出. 如果U是另一个从V到W的线性变换, 并且B=[B1,…,Bn]是U相对于有序基𝔅和𝔅′的矩阵, 那么c⁢A+B是c⁢T+U相对于有序基𝔅和𝔅′矩阵. 这是显然的, 因为 c⁢ Aj + Bj = c⁢ [ T⁡ αj ] 𝔅′ + [ U⁡ αj ] 𝔅′ = [ c⁢ T⁡ αj + U⁡ αj ] 𝔅′ = [ ( c⁢T +U ) ⁡ αj ] 𝔅′

定理12. 令V是域F上的n维向量空间, 令W是域F上的m维向量空间. 对于V和W相应的每对有序基𝔅和𝔅′, 为线性变换T赋予其相对于𝔅和𝔅′的矩阵的函数是一个空间L⁡(V,W)和Fm×n之间的同构.
证明. 我们观察到这个函数是线性的 [译注: 就是上一段], 并且如定理11所言, 这个函数是L⁡(V,W)和Fm×n之间的双射.
◻

我们将特别关心从一个空间到自身的线性变换的矩阵表示, 也就是线性算子的矩阵表示. 在这种情况下使用相同的基是方便的, 即取𝔅=𝔅′. 我们将称这个表示矩阵为T相对于有序基𝔅的矩阵. 因为这个概念是如此重要, 以至于我们将重复这个定义. 如果T是有限维向量空间V上的一个线性算子而𝔅={α1,…,αn}是V的一个有序基, 那么T相对于𝔅的矩阵 (或者说, T在有序基𝔅下的矩阵) 是一个n×n矩阵A, 其元素Ai,j由式子 T⁡ αj = ∑ i=1 n A i,j ⁢ αi , j= 1,…,n 定义. 读者必须记住这个表示T的矩阵依赖于有序基𝔅, 而V的每个有序基下都有一个T的表示矩阵. (如果是从一个空间V到另一个空间W的线性变换, 那就是依赖于两个有序基, 一个是V的有序基, 另一个是W的有序基.) 为了不忘记这个依赖关系, 我们将使用记号 [T] 𝔅 表示线性算子T在有序基𝔅下的矩阵. 这个矩阵以及相关的有序基刻画T的方式在于对于每个V中的α有 [ T⁡α ] 𝔅 = [T] 𝔅 ⁢ [α] 𝔅 .

例子13. 令V是域F上的n×1列矩阵构成的空间, 令W是域F上的m×1列矩阵构成的空间, 令A是域F上一个固定的m×n矩阵. 令T是一个从V到W的线性变换, 由T⁡(X)=A⁢X定义. 令𝔅是V的有序基, 其类似于Fn的标准有序基, 也就是说, 𝔅的第i个向量是n×1矩阵Xi, 其第i行是1, 而其他元素为0. 令𝔅′是W的有序基, 其定义方式与V的这个有序基类似. 那么, T相对于𝔅和𝔅′的矩阵就是A本身. 这是显然的, 因为矩阵A⁢Xj就是A的第j列.
例子14. 令F是一个域, 令T是F2上的一个线性算子, 由 T⁡ ( x1 x2 ) = ( x1 ,0 ) 定义. 令𝔅是F2的标准有序基, 𝔅=(ε1,ε2). 既然 T⁡ ε1 = T⁡ ( 1,0 ) = ( 1,0 ) = 1⁢ ε1 + 0⁢ ε2 , T⁡ ε2 = T⁡ ( 0,1 ) = ( 0,0 ) = 0⁢ ε1 + 0⁢ ε2 , 那么T在有序基𝔅下的矩阵是 [T] 𝔅 = [ 1 0 0 0 ] .
例子15. 令V是所有具有形式 f⁡ (x) = c0 + c1 ⁢x + c2 ⁢ x2 + c3 ⁢ x3 的从ℝ到ℝ的多项式函数构成的向量空间, 即次数小于等于三的多项式函数的空间. 例子2的微分算子D映射V至V, 鉴于D是"降次的". 令𝔅是V的有序基, 其由四个函数f1,f2,f3,f4构成, 通过fj⁡(x)=xj−1定义, 那么 ( D⁡ f1 ) ⁡ (x) = 0, D⁡ f1 = 0⁢ f1 + 0⁢ f2 + 0⁢ f3 + 0⁢ f4 ( D⁡ f2 ) ⁡ (x) = 1, D⁡ f2 = 1⁢ f1 + 0⁢ f2 + 0⁢ f3 + 0⁢ f4 ( D⁡ f3 ) ⁡ (x) = 2⁢x , D⁡ f3 = 0⁢ f1 + 2⁢ f2 + 0⁢ f3 + 0⁢ f4 ( D⁡ f4 ) ⁡ (x) = 3⁢ x2 , D⁡ f4 = 0⁢ f1 + 0⁢ f2 + 3⁢ f3 + 0⁢ f4 于是D在有序基𝔅下的矩阵是 [D] 𝔅 = [ 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 ] .

我们已经见过把变换相加时表示矩阵会怎么变化了, 即把矩阵相加. 现在我们想问把变换复合起来时会发生些什么. 更准确地说, 令V,W,Z是域F上相应维数为n,m,p的向量空间. 令T是一个从V到W的线性变换, 令U是一个从W到Z的线性变换. 设V,W,Z相应的有序基分别为 𝔅= { α1 ,…, αn } , 𝔅′ = { β1 ,…, βm } , 𝔅″ = { γ1 ,…, γp } . 令A是T相对于𝔅和𝔅′的矩阵, 令B是U相对于𝔅′和𝔅″的矩阵. 那么, 很容易看出来变换U⁢T相对于𝔅和𝔅″的矩阵C就是B和A的积. 这是因为, 如果α是V中任意的向量, 那么 [ T⁡α ] 𝔅′ = A⁢ [α] 𝔅 , [ U⁡ ( T⁡α ) ] 𝔅″ = B⁢ [ T⁡α ] 𝔅′ 于是 [ ( U⁢T ) ⁡ (α) ] 𝔅″ = ( B⁢A ) ⁢ [α] 𝔅 根据表示矩阵的定义和唯一性, 我们必有C=B⁢A. 读者也可通过施行以下计算来看出这点. ( U⁢T ) ⁡ ( αj ) = U⁡ ( T⁡ αj ) = U⁡ ( ∑ k=1 m A k,j ⁢ βk ) = ∑ k=1 m A k,j ⁢ ( U⁡ βk ) = ∑ k=1 m A k,j ⁢ ∑ i=1 p B i,k ⁢ γi = ∑ i=1 p ( ∑ k=1 m B i,k ⁢ A k,j ) ⁢ γi 于是我们必有 C i,j = ∑ k=1 m B i,k ⁢ A k,j . 之前我们定义矩阵乘法的动机在于矩阵行上的操作. 这里我们看到线性变换的复合也提供了强烈的动机. 让我们形式化地总结一下这个结果.

定理13. 令V,W,Z是域F上的有限维向量空间. 令T是从V到W的线性变换, U是从W到Z的线性变换. 如果𝔅,𝔅′,𝔅″分别是V,W,Z的有序基, 如果A是T相对于𝔅和𝔅′的矩阵, B是U相对于𝔅′和𝔅″的矩阵, 那么变换的复合U⁢T相对于𝔅和𝔅″的矩阵是积C=B⁢A.

注意到定理13给我们了一个矩阵乘法是结合运算的证明, 这个证明不需要计算, 并且独立于我们在第1章给出的证明. 我们还应该指出我们在例子10中证明了定理13的特殊情况. [译注: 原文是例子12, 疑似应该是例子10.]

如果T和U是空间V上的线性算子, 并且我们以单一的有序基𝔅表示这两个变换, 那么定理13呈现出特别简单的形式[U⁢T]𝔅=[U]𝔅⁢[T]𝔅. 因此, 在这种情况下由𝔅所决定的算子和矩阵之间的对应不仅是向量空间的同构, 还保持乘法. 这个事实的一个简单推论是线性算子T可逆当且仅当矩阵[T]𝔅可逆. 这是因为恒等算子I在任意的有序基下都由恒等矩阵表示, 于是 U⁢T = T⁢U =I 等价于 [U] 𝔅 ⁢ [T] 𝔅 = [T] 𝔅 ⁢ [U] 𝔅 =I . 当然, T可逆时有 [ T −1 ] 𝔅 = [T] 𝔅 −1 .

现在我们想要探究当有序基改变时表示矩阵会怎样变化. 为了简单起见, 我们将只考虑空间V上的线性算子, 于是我们可以只使用一个有序基. 我们想问的特定问题如下. 令T是有限维向量空间V上的一个线性算子, 并令 𝔅= { α1 ,…, αn } 和 𝔅′ = { α1′ ,…, αn′ } 是V的两个有序基. 矩阵[T]𝔅和[T]𝔅′之间有什么联系呢? 正如我们在第2章所观察到的那样, 存在一个唯一的n×n(可逆)矩阵P满足对于每个V的向量α有 [α] 𝔅 = P⁢ [α] 𝔅′ . 这个矩阵即P=[P1,…,Pn], 其中Pj=[αj′]𝔅. 根据定义, [ T⁡α ] 𝔅 = [T] 𝔅 ⁢ [α] 𝔅 . 将坐标变换公式应用于T⁡α, 我们就得到 [ T⁡α ] 𝔅 = P⁢ [ T⁡α ] 𝔅′ . 结合这三个式子, 我们有 [T] 𝔅 ⁢P⁢ [α] 𝔅′ = P⁢ [ T⁡α ] 𝔅′ 或是 P −1 ⁢ [T] 𝔅 ⁢P ⁢ [α] 𝔅′ = [ T⁡α ] 𝔅′ 因此就得到 [T] 𝔅′ = P −1 ⁢ [T] 𝔅 ⁢P . 这回答了我们的问题.

在形式化陈述这个结果之前, 让我们观察一下以下事实. 存在唯一的一个线性算子U将有序基𝔅映射成𝔅′, 其由 U⁡ αj = αj′ , j= 1,…,n 定义. 这个算子U是可逆的, 因为它将V的一个基映射至V的另一个基. 上面的矩阵P恰是U在有序基𝔅下的表示, 因为P是由 αj′ = ∑ i=1 n P i,j ⁢ αi 定义的, 既然U⁡αj=αj′, 这个式子也可以写成 U⁡ αj = ∑ i=1 n P i,j ⁢ αi 于是P=[U]𝔅, 根据定义.

定理14. 令V是一个域F上的有限维向量空间. 令 𝔅= { α1 ,…, αn } 和 𝔅′ = { α1′ ,…, αn′ } 是V的有序基. 设T是V上的一个线性算子. 如果P=[P1,…,Pn]是一个以Pj=[αj′]𝔅为列的n×n矩阵, 那么 [T] 𝔅′ = P −1 ⁢ [T] 𝔅 ⁢P . 或者说, 如果U是由U⁡αj=αj′,j=1,…,n定义的V上的可逆线性算子, 那么 [T] 𝔅′ = [U] 𝔅 −1 ⁢ [T] 𝔅 ⁢ [U] 𝔅 .
例子16. 令T是ℝ2上由T⁡(x1,x2)=(x1,0)定义的线性算子. 在例子14中我们表明T在标准有序基𝔅={ε1,ε2}下的矩阵是 [T] 𝔅 = [ 1 0 0 0 ] . 设𝔅′是ℝ2的有序基, 其由向量ε1′=(1,1)和ε2′=(2,1)构成, 那么 ε1′ = ε1 + ε2 , ε2′ = 2⁢ ε1 + ε2 于是P是矩阵 P= [ 1 2 1 1 ] . 根据简单的计算 P −1 = [ −1 2 1 −1 ] . 因此 [T] 𝔅′ = P −1 ⁢ [T] 𝔅 ⁢P = [ −1 2 1 −1 ] ⁢ [ 1 0 0 0 ] ⁢ [ 1 2 1 1 ] = [ −1 2 1 −1 ] ⁢ [ 1 2 0 0 ] = [ −1 −2 1 2 ] 我们很容易验证这是正确的, 因为 T⁡ ε1′ = ( 1,0 ) = − ε1′ + ε2′ , T⁡ ε2′ = ( 2,0 ) = −2 ⁢ ε1′ + 2⁢ ε2′ .
例子17. 令V是从ℝ到ℝ的次数小于等于3的多项式函数构成的向量空间. 如例子15, 令D是V上的微分算子, 并令 𝔅= { f1 , f2 , f3 , f4 } 是V的有序基, 其由fi⁡(x)=xi−1定义. 令t是一个实数, 定义gi⁡(x)=(x+t)i−1, 即 g1 = f1 g2 = t⁢ f1 + f2 g3 = t2 ⁢ f1 + 2⁢t⁢ f2 + f3 g4 = t3 ⁢ f1 + 3⁢ t2 ⁢ f2 + 3⁢t⁢ f3 + f4 既然矩阵 P= [ 1 t t2 t3 0 1 2⁢t 3⁢ t2 0 0 1 3⁢t 0 0 0 1 ] 很容易看出来是可逆的, 并有 P −1 = [ 1 −t t2 − t3 0 1 −2 ⁢t 3⁢ t2 0 0 1 −3 ⁢t 0 0 0 1 ] 从中我们得知𝔅′={g1,g2,g3,g4}是V的一个有序基. 在例子15里, 我们发现D在有序基𝔅下的矩阵为 [D] 𝔅 = [ 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 ] . 因此D相对于有序基𝔅′的矩阵为 P −1 ⁢ [D] 𝔅 ⁢P = [ 1 −t t2 − t3 0 1 −2 ⁢t 3⁢ t2 0 0 1 −3 ⁢t 0 0 0 1 ] ⁢ [ 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 ] ⁢ [ 1 t t2 t3 0 1 2⁢t 3⁢ t2 0 0 1 3⁢t 0 0 0 1 ] = [ 1 −t t2 − t3 0 1 −2 ⁢t 3⁢ t2 0 0 1 −3 ⁢t 0 0 0 1 ] ⁢ [ 0 1 2⁢t 3⁢ t2 0 0 2 6⁢t 0 0 0 3 0 0 0 0 ] = [ 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 ] 于是D在有序基𝔅和𝔅′下由相同的矩阵表示. 当然, 或许我们可以更直接地看出这点来, 因为 D⁡ g1 =0 , D⁡ g2 = g1 , D⁡ g3 = 2⁢ g2 , D⁡ g4 = 3⁢ g3 . 这个例子刻画了很好的一点. 如果读者已知一个线性算子在某个有序基𝔅下的矩阵, 并想要找出其在另一个有序基𝔅′下的矩阵, 经常的情况是使用可逆矩阵P施行坐标变换是最方便的. 然而, 有时直接诉诸定义来寻找表示矩阵可能要简单得多.
定义. 令A和B是域F上的n×n矩阵. 我们称B在F上相似于A, 如果存在一个域F上的可逆矩阵P满足B=P−1⁢A⁢P.

根据定理14, 我们知道: 如果V是一个域F上的n维向量空间而𝔅和𝔅′是V的两个有序基, 那么对于每个V上的线性算子T, 矩阵B=[T]𝔅′相似于矩阵A=[T]𝔅. 我们也可以从另一个方向看待这个事情. 设A和B是域F上的n×n矩阵, 令𝔅是V的一个有序基. 令T是V上的线性算子, 其在基𝔅下由A表示. 如果B=P−1⁢A⁢P, 令𝔅′是经P由𝔅得到的V的有序基, 即 αj′ = ∑ i=1 n P i,j ⁢ αi , 那么T在有序基𝔅′下的矩阵就是B.

因此, 陈述B相似于A意味着在每个域F上的n维空间上, 矩阵A和B在两个(可能)不同的有序基下表示着相同的线性变换.

注意到每个n×n矩阵A都相似于自身, 只需令P=I; 如果B相似于A, 那么A相似于B, 因为B=P−1⁢A⁢P可以推出A=(P−1)−1⁢B⁢P−1; 如果B相似于A而C相似于B, 那么C相似于A, 因为B=P−1⁢A⁢P和C=Q−1⁢B⁢Q可以推出C=(P⁢Q)−1⁢A⁢(P⁢Q). 因此, 相似性是域F上的n×n矩阵的集合上的一个等价关系. 读者还应该注意到唯一与恒等矩阵I相似的矩阵就是I本身, 唯一与零矩阵相似的矩阵就是零矩阵本身.

练习1. 令T是ℂ2上由T⁡(x1,x2)=(x1,x2)定义的线性算子. 令𝔅是ℂ2的标准有序基而𝔅′={α1,α2}是由α1=(1,i),α2=(−i,2)定义的有序基.
  1. T相对于𝔅和𝔅′的矩阵是什么?
  2. T相对于𝔅′和𝔅的矩阵是什么?
  3. T在有序基𝔅′下的矩阵是什么?
  4. T在有序基{α2,α1}下的矩阵是什么?
练习2. 令T是从ℝ3到ℝ2的线性变换, 其由 T⁡ ( x1 , x2 , x3 ) = ( x1 + x2 , 2⁢ x3 − x1 ) 定义.
  1. 如果𝔅是ℝ3的标准有序基而𝔅′是ℝ2的标准有序基, 那么T相对于𝔅和𝔅′的矩阵是什么?
  2. 如果𝔅={α1,α2,α3}且𝔅′=(β1,β2), 其中 α1 = ( 1,0, −1 ) , α2 = ( 1,1,1 ) , α3 = ( 1,0,0 ) , β1 = ( 0,1 ) , β2 = ( 1,0 ) T相对于𝔅和𝔅′的矩阵是什么?
练习3. 令T是Fn上的线性算子, 令A是T在Fn的标准基下的矩阵, 令W是由A的列向量张成的Fn的子空间. 请问W和T有何关系?
练习4. 令V是域F上的一个二维向量空间, 令𝔅是V的一个有序基. 如果T是V上的一个线性算子, 并且 [T] 𝔅 = [ a b c d ] 证明T2−(a+d)⁢T+(a⁢d−b⁢c)⁢I=0.
练习5. 令T是ℝ3上的线性算子, 其在标准有序基下的矩阵为 A= [ 1 2 1 0 1 1 −1 3 4 ] . 找出T的像的一个基和T的零空间的一个基.
练习6. 令T是ℝ2上由 T⁡ ( x1 , x2 ) = ( − x2 , x1 ) 定义的线性算子.
  1. T在ℝ2的标准基下的矩阵是什么?
  2. T在有序基𝔅={α1,α2}下的矩阵是什么, 其中α1=(1,2)且α2=(1,−1)?
  3. 证明对于每个实数c, 算子(T−c⁢I)都是可逆的.
  4. 证明如果𝔅是ℝ2任意的有序基并且[T]𝔅=A, 那么A1,2⁢A2,1≠0.
练习7. 令T是ℝ3上的线性算子, 由 T⁡ ( x1 , x2 , x3 ) = ( 3⁢ x1 + x3 , −2 ⁢ x1 + x2 , − x1 + 2⁢ x2 + 4⁢ x3 ) 定义.
  1. T在ℝ3的标准有序基下的矩阵是什么?
  2. T在有序基 { α1 , α2 , α3 } 下的矩阵是什么, 其中α1=(1,0,1),α2=(−1,2,1),α3=(2,1,1)?
  3. 证明T是可逆的, 并如定义T一样给出T−1的规则.
练习8. 令θ是一个实数. 证明以下两个矩阵在复数域上是相似的: [ cos⁡θ − sin⁡θ sin⁡θ cos⁡θ ] , [ e i⁢θ 0 0 e − i⁢θ ] (提示: 令T是ℂ2上的线性算子, 其在标准有序基下由第一个矩阵表示. 接着, 找出向量α1和α2使得T⁡α1=ei⁢θ⁢α1,T⁡α2=e−i⁢θ⁢α2并且{α1,α2}是一个基.)
练习9. 令V是域F上的一个有限维向量空间. 令S和T是V上的线性算子. 我们问: 什么时候存在V的有序基𝔅和𝔅′使得[S]𝔅=[T]𝔅′? 证明这样的基存在当且仅当存在一个V上的可逆线性算子U使得T=U⁢S⁢U−1. (证明大纲: 如果[S]𝔅=[T]𝔅′, 令U是将𝔅映射成𝔅′的线性算子, 然后表明S=U⁢T⁢U−1. 反过来, 如果对于某个可逆的U有T=U⁢S⁢U−1, 令𝔅是V任意的有序基, 令𝔅′是其在U下的像 [译注: 当然要保持顺序], 然后表明[S]𝔅=[T]𝔅′.)
练习10. 我们已经知道由T⁡(x1,x2)=(x1,0)定义的ℝ2上的线性算子T在标准有序基下由矩阵 A= [ 1 0 0 0 ] 表示. 这个算子满足T2=T. 证明如果S是一个ℝ2上满足S2=S的线性算子, 那么S=0, 或者S=I, 或者存在ℝ2的一个有序基使得[S]𝔅=A.
练习11. 令W是域F上所有n×1矩阵构成的空间. 如果A是域F上的一个n×n矩阵, 那么A通过左乘定义了一个W上的线性算子LA: LA⁡(X)=A⁢X. 证明每个W上的线性算子都是左乘某个n×n矩阵, 即是对于某个矩阵A而言的LA.
现在设V是域F上的一个n维向量空间, 令𝔅是V的一个有序基. 对于每个V中的α, 定义U⁡α=[α]𝔅. 证明U是一个从V到W的线性算子. 如果T是一个V的线性算子, 那么U⁢T⁢U−1是一个W上的线性算子. 于是, U⁢T⁢U−1是一个左乘某个n×n矩阵A的变换, 那么A是什么呢?
练习12. 令V是域F上的一个n维向量空间, 令𝔅={α1,…,αn}是V的一个有序基.
  1. 根据定理1, 存在唯一的V上的线性算子T满足 T⁡ αj = α j+1 , j= 1,…, n−1 , T⁡ αn =0 . T在有序基𝔅下的矩阵A是什么?
  2. 证明Tn=0但是Tn−1≠0.
  3. 令S是V上任意的满足Sn=0但是Sn−1≠0的线性算子. 证明存在V的有序基𝔅′使得S在𝔅′下的表示是a里的矩阵A.
  4. 证明如果M和N是域F上满足Mn=Nn=0但是Mn−1≠0且Nn−1≠0的n×n矩阵, 那么M和N是相似的.
练习13. 令V和W是域F上的有限维向量空间. 令T是一个从V到W的线性变换. 如果 𝔅= { α1 ,…, αn } 和 𝔅′ = { β1 ,…, βm } 分别是V和W的有序基, 如定理5的证明一样定义线性变换Ep,q: Ep,q⁡(αi)=δi,q⁢βp, 那么Ep,q,1≤p≤m,1≤q≤n构成了L⁡(V,W)的一个基, 并且对于特定的标量Ap,q有 T= ∑ p=1 m ∑ q=1 n A p,q ⁢ E p,q . Ap,q即T在这个L⁡(V,W)的基下的坐标. 证明以A⁡(p,q)=Ap,q为元素的矩阵A就恰是T相对于𝔅和𝔅′的表示矩阵.

第3.5节 线性泛函

如果V是一个域F上的向量空间, 那么从V到标量域F的线性变换f也被称为V上的线性泛函. 如果我们从头开始, 那么这意味着f是一个从V到F的函数, 并且满足 f⁡ ( c⁢α +β ) = c⁢ f⁡ (α) + f⁡ (β) 对于所有V中的α和β以及所有F中的标量c成立. 线性泛函这个概念的重要性在于它有助于组织和澄清关于子空间, 线性方程和坐标的讨论.

例子18. 令F是一个域而a1,…,an是F中标量, 我们根据 f⁡ ( x1 ,…, xn ) = a1 ⁢ x1 + ⋯+ an ⁢ xn 定义一个Fn上的函数f, 那么f是Fn上的一个线性泛函. 它是这样的泛函, 其在Fn的标准有序基和F的基{1}下由矩阵[a1⋯an]表示: aj = f⁡ ( εj ) , j= 1,…,n . [译注: 其实{1}就是F的标准有序基.] 每个Fn上的线性泛函都具有这种形式, 对于某些标量a1,…,an而言. 这是由线性泛函的定义立即得到的, 因为如果我们定义aj=f⁡(εj)并使用线性性质, 那么 f⁡ ( x1 ,…, xn ) = f⁡ ( ∑ j=1 n xj ⁢ εj ) = ∑ j=1 n xj ⁢ f⁡ ( εj ) = ∑ j=1 n aj ⁢ xj
例子19. 这里给出一个线性泛函的重要例子. 令n是一个正整数而F是一个域, 如果A是一个以F中标量为元素的n×n矩阵, 那么A的迹是标量 tr⁡ (A) = A 1,1 + A 2,2 +⋯+ A n,n . 迹函数是一个矩阵空间Fn×n上的线性泛函, 因为 tr⁡ ( c⁢A +B ) = ∑ i=1 n ( c⁢ A i,i + B i,i ) = c⁢ ∑ i=1 n A i,i + ∑ i=1 n B i,i = c⁢ tr⁡ (A) + tr⁡ (B)
例子20. 令V是所有从域F到自身的多项式函数构成的空间. 令t是F的一个元素. 如果我们定义 Lt ⁡ (p) = p⁡ (t) 那么Lt是一个V上的线性泛函. 人们经常这样描述这个泛函, 对于每个t, "在t处求值"是一个多项式函数空间上的线性泛函. 或许我们应该指出, 在这个例子里多项式函数实际上并不发挥任何作用, 对于所有从F到F的函数构成的空间, 在t处求值同样也是一个线性泛函.
例子21. 这或许是数学中最重要的线性泛函. 令[a,b]是实轴上的一个闭区间, C⁡([a,b])是[a,b]上的连续实值函数构成的空间, 那么 L⁡ (g) = ∫ab g⁡ (t) dt 定义了一个C⁡([a,b])上的线性泛函L.

如果V是一个向量空间, 那么所有V上的线性泛函自然地构成了一个向量空间, 此即L⁡(V,F), 我们记作V⁎并将其称为V的对偶空间: V⁎ = L⁡ ( V,F ) .

如果V是有限维的, 那么我们可以得到一个对于对偶空间V⁎相当显式的描述. 从定理5我们知道了一件关于V⁎的事情, 即 dim⁡ V⁎ = dim⁡V . 令𝔅={α1,…,αn}是V的一个基. 根据定理1, (对于每个i)存在唯一的V上的线性泛函fi满足 fi ⁡ ( αj ) = δ i,j . 用这种方法我们从𝔅得到了n个不同的V上的线性泛函f1,…,fn. 这些泛函也是线性无关的, 因为若设 f= ∑ i=1 n ci ⁢ fi 那么 f⁡ ( αj ) = ∑ i=1 n ci ⁢ fi ⁡ ( αj ) = ∑ i=1 n ci ⁢ δ i,j = cj 特别地, 如果f是零泛函, 那么对于每个j有f⁡(αj)=0, 因此标量cj都是0. 现在f1,…,fn是n个线性无关的泛函, 而且我们知道V⁎的维数是n, 那么𝔅⁎={f1,…,fn}必然是V⁎的一个基, 其被称为𝔅的对偶基.

定理15. 令V是域F上的一个有限维向量空间, 令𝔅={α1,…,αn}是V的一个基. 那么, 存在唯一的V⁎的对偶基𝔅⁎={f1,…,fn}, 其满足fi⁡(αj)=δi,j. 对于每个V上的线性泛函f, 我们有 f= ∑ i=1 n f⁡ ( αi ) ⁢ fi 以及对于每个V中的α, 我们有 α= ∑ i=1 n fi ⁡ (α) ⁢ αi .
证明. 上面我们已经说明了存在唯一的基与𝔅"对偶". 如果f是一个V上的线性泛函, 那么f即是fi的某个线性组合, 并且我们观察到标量cj必然由cj=f⁡(αj)给出. 类似地, 如果 α= ∑ i=1 n xi ⁢ αi 是V的一个向量, 那么 fj ⁡ (α) = ∑ i=1 n xi ⁢ fj ⁡ ( αi ) = ∑ i=1 n xi ⁢ δ i,j = xj 因此α作为αi的线性组合的唯一表达为 α= ∑ i=1 n fi ⁡ (α) ⁢ αi .
◻

上面这个式子给我们提供了一种刻画对偶基的绝佳方式. 它是说, 如果𝔅={α1,…,αn}是V的一个有序基, 并且𝔅⁎={f1,…,fn}是其对偶基, 那么fi就恰是那个赋予V中的向量α相对于有序基𝔅的第i个坐标的函数. 因此, 我们也可以将fi称为𝔅的坐标函数. 定理15实际上告诉了我们以下事实: 如果f在V⁎中而令f⁡(αi)=ai, 那么当 α= x1 ⁢ α1 + ⋯+ xn ⁢ αn 时, 我们有 f⁡ (α) = a1 ⁢ x1 + ⋯+ an ⁢ xn . 换言之, 如果我们选定了V的一个有序基𝔅并描述V中的每个向量以其相对于𝔅的n元坐标组(x1,…,xn), 那么每个V上的线性泛函都具有f⁡(α)=a1⁢x1+⋯+an⁢xn的形式. 这是例子18的自然泛化, 其为V=Fn和𝔅={ε1,…,εn}的特别情形.

例子22. 令V是所有从ℝ到ℝ的次数小于等于2的多项式函数构成的向量空间, 令t1,t2,t3是三个不同的实数, 令 Li ⁡ (p) = p⁡ ( ti ) . 那么, L1,L2,L3是V上的线性泛函. 这些线性泛函是线性无关的, 因为若设 L= c1 ⁢ L1 + c2 ⁢ L2 + c3 ⁢ L3 当L=0时, 即对于每个V中的p都有L⁡(p)=0, 那么应用L于特定的多项式"函数"1,x,x2, 我们就得到 { c1 + c2 + c3 = 0 t1 ⁢ c1 + t2 ⁢ c2 + t3 ⁢ c3 = 0 t12 ⁢ c1 + t22 ⁢ c2 + t32 ⁢ c3 = 0 从中我们得到c1=c2=c3=0, 因为(根据简单的计算可知)矩阵 [ 1 1 1 t1 t2 t3 t12 t22 t32 ] 在t1,t2,t3互异时是可逆的. 既然Li是线性无关的并且V的维数是3, 这些泛函构成了V⁎的一个基. 它是什么V的基的对偶呢? 这样一个V的基{p1,p2,p3}必然满足 Li ⁡ ( pj ) = δ i,j 或者说 pj ⁡ ( ti ) = δ i,j . 很容易看出这些多项式函数应该是 p1 ⁡ (x) = ( x− t2 ) ⁢ ( x− t3 ) ( t1 − t2 ) ⁢ ( t1 − t3 ) , p2 ⁡ (x) = ( x− t1 ) ⁢ ( x− t3 ) ( t2 − t1 ) ⁢ ( t2 − t3 ) , p3 ⁡ (x) = ( x− t1 ) ⁢ ( x− t2 ) ( t3 − t1 ) ⁢ ( t3 − t2 ) . V的基{p1,p2,p3}是有趣的, 因为根据定理15, 对于每个V中的p我们有 p= p⁡ ( t1 ) ⁢ p1 + p⁡ ( t2 ) ⁢ p2 + p⁡ ( t3 ) ⁢ p3 . 因此, 如果c1,c2,c3是任意的实数, 那么恰存在唯一的ℝ上的次数至多为2的多项式函数p满足p⁡(tj)=cj,j=1,2,3. 这个多项式函数为p=c1⁢p1+c2⁢p2+c3⁢p3.

现在让我们来讨论线性泛函和子空间之间的关系. 如果f是一个非零的线性泛函, 那么f的秩就是1, 因为其像是标量域的非零子空间, 必然是标量域本身. 如果潜在的空间V是有限维的, 那么秩加零化度定理 (定理2) 告诉我们零空间Nf的维数 dim⁡ Nf = dim⁡V −1 .

在一个n维空间中, 具有n−1维的子空间被称为超空间. 这样的空间有时也被称为超平面或者余维数为1的子空间. 每个超空间都是某个线性泛函的零空间吗? 答案很容易看出来是yes. 而且, 证明以下事实也并不更加困难. n维空间的每个d维子空间都是(n−d)个线性泛函的零空间之交. (下面的定理16)

定义. 如果V是域F上的向量空间而S是V的一个子集, S的零化子S0是V上所有这样的线性泛函f构成的集合, 其对于每个S中的α有f⁡(α)=0.

读者应该很容易看出S0是V⁎的子空间, 不论S是否是V的子空间. 如果S仅包含零向量, 那么S0=V⁎. 如果S=V, 那么S0是V⁎的零子空间. (在V是有限维的情况下很容易看出来.)

定理16. 令V是域F上的有限维向量空间, 令W是V的子空间, 那么 dim⁡W + dim⁡ W0 = dim⁡V .
证明. 令k是W的维数而{α1,…,αk}是W的一个基. 选择V中向量αk+1,…,αn使得{α1,…,αn}是V的一个基. 令{f1,…,fn}是V⁎的基, 其对偶于这个V的基. 我们现在证明{fk+1,…,fn}是零化子W0的一个基. 显然对于i≥k+1我们知道fi属于W0, 因为 fi ⁡ ( αj ) = δ i,j 于是当i≥k+1且j≤k时有δi,j=0. 从中我们可知当α是α1,…,αk的线性组合时, 对于i≥k+1有fi⁡(α)=0. 因为泛函{fk+1,…,fn}是线性无关的, 所以剩下来我们必须要做的就是证明它们可以张成W0. 设f在V⁎中, 既然 f= ∑ i=1 n f⁡ ( αi ) ⁢ fi , 于是若f在W0中, 我们有f⁡(αi)=0对于i≤k成立, 那么 f= ∑ i= k+1 n f⁡ ( αi ) ⁢ fi . 我们证明了如果dim⁡W=k而dim⁡V=n, 那么dim⁡W0=n−k.
◻
推论. 如果W是n维向量空间V的k维子空间, 那么W是V中(n−k)个超空间之交.
证明. 这是定理16证明的推论而不是定理16本身的推论. 在这个证明的记号下, W恰是满足fi⁡(α)=0,i=k+1,…,n的所有向量α的集合. 在k=n−1的情形, W即是fn的零空间.
◻
推论. 如果W1和W2是某个有限维向量空间的子空间, 那么W1=W2当且仅当W10=W20.
证明. 如果W1=W2, 那么显然有W10=W20. 如果W1≠W2, 那么其中之一的子空间包含有不在另一个子空间的向量. 不妨设向量α在W2之中但不在W1中. 根据前面的推论 (或者定理16的证明), 存在一个线性泛函f满足对于所有的W1中β有f⁡(β)=0但f⁡(α)≠0, 那么f在W10之中但不在W20中, 即W10≠W20.
◻

接下来的一节我们将给出这两个推论的不同的证明. 第一个推论是说, 如果我们挑选了空间的某个有序基, 那么每个k维的子空间都可以由(n−k)个相对于基的坐标上的齐次线性条件刻画.

让我们从线性泛函的视角简要看看齐次线性方程组. 设我们有一个想要求解的齐次线性方程组 { A 1,1 ⁢ x1 + ⋯ + A 1,n ⁢ xn = 0 ⋮ ⋮ A m,1 ⁢ x1 + ⋯ + A m,n ⁢ xn = 0 如果我们令fi,i=1,…,m是由 fi ⁡ ( x1 ,…, xn ) = A i,1 ⁢ x1 + ⋯+ A i,n ⁢ xn 定义的Fn上的线性泛函, 那么其实我们就是在寻找一个Fn的子空间, 其由所有满足 fi ⁡ (α) =0 , i= 1,…,m 的α构成. 换言之, 我们在寻找被f1,…,fm零化的子空间. 对于系数矩阵进行行规约为我们提供了找出这个子空间的系统方法. n元组(Ai,1,…,Ai,n)给出了线性泛函fi相对于与Fn的标准基对偶的基的坐标. 系数矩阵的行空间因此可被视为由f1,…,fm张成的线性泛函的空间, 而解空间是被这个泛函的空间零化的子空间.

现在我们或许可以从"对偶"的角度看待线性方程组, 即给定Fn中的m个向量 αi = ( A i,1 ,…, A i,n ) 我们希望寻找由这些向量张成的子空间的零化子. 既然Fn上一个典型的线性泛函具有形式 f⁡ ( x1 ,…, xn ) = c1 ⁢ x1 + ⋯+ cn ⁢ xn 那么f在这个零化子之中的条件即 ∑ j=1 n A i,j ⁢ cj =0 , i= 1,…,m 换言之, (c1,…,cn)是线性方程组A⁢X=0的一个解. 从此观点来看, 行规约为我们提供了一种系统性的方法来寻找由给定的Fn的有限子集张成的子空间的零化子.

例子23. 现在我们给出ℝ4上的三个线性泛函: f1 ⁡ ( x1 , x2 , x3 , x4 ) = x1 + 2⁢ x2 + 2⁢ x3 + x4 f2 ⁡ ( x1 , x2 , x3 , x4 ) = 2⁢ x2 + x4 f3 ⁡ ( x1 , x2 , x3 , x4 ) = −2 ⁢ x1 − 4⁢ x3 + 3⁢ x4 它们所零化的子空间可以通过显式寻找矩阵 A= [ 1 2 2 1 0 2 0 1 −2 0 −4 3 ] 的行简化阶梯形式得到. 经过简单的计算, 或者看看第2章的例子21, 我们知道 R= [ 1 0 2 0 0 1 0 0 0 0 0 1 ] . 因此, 线性泛函 g1 ⁡ ( x1 , x2 , x3 , x4 ) = x1 + 2⁢ x3 g2 ⁡ ( x1 , x2 , x3 , x4 ) = x2 g3 ⁡ ( x1 , x2 , x3 , x4 ) = x4 与f1,f2,f3张成了相同的(ℝ4)⁎的子空间, 并且零化了相同的ℝ4的子空间. 被零化的子空间由所有满足 x1 = −2 ⁢ x3 , x2 = x4 =0 的向量构成.
例子24. 令W是由 α1 = ( 2, −2 ,3,4, −1 ) , α2 = ( −1 ,1,2,5,2 ) , α3 = ( 0,0, −1 , −2 ,3 ) , α4 = ( 1, −1 ,2,3,0 ) 张成的ℝ5的子空间. 人们该如何描述W0, 即W的零化子呢? 让我们构造一个以α1,α2,α3,α4为行向量的矩阵A, 并找出行等价于A的行简化阶梯矩阵R: A= [ 2 −2 3 4 −1 −1 1 2 5 2 0 0 −1 −2 3 1 −1 2 3 0 ] → R= [ 1 −1 0 −1 0 0 0 1 2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 ] . 如果f是ℝ5上的一个线性泛函: f⁡ ( x1 ,…, x5 ) = ∑ j=1 5 cj ⁢ xj 那么f在W0中当且仅当f⁡(αi)=0,i=1,2,3,4, 即当且仅当 ∑ j=1 5 A i,j ⁢ cj =0 , 1≤i≤4 . 这等价于 ∑ j=1 5 R i,j ⁢ cj =0 , 1≤i≤3 或者 c1 − c2 − c4 = 0 c3 + 2⁢ c4 = 0 c5 = 0 我们可以通过给c2和c4赋任意的值以得到所有这样的线性泛函f, 例如令c2=a和c4=b, 然后找出相应的c1=a+b,c3=−2⁢b,c5=0. 于是, W0由所有具有形式 f⁡ ( x1 , x2 , x3 , x4 , x5 ) = ( a+b ) ⁢ x1 + a⁢ x2 − 2⁢b⁢ x3 + b⁢ x4 的线性泛函f构成. W0的维数是2, 而W0的一个基{f1,f2}可由先令a=1,b=0再令a=0,b=1得到: f1 ⁡ ( x1 ,…, x5 ) = x1 + x2 f2 ⁡ ( x1 ,…, x5 ) = x1 − 2⁢ x3 + x4 上面W0中一般的f即f=a⁢f1+b⁢f2.
练习1. 在ℝ3中, 令α1=(1,0,1),α2=(0,1,−2),α3=(−1,−1,0).
  1. 如果f是ℝ3上满足 f⁡ ( α1 ) =1 , f⁡ ( α2 ) = −1 , f⁡ ( α3 ) =3 的线性泛函, 并且α=(a,b,c), 找出f⁡(α).
  2. 显式描述ℝ3上满足 f⁡ ( α1 ) = f⁡ ( α2 ) =0 但是 f⁡ ( α3 ) ≠0 的线性泛函f.
  3. 令f是任意的满足 f⁡ ( α1 ) = f⁡ ( α2 ) =0 并且 f⁡ ( α3 ) ≠0 的线性泛函. 如果α=(2,3,−1), 表明f⁡(α)≠0.
练习2. 令𝔅={α1,α2,α3}是ℂ3的基, 其由 α1 = ( 1,0, −1 ) , α2 = ( 1,1,1 ) , α3 = ( 2,2,0 ) 定义. 找出𝔅的对偶基.
练习3. 如果A和B是域F上的n×n矩阵, 证明trace⁡(A⁢B)=trace⁡(B⁢A), 接着证明相似矩阵有着相同的迹.
练习4. 令V是从ℝ到ℝ的所有次数小于等于2的多项式函数p: p⁡ (x) = c0 + c1 ⁢x + c2 ⁢ x2 构成的向量空间. 定义三个V上的线性泛函如下: f1 ⁡ (p) = ∫01 p⁡ (x) dx , f2 ⁡ (p) = ∫02 p⁡ (x) dx , f3 ⁡ (p) = ∫0 −1 p⁡ (x) dx . 证明{f1,f2,f3}是V的基, 通过找出以其为对偶的V的基.
练习5. 如果A和B是n×n的复矩阵, 证明A⁢B−B⁢A=I是不可能的.
练习6. 令m和n是正整数而F是一个域. 令f1,…,fm是Fn上的线性泛函. 对于Fn中的α, 定义 T⁡α = ( f1 ⁡ (α) ,…, fm ⁡ (α) ) . 证明T是一个从Fn到Fm的线性变换, 接着表明每个从Fn到Fm的线性变换都具有以上形式, 对于特定的f1,…,fm而言.
练习7. 令α1=(1,0,−1,2)和α2=(2,3,1,1), 令W是α1和α2张成的ℝ4的子空间. 哪些线性泛函f: f⁡ ( x1 , x2 , x3 , x4 ) = c1 ⁢ x1 + c2 ⁢ x2 + c3 ⁢ x3 + c4 ⁢ x4 在W的零化子之中呢?
练习8. 令W是ℝ5的子空间, 其由下列向量张成: α1 = ε1 + 2⁢ ε2 + ε3 , α2 = ε2 + 3⁢ ε3 + 3⁢ ε4 + ε5 , α3 = ε1 + 4⁢ ε2 + 6⁢ ε3 + 4⁢ ε4 + ε5 . 找出W0的一个基.
练习9. 令V是实数域上的所有2×2矩阵的向量空间, 令 B= [ 2 −2 −1 1 ] . 令W是V的子空间, 其由所有满足A⁢B=0的矩阵A构成. 令f是V上的线性泛函, 其在W的零化子之中. 设f⁡(I)=0且f⁡(C)=3, 其中I是2×2的恒等矩阵而 C= [ 0 0 0 1 ] . 找出f⁡(B).
练习10. 令F是复数域的一个子域. 我们通过 fk ⁡ ( x1 ,…, xn ) = ∑ j=1 n ( k−j ) ⁢ xj , 1≤k≤n 定义Fn上的n个线性泛函, 其中n≥2. 由f1,…,fn零化的子空间维数是多少呢?
练习11. 令W1和W2是有限维向量空间V的子空间.
  1. 证明(W1+W2)0=W10∩W20.
  2. 证明(W1∩W2)0=W10+W20.
练习12. 令V是域F上的一个有限维向量空间. 令W是V的一个子空间. 如果f是W上的线性泛函, 证明存在一个V上的线性泛函g满足对于每个W中的α有g⁡(α)=f⁡(α).
练习13. 令F是复数域的一个子域. 令V是域F上任意的向量空间. 设f和g是V上的线性泛函, 并且满足由h⁡(α)=f⁡(α)⁢g⁡(α)定义的函数h仍然是V上的线性泛函. 证明f=0或g=0.
练习14. 令F是特征为零的域. 令V是域F上的一个有限维向量空间. 如果α1,…,αm是V中有限多个向量, 并且每个都异于零向量, 证明存在V上的线性泛函f满足 f⁡ ( αi ) ≠0 , i= 1,…,m .
练习15. 根据练习3, 相似的矩阵拥有相同的迹. 因此, 我们可以将有限维空间上的线性算子的迹定义为其在任意有序基下的矩阵的迹. 这是良定的, 因为所有这样的表示矩阵都是相似的.
现在令V是域F上的2×2矩阵的向量空间, 令P是一个固定的2×2矩阵. 令T是由T⁡(A)=P⁢A定义的V上的线性算子. 证明trace⁡(T)=2⁢trace⁡(P).
练习16. 证明n×n矩阵上的迹泛函在以下意义上唯一. 如果W是域F上的n×n矩阵的空间, 如果f是W上满足对于W中的每个A和B有f⁡(A⁢B)=f⁡(B⁢A)的线性泛函, 那么f是迹函数的标量倍数. 另外, 如果f⁡(I)=n, 那么f就是迹函数.
练习17. 令W是域F上的n×n矩阵的空间. 令W0是由所有具有形式C=A⁢B−B⁢A的矩阵C张成的子空间. 证明W0恰好就是迹为零的矩阵构成的子空间. (提示: 迹为零的矩阵的空间的维数是什么? 使用矩阵"单元", 即恰具有一个非零元素的矩阵, 来构造足够多具有A⁢B−B⁢A形式的线性无关的矩阵.)

第3.6节 二次对偶

上一节我们还有一个没有回答的问题, 即是否每个V⁎的基都是某个V的基的对偶. 一种回答这个问题的方式是考虑V⁎⁎, 即V⁎的对偶空间.

如果α是V中的一个向量, 那么α导出了一个V⁎上的线性泛函, 即 Lα ⁡ (f) = f⁡ (α) , f∈ V⁎ . Lα是线性的这一事实不过就是对于V⁎中的线性泛函的定义的重述: Lα ⁡ ( c⁢f +g ) = ( c⁢f +g ) ⁡ (α) = ( c⁢f ) ⁡ (α) + g⁡ (α) = c⁢ f⁡ (α) + g⁡ (α) = c⁢ Lα ⁡ (f) + Lα ⁡ (g) 如果V是有限维的并且α≠0, 那么Lα≠0. 换言之, 存在线性泛函f满足f⁡(α)≠0. 证明非常简单, 在第3.5节已经给过了: 选择一个V的有序基𝔅={α1,…,αn}, 其中α1=α, 令f是赋予每个V中向量其在有序基𝔅下的坐标的第一分量的线性泛函. [译注: 换句话说, f即满足f⁡(α1)=1而f⁡(αi)=0,2≤i≤n的存在且唯一的那个线性泛函.]

定理17. 令V是域F上的一个有限维向量空间. 对于每个V中的向量α, 定义 Lα ⁡ (f) = f⁡ (α) , f∈ V⁎ . 映射α↦Lα是一个从V到V⁎⁎的同构.
证明. 我们已经证明过对于每个α函数Lα是线性的了. 设α和β在V中而c在F中, 令γ=c⁢α+β, 那么对于V⁎中的每个f有 Lγ ⁡ (f) = f⁡ (γ) = f⁡ ( c⁢α +β ) = c⁢ f⁡ (α) + f⁡ (β) = c⁢ Lα ⁡ (f) + Lβ ⁡ (f) = ( c⁢ Lα + Lβ ) ⁡ (f) 于是 Lγ = c⁢ Lα + Lβ . 这表明映射α↦Lα是一个从V到V⁎⁎的线性变换. 这个变换是非奇异的, 因为根据之前的评注, Lα=0当且仅当α=0. 既然α↦Lα是从V到V⁎⁎的非奇异的线性变换, 并且 dim⁡ V⁎⁎ = dim⁡ V⁎ = dim⁡V 定理9告诉我们这个变换是可逆的, 因而是一个从V到V⁎⁎的同构.
◻
推论. 令V是域F上的一个有限维向量空间. 如果L是V的对偶空间V⁎上的一个线性泛函, 那么V中存在唯一的向量α满足 L⁡ (f) = f⁡ (α) 对于V⁎中的每个f成立.
推论. 令V是域F上的一个有限维向量空间. 每个V⁎的基都是某个V的基的对偶.
证明. 令𝔅⁎={f1,…,fn}是V⁎的一个基. 根据定理15, 存在V⁎⁎的一个基{L1,…,Ln}满足 Li ⁡ ( fj ) = δ i,j . 使用上面的推论, 对于每个i存在V中唯一的向量αi满足 Li ⁡ (f) = f⁡ ( αi ) 对于V⁎中的每个f成立, 即Li=Lαi. 立刻就能得到{α1,…,αn}是V的一个基, 并且𝔅⁎是这个基的对偶.
◻

在定理17的观点下, 我们通常将α和Lα视为等同的, 并称V"是"V⁎的对偶空间或者说空间V和V⁎自然地相互对偶. 上面的推论中, 我们描述了该定理是怎样可能有用的. 下面我们给出更进一步的刻画.

如果E是V⁎的一个子集, 那么零化子E0(从技术上说)是V⁎⁎的一个子集. 如果我们选择如定理17那样将V和V⁎⁎视为等同的, 那么E0是一个V的一个子空间, 即所有满足对于每个E中的f有f⁡(α)=0的V中向量α构成的集合. 在定理16的一个推论中我们注意到每个子空间W是由其零化子W0决定的. 然而是怎样决定的呢? 答案是W是被所有W0中的f零化的子空间 [译注: 这个也是定理16的推论], 即所有W0中的f的零空间之交. 在我们现有的零化子的记号下, 这个定理可以被简单地陈述为: W=(W0)0.

定理18. 如果S是有限维向量空间V的子集, 那么(S0)0是由S张成的子空间.
证明. 令W是由S张成的子空间. 显然W0=S0. 因此, 我们要证明的是W=W00. 我们已经给出了一个证明, 现在我们给出另一个. 根据定理16, 我们有 dim⁡W + dim⁡ W0 = dim⁡V , dim⁡ W0 + dim⁡ W00 = dim⁡ V⁎ 既然dim⁡V=dim⁡V⁎, 于是 dim⁡W = dim⁡ W00 . 因为W是W00的子空间, 所以我们知道W=W00.
◻

本节的结果对于任意的向量空间也是成立的. 然而, 证明就需要使用所谓的选择公理 (Axiom of Choice). 我们想避免被卷入对于这个公理的冗长讨论之中, 所以我们不会对于一般的向量空间处理零化子的结果. 然而, 有两个关于一般向量空间上的线性泛函的结果是如此基本, 以至于我们要涵盖它们.

令V是一个向量空间. 我们想要定义V中的超空间. 除非V是有限维的, 否则我们不能通过维数来定义超空间. 但是, 我们可以用以下的方式来表达一个空间N差一个维度就能填满V的想法:

  1. N是V的一个真子空间;
  2. 如果W是一个包含N的子空间, 那么要么W=N要么W=V.
条件1和2表达了N是一个真子空间并且没有更大的真子空间, 换言之, N是极大的真子空间.

定义. 如果V是一个向量空间, 那么V中的一个超空间就是V的一个极大的真子空间.
定理19. 如果f是向量空间V上的一个非零的线性泛函, 那么f的零空间就是V中的一个超空间. 反过来说, 每个V中的超空间都是某个V上(并不唯一的)非零的线性泛函的零空间.
证明. 令f是V上一个非零的线性泛函, 并且Nf是其零空间. 我们令α是一个不在Nf中的V的向量, 即一个满足f⁡(α)≠0的向量. 我们将证明V中的每个向量都在Nf和α张成的子空间之中. 这个子空间由所有具有形式 γ+ c⁢α , γ∈ Nf , c∈F 的向量构成. 令β是V中的向量, 定义 c= f⁡ (β) f⁡ (α) 这个定义是合理的, 因为f⁡(α)≠0. 那么, γ=β−c⁢α在Nf之中, 因为 f⁡ (γ) = f⁡ ( β− c⁢α ) = f⁡ (β) − c⁢ f⁡ (α) = 0 于是β在由Nf和α张成的子空间中.
现在令N是V中的一个超空间. 固定α为某个不在N中的向量. 既然N是极大的真子空间, 那么由N和α张成的子空间就是整个空间V. 因此, 每个V中的向量β都具有形式 β= γ+ c⁢α , γ∈N , c∈F . 向量γ和标量c是由β唯一确定的. 如果我们也有 β= γ′ + c′ ⁢α , γ′ ∈N , c′ ∈F , 那么 ( c′ −c ) ⁢α = γ− γ′ . 如果c′−c≠0, 那么α就应该在N中了, 因而有c′=c且γ′=γ. 另一种表述这个结论的方式如下: 如果β在V中, 那么存在唯一的标量c使得β−c⁢α在N中. 称这个标量为g⁡(β). 很容易看出来g是V上的一个线性泛函并且N是g的零空间.
◻
引理. 如果f和g是一个向量空间V上的线性泛函, 那么g是f的标量倍数当且仅当g的零空间包含f的零空间, 即当且仅当f⁡(α)=0可以推出g⁡(α)=0.
证明. 如果f=0, 那么也有g=0, g平凡地是f的标量倍数. 设f≠0, 于是其零空间Nf是V中的一个超空间. 选择V中的某个向量α使得f⁡(α)≠0, 并且令 c= g⁡ (α) f⁡ (α) . 线性泛函h=g−c⁢f在Nf上是0, 因为f和g在其上都是0. 并且, 我们还有h⁡(α)=g⁡(α)−c⁢f⁡(α)=0. 因此, h在由Nf和α张成的子空间上都是0, 而这个子空间就是V. 于是, 我们得出结论h=0, 即g=c⁢f.
◻
定理20. 令g,f1,…,fr是向量空间V上的线性泛函, 设其相应的零空间分别为N,N1,…,Nr. 那么, g是f1,…,fr的线性组合当且仅当 (if and only if) N包含交集N1∩⋯∩Nr.
证明. 如果g=c1⁢f1+⋯+cr⁢fr且对于每个i有fi⁡(α)=0, 那么显然g⁡(α)=0. 因此, N包含N,N1,…,Nr.
我们将通过数字r上的归纳证明另一个方向 (定理的"if"一半). 之前的引理处理了r=1的情况. 设我们已知结果对于r=k−1成立, 并且令f1,…,fk是分别以N1,…,Nk为零空间的线性泛函, 满足N1∩⋯∩Nk是N的子集, N即g的零空间. 令g′,f1′,…,fk−1′分别是g,f1,…,fk−1于子空间Nk上的限制, 那么g′,f1′,…,fk−1′是向量空间Nk上的线性泛函. 而且, 如果α是一个Nk中的向量并有fi′⁡(α)=0,i=1,…,k−1, 那么α在N1∩⋯∩Nk之中, 因而有g′⁡(α)=0. 根据归纳 (r=k−1的情形), 存在标量ci满足 g′ = c1 ⁢ f1′ + ⋯+ c k−1 ⁢ f k−1 ′ . 现在令 h= g− ∑ i=1 k−1 ci ⁢ fi , 那么h是一个V上的线性泛函, 并且h的定义告诉我们对于每个Nk中的α有h⁡(α)=0. 根据之前的引理, h是fk的一个标量倍数. 如果h=ck⁢fk, 那么 g= ∑ i=1 k ci ⁢ fi .
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练习1. 令n是一个正整数而F是一个域. 令W是Fn中所有满足x1+⋯+xn=0的(x1,…,xn)构成的集合.
  1. 证明W0由所有具有形式 f⁡ ( x1 ,…, xn ) = c⁢ ∑ j=1 n xj 的线性泛函f构成.
  2. 证明W的对偶空间W⁎可被"自然地"等同为Fn上所有满足c1+⋯+cn=0的线性泛函 f⁡ ( x1 ,…, xn ) = c1 ⁢ x1 + ⋯+ cn ⁢ xn 构成的集合.
练习2. 运用定理20来证明以下事实. 如果W是一个有限维向量空间V的子空间, 并且如果{g1,…,gr}是W0任意的基, 那么 W= ⋂ i=1 r N gi .
练习3. 令S是一个集合, F是一个域, 以及V⁡(S;F)是所有从S到F的函数构成的空间: ( f+g ) ⁡ (x) = f⁡ (x) + g⁡ (x) , ( c⁢f ) ⁡ (x) = c⁢ f⁡ (x) . 令W是V⁡(S;F)任意的n维子空间. 证明存在S中的点x1,…,xn和W中的函数f1,…,fn满足fi⁡(xj)=δi,j.

第3.7节 线性变换的转置

设我们有两个域F上的向量空间V和W, 以及一个从V到W的线性变换T, 那么T按照以下方式导出了一个从W⁎到V⁎的线性变换. 设g是W上的一个线性泛函, 对于每个V中的α, 令 f⁡ (α) = g⁡ ( T⁡α ) 那么这就定义了一个从V到F的函数f, 即T (一个从V到W的函数) 与g (一个从W到F的函数) 相复合. 既然T和g都是线性的, 那么定理6告诉我们f也是线性的, 即f是一个V上的线性泛函. 因此, T给我们提供了一个规则Tt, 其为每个W上的线性泛函g赋一个V上的线性泛函f=Tt⁡g, 如上面的式子所定义的那样. 读者也应该注意到Tt实际上是一个从W⁎到V⁎的线性变换, 因为如果g1和g2在W⁎中而c是一个标量, 那么 [ Tt ⁡ ( c⁢ g1 + g2 ) ] ⁡ (α) = ( c⁢ g1 + g2 ) ⁡ ( T⁡α ) = c⁢ g1 ⁡ ( T⁡α ) + g2 ⁡ ( T⁡α ) = c⁢ ( Tt ⁡ g1 ) ⁡ (α) + ( Tt ⁡ g2 ) ⁡ (α) 于是Tt⁡(c⁢g1+g2)=c⁢Tt⁡g1+Tt⁡g2. 让我们总结一下.

定理21. 令V和W是域F上的向量空间. 对于每个从V到W的线性变换, 存在唯一的从W⁎到V⁎的线性变换Tt满足 ( Tt ⁡g ) ⁡ (α) = g⁡ ( T⁡α ) 对于每个W⁎中的g和V中的α成立.

我们将称Tt为T的转置. 这个变换Tt也常被称作T的伴随. 然而, 我们不会使用这个术语.

定理22. 令V和W是域F上的向量空间, T是一个从V到W的线性变换. Tt的零空间是T的像的零化子. 如果V和W是有限维的, 那么
  1. rank⁡(Tt)=rank⁡(T);
  2. Tt的像是T的零空间的零化子.
证明. 如果g在W⁎中, 那么根据定义有 ( Tt ⁡g ) ⁡ (α) = g⁡ ( T⁡α ) 对于每个V中的α成立. g在Tt的零空间之中的意思是对于每个V中的α有g⁡(T⁡α)=0. 因此, Tt的零空间就恰是T的像的零化子.
设V和W是有限维的, 比如说dim⁡V=n和dim⁡W=m. 对于i: 令r是T的秩, 即T的像的维数. 根据定理16, T的像的零化子的维数是(m−r). 根据这个定理的第一条陈述, 我们知道Tt的零化度必然是(m−r). 但是如果这样的话, 既然Tt是一个m维空间上的线性变换, 那么Tt的秩就应该是m−(m−r)=r, 于是T和Tt有着相同的秩. 对于ii: 令N是T的零空间. 每个Tt的像之中的线性泛函都在N的零化子之中, 因为若设对于某个W⁎中的g有f=Tt⁡g, 那么如果α在N中, 有 f⁡ (α) = ( Tt ⁡g ) ⁡ (α) = g⁡ ( T⁡α ) = g⁡ (0) =0 . 现在我们知道Tt的像是空间N0的一个子空间, 并且 dim⁡ N0 = n− dim⁡N = rank⁡ (T) = rank⁡ ( Tt ) 于是Tt的像必然就恰是N0.
◻
定理23. 令V和W是域F上的有限维向量空间. 令𝔅是V的一个有序基, 其对偶基是𝔅⁎. 令𝔅′是W的一个有序基, 其对偶基是𝔅′⁎. 令T是一个从V到W的线性变换, 令A是T相对于𝔅和𝔅′的矩阵. 令B是Tt相对于𝔅′⁎和𝔅⁎的矩阵, 那么Bi,j=Aj,i.
证明. 令 𝔅= { α1 ,…, αn } , 𝔅′ = { β1 ,…, βm } , 𝔅⁎ = { f1 ,…, fn } , 𝔅′ ⁎ = { g1 ,…, gm } . 根据定义, T⁡ αj = ∑ i=1 m A i,j ⁢ βi , j= 1,…,n , Tt ⁡ gj = ∑ i=1 n B i,j ⁢ fi , j= 1,…,m . 另一方面, ( Tt ⁡ gj ) ⁡ ( αi ) = gj ⁡ ( T⁡ αi ) = gj ⁡ ( ∑ k=1 m A k,i ⁢ βk ) = ∑ k=1 m A k,i ⁢ gj ⁡ ( βk ) = ∑ k=1 m A k,i ⁢ δ j,k = A j,i 对于V上任意的线性泛函f我们有 f= ∑ i=1 n f⁡ ( αi ) ⁢ fi . 如果我们将此公式应用于泛函f=Tt⁡gj并运用(Tt⁡gj)⁡(αi)=Aj,i的事实, 那么我们有 Tt ⁡ gj = ∑ i=1 n A j,i ⁢ fi 从中立即可以得出Bi,j=Aj,i.
◻
定义. 如果A是域F上的一个m×n矩阵, 那么A的转置At是由Ai,jt=Aj,i定义的n×m矩阵.

定理23是说如果T是一个从V到W的线性变换, 其在某对有序基下的矩阵是A, 那么转置变换Tt在与之对偶的一对有序基下由转置矩阵At表示.

定理24. 令A是域F上任意的m×n矩阵, 那么A的行秩等于A的列秩.
证明. 令𝔅是Fn的标准有序基, 𝔅′是Fm的标准有序基. 令T是从Fn到Fm的线性变换, 其相对于𝔅和𝔅′的矩阵是A, 即 T⁡ ( x1 ,…, xn ) = ( y1 ,…, ym ) 其中 yi = ∑ j=1 n A i,j ⁢ xj . A的列秩等于变换T的秩, 因为T的像由所有这样的m元组构成, 其是A的列向量的线性组合. [译注: 在同构的意义下]
相对于对偶基𝔅′⁎和𝔅⁎, 转置变换Tt由矩阵At表示. 既然At的列即A的行, 以相同的推理我们看出A的行秩 (At的列秩) 等于Tt的秩. 根据定理22, T和Tt有着相同的秩, 因此A的行秩等于A的列秩.
◻

现在我们知道如果A是一个域F的m×n矩阵而T是一个按照以上方式定义的从Fn到Fm的线性变换, 那么 rank⁡ (T) = row-rank⁡ (A) = column-rank⁡ (A) . 我们将简单地称这个数字为A的秩.

例子25. 这个例子是一般性质的——与其说是例子, 不如说是讨论. 令V是域F上的一个n维向量空间, 令T是V上的一个线性变换. 设𝔅={α1,…,αn}是V的一个有序基. T在有序基𝔅下的矩阵被定义为n×n矩阵A, 即 T⁡ αj = ∑ i=1 n A i,j ⁢ αi . 换言之, Ai,j是向量T⁡αj在有序基𝔅下的第i个坐标. 如果{f1,…,fn}是𝔅的对偶基的话, 这可以被简单地陈述为 A i,j = fi ⁡ ( T⁡ αj ) . 让我们看看若改变基会发生什么. 设 𝔅′ = { α1′ ,…, αn′ } 是V的另一个有序基, 其对偶基是{f1′,…,fn′}. 如果B是T在有序基𝔅′下的矩阵, 那么 B i,j = fi′ ⁡ ( T⁡ αj′ ) . 令U是满足U⁡αj=αj′的可逆线性算子, 那么U的转置由Ut⁡fi′=fi给出. 读者很容易验证如果U是可逆的, 那么Ut和(Ut)−1=(U−1)t也是可逆的. 因此, fi′=(U−1)t⁡fi,i=1,…,n. 于是, B i,j = fi′ ⁡ ( T⁡ αj′ ) = [ ( U −1 ) t ⁡ fi ] ⁡ ( T⁡ αj′ ) = fi ⁡ ( U −1 ⁡ T⁡ αj′ ) = fi ⁡ ( U −1 ⁡ T⁡ U⁡ αj ) 那么这说明了什么呢? 嗯, fi⁡(U−1⁡T⁡U⁡αj)是U−1⁢T⁢U在有序基𝔅下的矩阵的第i行j列元素. 上面的计算表明这个标量也是T在有序基𝔅′下的第i行j列元素. 换句话说, [T] 𝔅′ = [ U −1 ⁢T⁢U ] 𝔅 = [ U −1 ] 𝔅 ⁢ [T] 𝔅 ⁢ [U] 𝔅 = [U] 𝔅 −1 ⁢ [T] 𝔅 ⁢ [U] 𝔅 而这恰好就是我们之前推导出来的基变换公式.
练习1. 令F是一个域, 令f是F2上由f⁡(x1,x2)=a⁢x1+b⁢x2定义的线性泛函. 对于以下的每个线性算子T, 令g=Tt⁡f, 找出g⁡(x1,x2).
  1. T⁡(x1,x2)=(x1,0);
  2. T⁡(x1,x2)=(−x2,x1);
  3. T⁡(x1,x2)=(x1−x2,x1+x2).
练习2. 令V是实数域上的多项式函数的向量空间. 令a和b是固定的实数, 令f是V上由 f⁡ (p) = ∫ab p⁡ (x) dx 定义的线性泛函. 如果D是V上的微分算子, 那么Dt⁡f是什么呢?
练习3. 令A是域F上n×n矩阵的向量空间, 令B是一个固定的n×n矩阵. 如果T是V上由T⁡(A)=A⁢B−B⁢A定义的线性算子, f是迹函数, 那么Tt⁡f是什么呢?
练习4. 令V是域F上的一个有限维向量空间, 令T是V上的一个线性算子. 令c是一个标量, 设V中存在非零的向量α使得T⁡α=c⁢α. 证明V上存在一个非零的线性泛函f使得Tt⁡f=c⁢f.
练习5. 令A是ℝ上的m×n矩阵. 证明A=0当且仅当trace⁡(At⁢A)=0.
练习6. 令n是一个正整数, 令V是实数域上次数不超过n的多项式函数构成的向量空间, 即所有具有形式 f⁡ (x) = c0 + c1 ⁢x +⋯+ cn ⁢ xn 的函数构成的空间. 令D是V上的微分算子. 找出转置算子Dt的零空间的一个基.
练习7. 令V是域F上的一个有限维向量空间. 证明T↦Tt是一个从L⁡(V,V)到L⁡(V⁎,V⁎)的同构.
练习8. 令V是域F上的n×n矩阵构成的向量空间.
  1. 如果B是一个固定的n×n矩阵, 以fB⁡(A)=trace⁡(Bt⁢A)定义一个V上的函数fB. 证明fB是V上的一个线性泛函.
  2. 证明每个V上的线性泛函都具有以上形式, 即是某个B下的fB.
  3. 证明B↦fB是一个从V到V⁎的同构.