Lineárne priestory. Podpriestormi
Keď sme preskúmali koncepty n-rozmerného vektora a zaviedli operácie s vektormi, zistili sme, že množina všetkých n-rozmerných vektorov generuje lineárny priestor. V tomto článku si povieme o najdôležitejších súvisiacich pojmoch – rozmer a základ vektorového priestoru. Budeme uvažovať aj o vete o expanzii ľubovoľného vektora do bázy a súvislosti medzi rôznymi bázami n-rozmerného priestoru. Pozrime sa podrobne na riešenia typických príkladov.
Navigácia na stránke.
Pojem dimenzie vektorového priestoru a bázy.
Pojmy dimenzia a báza vektorového priestoru priamo súvisia s pojmom lineárne nezávislý systém vektorov, preto v prípade potreby odporúčame odkázať na článok lineárna závislosť sústavy vektorov, vlastnosti lineárnej závislosti a nezávislosti .
Definícia.
Rozmer vektorového priestoru je číslo rovné maximálnemu počtu lineárne nezávislých vektorov v tomto priestore.
Definícia.
Vektorový priestorový základ je usporiadaná množina lineárne nezávislých vektorov tohto priestoru, ktorých počet sa rovná rozmeru priestoru.
Uveďme nejaké úvahy založené na týchto definíciách.
Uvažujme priestor n-rozmerných vektorov.
Ukážme, že rozmer tohto priestoru je n.
Zoberme si systém n jednotkových vektorov tvaru
Zoberme si tieto vektory ako riadky matice A. V tomto prípade bude matica A maticou identity rozmeru n x n. Hodnosť tejto matice je n (v prípade potreby pozri článok). Preto systém vektorov 
je lineárne nezávislý a do tohto systému nemožno pridať ani jeden vektor bez narušenia jeho lineárnej nezávislosti. Od počtu vektorov v systéme rovná sa teda n rozmer priestoru n-rozmerných vektorov je n a jednotkových vektorov sú základom tohto priestoru.
Z posledného tvrdenia a definície základu môžeme usúdiť, že akýkoľvek systém n-rozmerných vektorov, ktorých počet je menší ako n, nie je základom.
Teraz si vymeníme prvý a druhý vektor systému . Je ľahké ukázať, že výsledný systém vektorov 
je tiež základom n-rozmerného vektorového priestoru. Vytvorme maticu tak, že vektory tohto systému vezmeme ako jej riadky. Túto maticu možno získať z matice identity prehodením prvého a druhého riadku, takže jej poradie bude n. Teda systém n vektorov je lineárne nezávislý a je základom n-rozmerného vektorového priestoru.
Ak preusporiadame ostatné vektory sústavy , potom dostaneme ďalší základ.
Ak vezmeme lineárne nezávislý systém nejednotkových vektorov, potom je tiež základom n-rozmerného vektorového priestoru.
teda vektorový priestor dimenzie n má toľko báz, koľko je lineárne nezávislých systémov n n-rozmerných vektorov.
Ak hovoríme o dvojrozmernom vektorovom priestore (teda o rovine), tak jeho základom sú ľubovoľné dva nekolineárne vektory. Základom trojrozmerného priestoru sú ľubovoľné tri nekoplanárne vektory.
Pozrime sa na niekoľko príkladov.
Príklad.
Sú vektory základom trojrozmerného vektorového priestoru?
Riešenie.
Preskúmajme tento systém vektorov pre lineárnu závislosť. Ak to chcete urobiť, vytvorte maticu, ktorej riadky budú súradnicami vektorov, a nájdite jej poradie: 
Vektory a, b a c sú teda lineárne nezávislé a ich počet sa rovná rozmeru vektorového priestoru, preto sú základom tohto priestoru.
odpoveď:
Áno sú.
Príklad.
Môže byť systém vektorov základom vektorového priestoru?
Riešenie.
Tento systém vektorov je lineárne závislý, pretože maximálny počet lineárne nezávislých trojrozmerných vektorov je tri. Tento systém vektorov teda nemôže byť základom trojrozmerného vektorového priestoru (hoci základom je podsystém pôvodného systému vektorov).
odpoveď:
Nie on nemôže.
Príklad.
Uistite sa, že vektory 
môže byť základom štvorrozmerného vektorového priestoru.
Riešenie.
Vytvorme maticu tak, že vezmeme pôvodné vektory ako jej riadky: 
Poďme nájsť: 
Sústava vektorov a, b, c, d je teda lineárne nezávislá a ich počet sa rovná rozmeru vektorového priestoru, preto sú a, b, c, d jej základom.
odpoveď:
Pôvodné vektory sú skutočne základom štvorrozmerného priestoru.
Príklad.
Tvoria vektory základ vektorového priestoru dimenzie 4?
Riešenie.
Aj keď je pôvodný systém vektorov lineárne nezávislý, počet vektorov v ňom nestačí na to, aby bol základom štvorrozmerného priestoru (základ takéhoto priestoru tvoria 4 vektory).
odpoveď:
Nie, nie.
Rozklad vektora podľa bázy vektorového priestoru.
Nechať ľubovoľné vektory sú základom n-rozmerného vektorového priestoru. Ak k nim pridáme nejaký n-rozmerný vektor x, tak výsledná sústava vektorov bude lineárne závislá. Z vlastností lineárnej závislosti vieme, že aspoň jeden vektor lineárne závislého systému je lineárne vyjadrený cez ostatné. Inými slovami, aspoň jeden z vektorov lineárne závislého systému je rozšírený do zostávajúcich vektorov.
To nás privádza k veľmi dôležitej vete.
Veta.
Akýkoľvek vektor n-rozmerného vektorového priestoru možno jednoznačne rozložiť na základ.
Dôkaz.
Nechaj - základ n-rozmerného vektorového priestoru. K týmto vektorom pridajme n-rozmerný vektor x. Potom bude výsledný systém vektorov lineárne závislý a vektor x možno lineárne vyjadriť pomocou vektorov : , kde sú nejaké čísla. Takto sme získali rozšírenie vektora x vzhľadom na základ. Zostáva dokázať, že tento rozklad je jedinečný.
Predpokladajme, že existuje ďalší rozklad, kde 
- nejaké čísla. Odpočítajme od ľavej a pravej strany poslednej rovnosti ľavú a pravú stranu rovnosti:
Keďže systém bázových vektorov je lineárne nezávislá, potom podľa definície lineárnej nezávislosti sústavy vektorov je výsledná rovnosť možná len vtedy, keď sú všetky koeficienty rovné nule. Preto , čo dokazuje jedinečnosť rozkladu vektora vzhľadom na bázu.
Definícia.
Koeficienty sa nazývajú súradnice vektora x v zákl .
Po oboznámení sa s teorémou o rozklade vektora na bázu začíname chápať podstatu výrazu „dostali sme n-rozmerný vektor 
" Tento výraz znamená, že uvažujeme o vektore x n -rozmerného vektorového priestoru, ktorého súradnice sú špecifikované v nejakom základe. Zároveň chápeme, že ten istý vektor x v inej báze n-rozmerného vektorového priestoru bude mať súradnice odlišné od .
Uvažujme o nasledujúcom probléme.
Dajme nám systém n lineárne nezávislých vektorov v nejakej báze n-rozmerného vektorového priestoru 
a vektor . Potom vektory sú tiež základom tohto vektorového priestoru.
Potrebujeme nájsť súradnice vektora x v základe . Označme tieto súradnice ako .
Vektor x v základe má nápad. Napíšme túto rovnosť v súradnicovom tvare:
Táto rovnosť je ekvivalentná systému n lineárnych algebraických rovníc s n neznámymi premennými :
Hlavná matica tohto systému má tvar 
Označme ho písmenom A. Stĺpce matice A predstavujú vektory lineárne nezávislého systému vektorov , takže poradie tejto matice je n, teda jej determinant je nenulový. Táto skutočnosť naznačuje, že sústava rovníc má jedinečné riešenie, ktoré možno nájsť akoukoľvek metódou, napr.
Takto sa nájdu potrebné súradnice vektor x v zákl .
Pozrime sa na teóriu pomocou príkladov.
Príklad.
V nejakom základe trojrozmerného vektorového priestoru sú vektory 
Uistite sa, že systém vektorov je tiež základom tohto priestoru a nájdite súradnice vektora x v tomto základe.
Riešenie.
Aby bol systém vektorov základom trojrozmerného vektorového priestoru, musí byť lineárne nezávislý. Zistime to určením hodnosti matice A, ktorej riadky sú vektory. Poďme nájsť poradie pomocou Gaussovej metódy 
preto Rank(A) = 3, čo ukazuje lineárnu nezávislosť systému vektorov.
Základom sú teda vektory. Nech má vektor x súradnice v tomto základe. Potom, ako sme si ukázali vyššie, vzťah medzi súradnicami tohto vektora je daný sústavou rovníc 
Nahradením hodnôt známych z podmienky do nej získame 
Poďme to vyriešiť Cramerovou metódou: 
Vektor x v základe má teda súradnice 
.
odpoveď:
Príklad.
Na nejakom základe 
štvorrozmerného vektorového priestoru je daný lineárne nezávislý systém vektorov 
To je známe 
. Nájdite súradnice vektora x v základe .
Riešenie.
Keďže systém vektorov 
lineárne nezávislý podľa podmienky, potom je základom štvorrozmerného priestoru. Potom rovnosť znamená, že vektor x v zákl má súradnice. Označme súradnice vektora x v základe Ako .
Systém rovníc definujúcich vzťah medzi súradnicami vektora x v bázach A vyzerá ako 
Dosadíme do nej známe hodnoty a nájdeme požadované súradnice: 
odpoveď:
.
Vzťah medzi základňami.
Nech sú v nejakej báze n-rozmerného vektorového priestoru dané dva lineárne nezávislé systémy vektorov 
A
to znamená, že sú tiež základmi tohto priestoru.
Ak 
- súradnice vektora v zákl , potom súradnicové spojenie 
A je daný sústavou lineárnych rovníc (hovorili sme o tom v predchádzajúcom odseku): 
, ktorý v maticovom tvare možno zapísať ako 
Podobne pre vektor môžeme písať 
Predchádzajúce maticové rovnosti je možné spojiť do jednej, ktorá v podstate definuje vzťah medzi vektormi dvoch rôznych báz 
Podobne môžeme vyjadriť všetky bázové vektory cez základ 
:
Definícia.
Matrix 
volal prechodová matica od základu do základne , potom je rovnosť pravdivá 
Vynásobením oboch strán tejto rovnosti sprava
dostaneme 
Poďme nájsť prechodovú maticu, ale nebudeme sa podrobne zaoberať hľadaním inverznej matice a násobením matíc (pozri články a ak je to potrebné): 
Zostáva zistiť vzťah medzi súradnicami vektora x v daných bázach.
Nech má teda vektor x súradnice v základe 
a v základe má vektor x súradnice , teda 
Keďže ľavé strany posledných dvoch rovníc sú rovnaké, môžeme dať rovnítko medzi pravé strany: 
Ak vynásobíme obe strany napravo o
potom dostaneme 
Na druhej strane 
(nájdite si inverznú maticu sami).
Posledné dve rovnosti nám dávajú požadovaný vzťah medzi súradnicami vektora x v základoch a .
odpoveď:
Matica prechodu od základu k základu má tvar 
;
súradnice vektora x v bázach a súvisia vzťahmi 
alebo .
Preskúmali sme koncepty dimenzie a bázy vektorového priestoru, naučili sme sa rozložiť vektor na bázu a objavili sme spojenie medzi rôznymi bázami n-rozmerného vektorového priestoru cez prechodovú maticu.
Lineárny priestor V sa nazýva n-rozmerný, ak je v ňom sústava n lineárne nezávislých vektorov a ľubovoľná sústava viacerých vektorov je lineárne závislá. Volá sa číslo n dimenzia (počet dimenzií) lineárny priestor V a označuje sa \operatorname(dim)V. Inými slovami, rozmer priestoru je maximálny počet lineárne nezávislých vektorov tohto priestoru. Ak takéto číslo existuje, potom sa priestor nazýva konečnorozmerný. Ak pre ľubovoľné prirodzené číslo n v priestore V existuje systém pozostávajúci z n lineárne nezávislých vektorov, potom sa takýto priestor nazýva nekonečno-rozmerný (napíšte: \operatorname(dim)V=\infty). V nasledujúcom texte, pokiaľ nie je uvedené inak, sa budú brať do úvahy konečne-dimenzionálne priestory.
Základ N-rozmerný lineárny priestor je usporiadaná kolekcia n lineárne nezávislých vektorov ( bázové vektory).
Veta 8.1 o expanzii vektora z hľadiska bázy. Ak je základom n-rozmerného lineárneho priestoru V, potom akýkoľvek vektor \mathbf(v)\in V môže byť reprezentovaný ako lineárna kombinácia základných vektorov:
\mathbf(v)=\mathbf(v)_1\cdot \mathbf(e)_1+\mathbf(v)_2\cdot \mathbf(e)_2+\ldots+\mathbf(v)_n\cdot \mathbf(e)_n
a navyše jediným spôsobom, t.j. kurzov \mathbf(v)_1, \mathbf(v)_2,\ldots, \mathbf(v)_n sú určené jednoznačne. Inými slovami, akýkoľvek vektor priestoru môže byť rozšírený na základ a navyše jedinečným spôsobom.
V skutočnosti sa rozmer priestoru V rovná n. Vektorový systém \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n lineárne nezávislé (toto je základ). Po pridaní ľubovoľného vektora \mathbf(v) k základu dostaneme lineárne závislý systém \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n, \mathbf(v)(keďže tento systém pozostáva z (n+1) vektorov n-rozmerného priestoru). Pomocou vlastnosti 7 lineárne závislých a lineárne nezávislých vektorov získame záver vety.
Dôsledok 1. Ak \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n je základom priestoru V, teda V=\názov operátora(Lin) (\mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2, \ldots,\mathbf(e)_n), t.j. lineárny priestor je lineárny rozsah základných vektorov.
V skutočnosti na dôkaz rovnosti V=\názov operátora(Lin) (\mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2, \ldots, \mathbf(e)_n) dve sady, stačí ukázať, že inklúzie V\subset \operatorname(Lin)(\mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2, \ldots,\mathbf(e)_n) a vykonávajú sa súčasne. Na jednej strane totiž každá lineárna kombinácia vektorov v lineárnom priestore patrí do samotného lineárneho priestoru, t.j. \operatorname(Lin)(\mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n)\podmnožina V. Na druhej strane, podľa vety 8.1 môže byť ľubovoľný vektor priestoru reprezentovaný ako lineárna kombinácia bázových vektorov, t.j. V\subset \operatorname(Lin)(\mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n). To znamená rovnosť uvažovaných množín.
Dôsledok 2. Ak \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n- lineárne nezávislý systém vektorov lineárneho priestoru V a ľubovoľného vektora \mathbf(v)\in V možno znázorniť ako lineárnu kombináciu (8.4): \mathbf(v)=v_1\mathbf(e)_1+ v_2\mathbf(e)_2+\ldots+v_n\mathbf(e)_n, potom priestor V má rozmer n a systém \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2, \ldots,\mathbf(e)_n je jeho základom.
V priestore V skutočne existuje systém n lineárne nezávislých vektorov a ľubovoľný systém \mathbf(u)_1,\mathbf(u)_2,\ldots,\mathbf(u)_n väčšieho počtu vektorov (k>n) je lineárne závislý, pretože každý vektor z tohto systému je lineárne vyjadrený pomocou vektorov \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n. znamená, \operatorname(dim) V=n A \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n- základ V.
Veta 8.2 o pridaní sústavy vektorov k báze. Akýkoľvek lineárne nezávislý systém k vektorov n-rozmerného lineárneho priestoru (1\leqslant k Nech je skutočne lineárne nezávislý systém vektorov v n-rozmernom priestore V~(1\leqslant k Poznámky 8.4 1. Základ lineárneho priestoru je určený nejednoznačne. Napríklad, ak \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2, \ldots, \mathbf(e)_n je základom priestoru V, potom sústava vektorov \lambda \mathbf(e)_1,\lambda \mathbf(e)_2,\ldots,\lambda \mathbf(e)_n pretože ľubovoľné \lambda\ne0 je tiež základom V . Počet bázových vektorov v rôznych bázach toho istého konečnorozmerného priestoru je samozrejme rovnaký, keďže tento počet sa rovná rozmeru priestoru. 2. V niektorých priestoroch, s ktorými sa často stretávame v aplikáciách, sa jeden z možných základov, ktorý je z praktického hľadiska najvhodnejší, nazýva štandardný. 3. Veta 8.1 nám umožňuje povedať, že báza je úplný systém prvkov lineárneho priestoru v tom zmysle, že akýkoľvek vektor priestoru je lineárne vyjadrený pomocou bázových vektorov. 4. Ak je množina \mathbb(L) lineárne rozpätie \operatorname(Lin)(\mathbf(v)_1,\mathbf(v)_2,\ldots,\mathbf(v)_k), potom vektory \mathbf(v)_1,\mathbf(v)_2,\ldots,\mathbf(v)_k sa nazývajú generátory množiny \mathbb(L) . Dôsledok 1 vety 8.1 kvôli rovnosti V=\meno operátora(Lin) (\mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n) nám umožňuje povedať, že základ je minimálny generátorový systém lineárny priestor V, pretože nie je možné znížiť počet generátorov (odstráňte aspoň jeden vektor z množiny \mathbf(e)_1, \mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n) bez porušenia rovnosti V=\meno operátora(Lin)(\mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n). 5. Veta 8.2 nám umožňuje povedať, že základ je maximálne lineárne nezávislý systém vektorov lineárny priestor, keďže základom je lineárne nezávislý systém vektorov a nemožno ho doplniť žiadnym vektorom bez straty lineárnej nezávislosti. 6. Dôsledok 2 vety 8.1 je vhodné použiť na nájdenie základu a rozmeru lineárneho priestoru. V niektorých učebniciach sa definuje základ, a to: lineárne nezávislý systém \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n vektorov lineárneho priestoru sa nazýva báza, ak je ľubovoľný vektor priestoru lineárne vyjadrený pomocou vektorov \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n. Počet bázových vektorov určuje rozmer priestoru. Samozrejme, tieto definície sú ekvivalentné tým, ktoré sú uvedené vyššie. Označme rozmer a základ pre príklady lineárnych priestorov diskutovaných vyššie. 1. Nulový lineárny priestor \(\mathbf(o)\) neobsahuje lineárne nezávislé vektory. Preto sa predpokladá, že rozmer tohto priestoru je nulový: \dim\(\mathbf(o)\)=0. Tento priestor nemá žiadny základ. 2. Medzery V_1,\,V_2,\,V_3 majú rozmery 1, 2, 3, resp. Akýkoľvek nenulový vektor priestoru V_1 totiž tvorí lineárne nezávislý systém (pozri bod 1 Poznámky 8.2) a akékoľvek dva nenulové vektory priestoru V_1 sú kolineárne, t.j. lineárne závislé (pozri príklad 8.1). V dôsledku toho \dim(V_1)=1 a základom priestoru V_1 je ľubovoľný nenulový vektor. Podobne je dokázané, že \dim(V_2)=2 a \dim(V_3)=3 . Základom priestoru V_2 sú akékoľvek dva nekolineárne vektory v určitom poradí (jeden z nich sa považuje za prvý základný vektor, druhý - druhý). Základom priestoru V_3 sú ľubovoľné tri nekoplanárne (neležiace v rovnakých alebo rovnobežných rovinách) vektory zobraté v určitom poradí. Štandardným základom vo V_1 je jednotkový vektor \vec(i) na riadku. Štandardný základ vo V_2 je základ \vec(i),\,\vec(j), pozostávajúce z dvoch vzájomne kolmých jednotkových vektorov roviny. Za základ sa považuje štandardný základ v priestore V_3 \vec(i),\,\vec(j),\,\vec(k), zložený z troch jednotkových vektorov, párovo kolmých, tvoriacich pravú trojicu. 3. Priestor \mathbb(R)^n obsahuje najviac n lineárne nezávislých vektorov. V skutočnosti vezmime k stĺpcov z \mathbb(R)^n a zostavme z nich maticu s veľkosťou n\krát k. Ak k>n, tak stĺpce sú lineárne závislé podľa vety 3.4 od hodnosti matice. teda \dim(\mathbb(R)^n)\leqslant n. V priestore \mathbb(R)^n nie je ťažké nájsť n lineárne nezávislých stĺpcov. Napríklad stĺpce matice identity \mathbf(e)_1=\začiatok (pmatrix)1\\0\\\vdots\\0\koniec (pmatrix)\!,\quad \mathbf(e)_2= \začiatok (pmatrix)0\\1\ \\vdots\\0\end(pmatrix)\!,\quad \ldots,\quad \mathbf(e)_n= \begin(pmatrix) 0\\0\\\vdots\\1 \end(pmatrix)\ ! lineárne nezávislé. teda \dim(\mathbb(R)^n)=n. Zavolá sa priestor \mathbb(R)^n n-rozmerný reálny aritmetický priestor. Uvedená množina vektorov sa považuje za štandardný základ priestoru \mathbb(R)^n . Podobne je dokázané, že \dim(\mathbb(C)^n)=n, preto sa volá priestor \mathbb(C)^n n-rozmerný komplexný aritmetický priestor. 4. Pripomeňme, že ľubovoľné riešenie homogénnej sústavy Ax=o môže byť znázornené v tvare x=C_1\varphi_1+C_2\varphi_2+\ldots+C_(n-r)\varphi_(n-r), Kde r=\meno operátora(rg)A,a \varphi_1,\varphi_2,\ldots,\varphi_(n-r)- základný systém riešení. teda \(Ax=o\)=\názov operátora(Lin) (\varphi_1,\varphi_2,\ldots,\varphi_(n-r)), t.j. základom priestoru \(Ax=0\) riešení homogénneho systému je jeho fundamentálny systém riešení a rozmer priestoru \dim\(Ax=o\)=n-r, kde n je počet neznámych a r je poradie matice systému. 5. V priestore M_(2\times3) matíc veľkosti 2\times3 si môžete vybrať 6 matíc: \začiatok(zhromaždené)\mathbf(e)_1= \začiatok(pmatrix)1&0&0\\0&0&0\koniec(pmatrix)\!,\quad \mathbf(e)_2= \začiatok(pmatrix)0&1&0\\0&0&0\end( pmatrix)\!,\quad \mathbf(e)_3= \begin(pmatrix) 0&0&1\\0&0&0\end(pmatrix)\!,\hfill\\ \mathbf(e)_4= \begin(pmatrix) 0&0&0\\ 1&0&0 \end(pmatrix)\!,\quad \mathbf(e)_5= \začiatok (pmatrix)0&0&0\\0&1&0\end(pmatrix)\!,\quad \mathbf(e)_6= \begin(pmatrix)0&0&0 \\0&0&1\end(pmatrix)\!,\hfill \end(zhromaždené) \alpha_1\cdot \mathbf(e)_1+\alpha_2\cdot \mathbf(e)_2+\alpha_3\cdot \mathbf(e)_3+ \alpha_4\cdot \mathbf(e)_4+\alpha_5\cdot \_5+f(e) \alpha_6\cdot \mathbf(e)_6= \začiatok(pmatrix)\alpha_1&\alpha_2&\alpha_3\\ \alpha_4&\alpha_5&\alpha_6\end(pmatrix) rovná nulovej matici iba v triviálnom prípade \alpha_1=\alpha_2= \ldots= \alpha_6=0. Po prečítaní rovnosti (8.5) sprava doľava sme dospeli k záveru, že ľubovoľná matica z M_(2\times3) je lineárne vyjadrená cez vybraných 6 matíc, t.j. M_(2\times)= \operatorname(Lin) (\mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_6). teda \dim(M_(2\times3))=2\cdot3=6 a matriky \mathbf(e)_1, \mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_6 sú základom (štandardom) tohto priestoru. Podobne je dokázané, že \dim(M_(m\krát n))=m\cdot n. 6. Pre ľubovoľné prirodzené číslo n v priestore P(\mathbb(C)) polynómov s komplexnými koeficientmi možno nájsť n lineárne nezávislých prvkov. Napríklad polynómy \mathbf(e)_1=1, \mathbf(e)_2=z, \mathbf(e)_3=z^2,\,\ldots, \mathbf(e)_n=z^(n-1) sú lineárne nezávislé, pretože ich lineárna kombinácia a_1\cdot \mathbf(e)_1+a_2\cdot \mathbf(e)_2+\ldots+a_n\cdot \mathbf(e)_n= a_1+a_2z+\ldots+a_nz^(n-1) rovná nulovému polynómu (o(z)\equiv0) len v triviálnom prípade a_1=a_2=\ldots=a_n=0. Keďže tento systém polynómov je lineárne nezávislý pre akékoľvek prirodzené číslo l, priestor P(\mathbb(C)) je nekonečne rozmerný. Podobne sme dospeli k záveru, že priestor P(\mathbb(R)) polynómov s reálnymi koeficientmi má nekonečnú dimenziu. Priestor P_n(\mathbb(R)) polynómov stupňa nie vyššieho ako n je konečnorozmerný. Skutočne, vektory \mathbf(e)_1=1, \mathbf(e)_2=x, \mathbf(e)_3=x^2,\,\ldots, \mathbf(e)_(n+1)=x^n tvoria (štandardný) základ tohto priestoru, pretože sú lineárne nezávislé a akýkoľvek polynóm z P_n(\mathbb(R)) môže byť reprezentovaný ako lineárna kombinácia týchto vektorov: a_nx^n+\ldots+a_1x+a_0=a_0\cdot \mathbf(e)_1+a_1 \mathbf(e)_2+\ldots+a_n\cdot \mathbf(e)_(n+1)Príklady báz lineárnych priestorov
ktoré sú lineárne nezávislé. Skutočne, ich lineárna kombinácia
7. Priestor C(\mathbb(R)) spojitých funkcií je nekonečne rozmerný. V skutočnosti pre akékoľvek prirodzené číslo n polynómov 1,x,x^2,\ldots, x^(n-1), považované za spojité funkcie, tvoria lineárne nezávislé systémy (pozri predchádzajúci príklad).
Vo vesmíre T_(\omega)(\mathbb(R)) trigonometrické binomy (frekvencie \omega\ne0 ) so základom skutočných koeficientov tvoria monočleny \mathbf(e)_1(t)=\sin\omega t,~\mathbf(e)_2(t)=\cos\omega t. Sú lineárne nezávislé, pretože majú identickú rovnosť a\sin\omega t+b\cos\omega t\equiv0 možné len v triviálnom prípade (a=b=0) . Akákoľvek funkcia formulára f(t)=a\sin\omega t+b\cos\omega t lineárne vyjadrené cez základné: f(t)=a\,\mathbf(e)_1(t)+b\,\mathbf(e)_2(t).
8. Priestor \mathbb(R)^X reálnych funkcií definovaných na množine X môže byť v závislosti od oblasti definície X konečnorozmerný alebo nekonečnerozmerný. Ak X je konečná množina, potom priestor \mathbb(R)^X je konečnorozmerný (napr. X=\(1,2,\ldots,n\)). Ak X je nekonečná množina, potom priestor \mathbb(R)^X je nekonečne-rozmerný (napríklad priestor \mathbb(R)^N sekvencií).
9. V priestore \mathbb(R)^(+) môže slúžiť ako základ každé kladné číslo \mathbf(e)_1, ktoré sa nerovná jednotke. Vezmime si napríklad číslo \mathbf(e)_1=2 . Akékoľvek kladné číslo r môže byť vyjadrené pomocou \mathbf(e)_1 , t.j. reprezentovať vo forme \alpha\cdot \mathbf(e)_1\colon r=2^(\log_2r)=\log_2r\ast2=\alpha_1\ast \mathbf(e)_1, kde \alpha_1=\log_2r . Preto je rozmer tohto priestoru 1 a základom je číslo \mathbf(e)_1=2.
10. Nechajte \mathbf(e)_1,\mathbf(e)_2,\ldots,\mathbf(e)_n je základom reálneho lineárneho priestoru V. Definujme lineárne skalárne funkcie na V nastavením:
\mathcal(E)_i(\mathbf(e)_j)=\začiatok(prípady)1,&i=j,\\ 0,&i\ne j.\koniec(prípady)
V tomto prípade v dôsledku linearity funkcie \mathcal(E)_i pre ľubovoľný vektor dostaneme \mathcal(E)(\mathbf(v))=\sum_(j=1)^(n)v_j \mathcal(E)(\mathbf(e)_j)=v_i.
Je teda definovaných n prvkov (kovektorov). \mathcal(E)_1, \mathcal(E)_2, \ldots, \mathcal(E)_n konjugovať priestor V^(\ast) . Dokážme to \mathcal(E)_1, \mathcal(E)_2,\ldots, \mathcal(E)_n- základ V^(\ast) .
Najprv ukážeme, že systém \mathcal(E)_1, \mathcal(E)_2,\ldots, \mathcal(E)_n lineárne nezávislé. Skutočne, zoberme si lineárnu kombináciu týchto covektorov (\alpha_1 \mathcal(E)_1+\ldots+\alpha_n\mathcal(E)_n)(\mathbf(v))= a prirovnať ju k nulovej funkcii
\mathbf(o)(\mathbf(v))~~ (\mathbf(o)(\mathbf(v))=0~ \forall \mathbf(v)\in V)\colon~ \alpha_1\mathcal(E )_1(\mathbf(v))+\ldots+\alpha_n\mathcal(E)_n(\mathbf(v))= \mathbf(o)(\mathbf(v))=0~~\forall \mathbf(v )\v V.
Dosadzovanie do tejto rovnosti \mathbf(v)=\mathbf(e)_i,~ i=1,\ldots,n, dostaneme \alpha_1=\alpha_2\cdot= \alpha_n=0. Preto systém prvkov \mathcal(E)_1,\mathcal(E)_2,\ldots,\mathcal(E)_n priestor V^(\ast) je lineárne nezávislý, pretože rovnosť \alpha_1\mathcal(E)_1+\ldots+ \alpha_n\mathcal(E)_n =\mathbf(o) možné len v triviálnom prípade.
Po druhé, dokážeme, že akákoľvek lineárna funkcia f\in V^(\ast) môže byť reprezentovaná ako lineárna kombinácia kovektorov \mathcal(E)_1, \mathcal(E)_2,\ldots, \mathcal(E)_n. Skutočne, pre akýkoľvek vektor \mathbf(v)=v_1 \mathbf(e)_1+v_2 \mathbf(e)_2+\ldots+v_n \mathbf(e)_n vďaka linearite funkcie f dostaneme:
\begin(aligned)f(\mathbf(v))&= f(v_1 \mathbf(e)_1+\ldots+v_n \mathbf(e)_n)= v_1 f(\mathbf(e)_1)+\ldots+ v_n f(\mathbf(e)_n)= f(\mathbf(e)_1)\mathcal(E)_1(\mathbf(v))+ \ldots+ f(\mathbf(e)_n)\mathcal(E) _n (\mathbf(v))=\\ &=(f(\mathbf(e)_1)\mathcal(E)_1+\ldots+ f(\mathbf(e)_n)\mathcal(E)_n)(\mathbf ( v))= (\beta_1\mathcal(E)_1+ \ldots+\beta_n\mathcal(E)_n) (\mathbf(v)),\end(zarovnané)
tie. funkcia f je reprezentovaná ako lineárna kombinácia f=\beta_1 \mathcal(E)_1+\ldots+\beta_n\mathcal(E)_n funkcie \mathcal(E)_1,\mathcal(E)_2,\ldots, \mathcal(E)_n(čísla \beta_i=f(\mathbf(e)_i)- lineárne kombinačné koeficienty). Preto systém covector \mathcal(E)_1, \mathcal(E)_2,\ldots, \mathcal(E)_n je základom duálneho priestoru V^(\ast) a \dim(V^(\ast))=\dim(V)(pre konečnorozmerný priestor V ).
Ak si všimnete chybu, preklep alebo máte nejaké návrhy, napíšte do komentárov.
Podmnožina lineárneho priestoru tvorí podpriestor, ak je uzavretý sčítaním vektorov a násobením skalármi.
Príklad 6.1. Tvorí podpriestor v rovine množinu vektorov, ktorých konce ležia: a) v prvej štvrtine; b) na priamke prechádzajúcej počiatkom? (začiatky vektorov ležia na začiatku súradníc)
Riešenie.
a) nie, keďže množina nie je uzavretá pri násobení skalárom: pri násobení záporným číslom koniec vektora spadá do tretej štvrtiny.
b) áno, keďže pri sčítaní vektorov a ich vynásobení ľubovoľným číslom zostanú ich konce na tej istej priamke.
Cvičenie 6.1. Nasledujúce podmnožiny zodpovedajúcich lineárnych priestorov vytvorte podpriestor:
a) množina rovinných vektorov, ktorých konce ležia v prvej alebo tretej štvrtine;
b) množina rovinných vektorov, ktorých konce ležia na priamke, ktorá neprechádza počiatkom;
c) množina súradnicových čiar ((x 1, x 2, x 3)ï x 1 + x 2 + x 3 = 0);
d) množina súradnicových čiar ((x 1, x 2, x 3)ï x 1 + x 2 + x 3 = 1);
e) množina súradnicových čiar ((x 1, x 2, x 3)ï x 1 = x 2 2).
Rozmer lineárneho priestoru L je počet dim L vektorov zahrnutých v ktorejkoľvek jeho báze.
Rozmery súčtu a priesečník podpriestorov sú spojené vzťahom
dim (U + V) = dim U + dim V – dim (U Ç V).
Príklad 6.2. Nájdite základ a rozmer súčtu a priesečníka podpriestorov preklenutých nasledujúcimi systémami vektorov:
Riešenie: Každá zo sústav vektorov generujúcich podpriestor U a V je lineárne nezávislá, čiže je základom príslušného podpriestoru. Zo súradníc týchto vektorov zostavíme maticu, usporiadame ich do stĺpcov a oddelíme jeden systém od druhého čiarou. Zredukujme výslednú maticu do stupňovitej formy.
~ 
~ 
~ 
.
Základ U + V tvoria vektory , , , ktorým zodpovedajú vodiace prvky v krokovej matici. Preto dim (U + V) = 3. Potom
dim (UÇV) = dim U + dim V – dim (U + V) = 2 + 2 – 3 = 1.
Priesečník podpriestorov tvorí množinu vektorov, ktoré vyhovujú rovnici (stoja na ľavej a pravej strane tejto rovnice). Priesečníkovú bázu získame pomocou základného systému riešení sústavy lineárnych rovníc zodpovedajúcich tejto vektorovej rovnici. Matrica tohto systému už bola zredukovaná na stupňovitú formu. Na základe toho usúdime, že y 2 je voľná premenná a nastavíme y 2 = c. Potom 0 = y 1 – y 2, y 1 = c,. a priesečník podpriestorov tvorí množinu vektorov tvaru 
= c (3, 6, 3, 4). V dôsledku toho báza UÇV tvorí vektor (3, 6, 3, 4).
Poznámky. 1. Ak pokračujeme v riešení systému, zisťujeme hodnoty premenných x, dostaneme x 2 = c, x 1 = c a na ľavej strane vektorovej rovnice dostaneme vektor rovný tomu získanému vyššie .
2. Uvedenou metódou môžete získať základ súčtu bez ohľadu na to, či sú generujúce sústavy vektorov lineárne nezávislé. Základ priesečníka však získame správne iba vtedy, ak je aspoň systém generujúci druhý podpriestor lineárne nezávislý.
3. Ak sa určí, že rozmer križovatky je 0, tak križovatka nemá základ a netreba ju hľadať.
Cvičenie 6.2. Nájdite základ a rozmer súčtu a priesečníka podpriestorov preklenutých nasledujúcimi systémami vektorov:
A) 
b) 
Euklidovský priestor
Euklidovský priestor je lineárny priestor nad poľom R, v ktorom je definované skalárne násobenie, ktoré priraďuje každému páru vektorov , skalár a sú splnené nasledujúce podmienky:
2) (a + b) = a() + b();
3) ¹Þ > 0.
Štandardný skalárny súčin sa vypočíta pomocou vzorcov
(a 1 , … , a n) (b 1 , …, b n) = a 1 b 1 + … + a n b n.
Vektory a sa nazývajú ortogonálne, píšu sa ^, ak sa ich skalárny súčin rovná 0.
Systém vektorov sa nazýva ortogonálny, ak sú vektory v ňom párovo ortogonálne.
Ortogonálny systém vektorov je lineárne nezávislý.
Proces ortogonalizácie systému vektorov , ... , pozostáva z prechodu na ekvivalentný ortogonálny systém , ... , vykonaný podľa vzorcov:
, kde , k = 2, … , n.
Príklad 7.1. Ortogonalizujte systém vektorov
= (1, 2, 2, 1), = (3, 2, 1, 1), = (4, 1, 3, -2).
Riešenie. Máme = = (1, 2, 2, 1);
, = 
= = 1;
= (3, 2, 1, 1) – (1, 2, 2, 1) = (2, 0, -1, 0).
, = 
= =1;
= 
=1;
= (4, 1, 3, -2) – (1, 2, 2, 1) – (2, 0, -1, 0) = (1, -1, 2, -3).
Cvičenie 7.1. Ortogonalizácia vektorových systémov:
a) = (1, 1, 0, 2), = (3, 1, 1, 1), = (-1, -3, 1, -1);
b) = (1, 2, 1, 1), = (3, 4, 1, 1), = (0, 3, 2, -1).
Príklad 7.2. Kompletný systém vektorov = (1, -1, 1, -1),
= (1, 1, -1, -1), na ortogonálnu základňu priestoru.
Riešenie: Pôvodný systém je ortogonálny, takže problém dáva zmysel. Keďže vektory sú dané v štvorrozmernom priestore, musíme nájsť ďalšie dva vektory. Tretí vektor = (x 1, x 2, x 3, x 4) je určený z podmienok = 0, = 0. Tieto podmienky dávajú sústavu rovníc, ktorých matica je vytvorená zo súradnicových čiar vektorov a . Riešime systém:
~ 
~ 
.
Voľným premenným x 3 a x 4 je možné priradiť akúkoľvek sadu hodnôt okrem nuly. Predpokladáme, že napríklad x 3 = 0, x 4 = 1. Potom x 2 = 0, x 1 = 1 a = (1, 0, 0, 1).
Podobne nájdeme = (y 1, y 2, y 3, y 4). Za týmto účelom pridáme do vyššie získanej postupnej matice novú súradnicovú čiaru a zredukujeme ju na postupnú formu:
~ 
~ 
.
Pre voľnú premennú y 3 nastavíme y 3 = 1. Potom y 4 = 0, y 2 = 1, y 1 = 0 a = (0, 1, 1, 0).
Norma vektora v euklidovskom priestore je nezáporné reálne číslo.
Vektor sa nazýva normalizovaný, ak je jeho norma 1.
Aby sa vektor normalizoval, musí byť rozdelený podľa jeho normy.
Ortogonálny systém normalizovaných vektorov sa nazýva ortonormálny.
Cvičenie 7.2. Doplňte systém vektorov na ortonormálny základ priestoru:
a) = (1/2, 1/2, 1/2, 1/2), = (-1/2, 1/2, -1/2, 1/2);
b) = (1/3, -2/3, 2/3).
Lineárne zobrazenia
Nech U a V sú lineárne priestory nad poľom F. Zobrazenie f: U ® V sa nazýva lineárne, ak a .
Príklad 8.1. Sú transformácie trojrozmerného priestoru lineárne:
a) f(x 1, x 2, x 3) = (2x 1, x 1 – x 3, 0);
b) f(x 1, x 2, x 3) = (1, x 1 + x 2, x 3).
Riešenie.
a) Máme f((x 1, x 2, x 3) + (y 1, y 2, y 3)) = f(x 1 + y 1, x 2 + y 2, x 3 + y 3) =
= (2(x 1 + y 1), (x 1 + y 1) – (x 3 + y 3), 0) = (2x 1, x 1 – x 3, 0) + (2 y 1, y 1 - y3, 0) =
F((x1, x 2, x 3) + f(y1, y2, y3));
f(l(x 1, x 2, x 3)) = f(lx 1, lx 2, lx 3) = (2lx 1, lx 1 – lx 3, 0) = l(2x 1, x 1 – x 3 , 0) =
L f(x 1, x 2, x 3).
Preto je transformácia lineárna.
b) Máme f((x 1 , x 2 , x 3) + (y 1 , y 2 , y 3)) = f(x 1 + y 1 , x 2 + y 2 , x 3 + y 3) =
= (1, (x1 + y1) + (x2 + y2), x 3 + y3);
f((x1, x 2, x 3) + f(y1, y2, y 3)) = (1, x 1 + x 2, x 3) + (1, y1 + y2, y 3 ) =
= (2, (x 1 + y 1) + (x 2 + y 2), x 3 + y 3) ¹ f((x 1, x 2, x 3) + (y 1, y 2, y 3) ).
Preto transformácia nie je lineárna.
Obraz lineárneho zobrazenia f: U ® V je množina obrazov vektorov z U, tzn
Im (f) = (f() ï О U). + … + m1
Cvičenie 8.1. Nájdite poradie, defekt, základy obrazu a jadro lineárneho zobrazenia f dané maticou:
a) A =; b) A =; c) A = 
.
Podľa definície lineárneho priestoru tak, že A bol podpriestor, je potrebné skontrolovať uskutočniteľnosť A operácie:
1) : 
;
2) 
: 
;
a skontrolujte, či prebiehajú operácie A podlieha ôsmim axiómam. To druhé však bude nadbytočné (vzhľadom na to, že tieto axiómy platia v L), t.j. nasledovné je pravda
Veta. Nech L je lineárny priestor nad poľom P a 
. Množina A je podpriestorom L vtedy a len vtedy, ak sú splnené tieto požiadavky:
Vyhlásenie. Ak L – n-rozmerný lineárny priestor a A teda jeho podpriestor A je tiež konečnorozmerný lineárny priestor a jeho rozmer nepresahuje n.
P 
príklad 1.
Je podpriestorom priestoru segmentových vektorov V 2 množina S všetkých rovinných vektorov, z ktorých každý leží na jednej zo súradnicových osí 0x alebo 0y?
Riešenie: Nechaj 
, 
A 
, 
. Potom 
. Preto S nie je podpriestor 
.
Príklad 2 Je lineárny podpriestor lineárneho priestoru V 2 existuje veľa vektorov rovinných segmentov S všetky rovinné vektory, ktorých začiatky a konce ležia na danej priamke l toto lietadlo?
Riešenie.
E 
sli vektor 
vynásobte reálnym číslom k, potom dostaneme vektor 
, patriaci tiež S. If 
A 
sú potom dva vektory z S 
(podľa pravidla sčítania vektorov na priamke). Preto S je podpriestor 
.
Príklad 3 Je lineárny podpriestor lineárneho priestoru V 2 kopa A všetky rovinné vektory, ktorých konce ležia na danej priamke l, (predpokladajme, že počiatok akéhokoľvek vektora sa zhoduje s počiatkom súradníc)?
R 
rozhodnutie.
V prípade, že priamka l súprava neprechádza cez pôvod A lineárny podpriestor priestoru V 2
nie je, pretože 
.
V prípade, že priamka l
prechádza počiatkom, množinou A je lineárny podpriestor priestoru V 2
,
pretože 
a pri násobení ľubovoľného vektora 
na reálne číslo α
z poľa R dostaneme 
. Teda lineárne priestorové požiadavky na množinu A dokončené.
Príklad 4. Nech je daný systém vektorov 
z lineárneho priestoru L nad ihriskom P. Dokážte, že množina všetkých možných lineárnych kombinácií 
s kurzom 
od P je podpriestor L(toto je podpriestor A sa nazýva podpriestor generovaný sústavou vektorov resp lineárny plášť tento vektorový systém a označené takto: 
alebo 
).
Riešenie. Skutočne, od , potom pre akékoľvek prvky X,
r
A máme: 
, 
, Kde 
, 
. Potom
Odvtedy 
, Preto 
.
Skontrolujme, či je splnená druhá podmienka vety. Ak X– ľubovoľný vektor z A A t– ľubovoľné číslo od P, To . Pretože 
A 
,,To 
, , Preto 
. Teda podľa vety množina A– podpriestor lineárneho priestoru L.
Pre konečné-dimenzionálne lineárne priestory to platí aj naopak.
Veta. Akýkoľvek podpriestor A lineárny priestor L nad ihriskom 
je lineárne rozpätie nejakého systému vektorov.
Pri riešení problému hľadania základu a rozmeru lineárnej škrupiny sa používa nasledujúca veta.
Veta. Lineárny škrupinový základ 
sa zhoduje so základom vektorového systému. Rozmer lineárneho obalu sa zhoduje s hodnosťou systému vektorov.
Príklad 4. Nájdite základ a rozmer podpriestoru 
lineárny priestor R 3
[
X]
, Ak 
, 
, 
, 
.
Riešenie. Je známe, že vektory a ich súradnicové riadky (stĺpce) majú rovnaké vlastnosti (vzhľadom na lineárnu závislosť). Vytvorenie matrice A=
zo súradnicových stĺpcov vektorov 
v základe 
.
Poďme nájsť hodnosť matice A.
. M 3
=
. 
.
Preto hodnosť r(A)=
3. Hodnosť systému vektorov je teda 3. To znamená, že rozmer podpriestoru S je 3 a jeho základ tvoria tri vektory 
(keďže v základnom mol 
sú zahrnuté súradnice iba týchto vektorov).
Príklad 5. Dokážte, že súbor H aritmetické priestorové vektory 
, ktorého prvá a posledná súradnica sú 0, tvorí lineárny podpriestor. Nájdite jeho základ a rozmer.
Riešenie. Nechaj 
.
Potom a . teda 
pre akékoľvek . Ak 
, 
, To . Teda podľa vety o lineárnom podpriestore množina H je lineárny podpriestor priestoru. Poďme nájsť základ H. Zvážte nasledujúce vektory z H: 
, 
, . Tento vektorový systém je lineárne nezávislý. Naozaj, nechajme to tak.
1. Nechajte podpriestor L = L(A 1 , A 2 , …, a m), tj L– lineárny plášť systému A 1 , A 2 , …, a m; vektory A 1 , A 2 , …, a m– systém generátorov tohto podpriestoru. Potom základ L je základom systému vektorov A 1 , A 2 , …, a m, teda základ sústavy generátorov. Rozmer L rovná hodnosti systému generátorov.
2. Nechajte podpriestor L je súčet podpriestorov L 1 a L 2. Systém generovania podpriestorov pre súčet možno získať kombináciou systémov generovania podpriestorov, po ktorých sa nájde základ súčtu. Veľkosť sumy je určená nasledujúcim vzorcom:
matná(L 1 + L 2) = dimL 1 + dimL 2 – matná(L 1 Ç L 2).
3. Nech je súčet podpriestorov L 1 a L 2 je rovná, tzn L = L 1 Á L 2. V čom L 1 Ç L 2 = {O) A matná(L 1 Ç L 2) = 0. Základ priameho súčtu sa rovná spojeniu základov pojmov. Rozmer priameho súčtu sa rovná súčtu rozmerov pojmov.
4. Uveďme dôležitý príklad podpriestoru a lineárnej variety.
Predstavte si homogénny systém m lineárne rovnice s n neznámy. Veľa riešení M 0 tohto systému je podmnožinou množiny Rn a je uzavretá sčítaním vektorov a násobením reálnym číslom. To znamená, že ich je veľa M 0 – podpriestor priestoru Rn. Základom podpriestoru je základná množina riešení homogénneho systému, pričom rozmer podpriestoru sa rovná počtu vektorov v základnej množine riešení systému.
Kopa M spoločné systémové riešenia m lineárne rovnice s n neznáme je tiež podmnožinou množiny Rn a rovná sa súčtu množiny M 0 a vektor A, Kde A je nejaké konkrétne riešenie pôvodného systému a zostavy M 0 – množina riešení homogénnej sústavy lineárnych rovníc sprevádzajúcej túto sústavu (od pôvodnej sa líši len voľnými členmi),
M = A + M 0 = {A = m, m Î M 0 }.
To znamená, že mnohí M je lineárna rozmanitosť priestoru Rn s vektorom posunu A a smer M 0 .
Príklad 8.6. Nájdite základ a rozmer podpriestoru definovaného homogénnym systémom lineárnych rovníc:
Riešenie. Poďme nájsť všeobecné riešenie pre tento systém a jeho základnú sadu riešení: 
s 1 = (–21, 12, 1, 0, 0), s 2 = (12, –8, 0, 1, 0), s 3 = (11, –8, 0, 0, 1).
Základ podpriestoru tvoria vektory s 1 , s 2 , s 3, jeho rozmer je tri.
Koniec práce -
Táto téma patrí do sekcie:
Lineárna algebra
Štátna univerzita Kostroma pomenovaná po N. Nekrasovovi.
Ak potrebujete ďalší materiál k tejto téme, alebo ste nenašli to, čo ste hľadali, odporúčame použiť vyhľadávanie v našej databáze diel:
Čo urobíme s prijatým materiálom:
Ak bol tento materiál pre vás užitočný, môžete si ho uložiť na svoju stránku v sociálnych sieťach:
| Tweetujte |
Všetky témy v tejto sekcii:
BBK 22,174ya73-5
M350 Vydané rozhodnutím redakčnej a vydavateľskej rady KSU pomenovanej po. N. A. Nekrasova Recenzent A. V. Čerednikov
BBK 22,174ya73-5
ã T. N. Matytsina, E. K. Korzhevina 2013 ã KSU pomenovaná po. N. A. Nekrašová, 2013
únia (alebo súčet)
Definícia 1.9 Zjednotenie množín A a B je množina A È B, pozostávajúca len z tých prvkov, ktoré patria, hoci
Križovatka (alebo produkt)
Definícia 1.10. Priesečníkom množín A a B je množina A Ç B, ktorá pozostáva z tých a len tých prvkov patriacich do tej istej
Rozdiel
Definícia 1.11. Rozdiel medzi množinami A a B je množina A B, pozostávajúca z tých prvkov, ktoré patria do množiny A
karteziánsky súčin (alebo priamy súčin)
Definícia 1.14. Usporiadaný pár (alebo pár) (a, b) sú dva prvky a, b brané v určitom poradí. Páry (a1
Vlastnosti množinových operácií
Vlastnosti operácií spojenia, prieniku a doplnku sa niekedy nazývajú zákony množinovej algebry. Uveďme hlavné vlastnosti operácií na množinách. Nech je daná univerzálna množina U
Metóda matematickej indukcie
Metóda matematickej indukcie sa používa na dokazovanie tvrdení, na ktorých formulácii sa podieľa prirodzený parameter n. Metóda matematickej indukcie - metóda dokazovania matematiky
Komplexné čísla
Pojem čísla je jedným z hlavných výdobytkov ľudskej kultúry. Najprv sa objavili prirodzené čísla N = (1, 2, 3, …, n, …), potom celé čísla Z = (…, –2, –1, 0, 1, 2, …), racionálne Q
Geometrická interpretácia komplexných čísel
Je známe, že záporné čísla boli zavedené v súvislosti s riešením lineárnych rovníc v jednej premennej. V konkrétnych úlohách bola záporná odpoveď interpretovaná ako hodnota smerovej veličiny (
Trigonometrický tvar komplexného čísla
Vektor môže byť špecifikovaný nielen súradnicami v pravouhlom súradnicovom systéme, ale aj dĺžkou a
Operácie s komplexnými číslami v trigonometrickom tvare
Je vhodnejšie vykonávať sčítanie a odčítanie s komplexnými číslami v algebraickom tvare a násobenie a delenie v goniometrickom tvare. 1. Násobenia Nech sú dané dve k
Umocňovanie
Ak z = r(cosj + i×sinj), potom zn = rn(cos(nj) + i×sin(nj)), kde n Î
Exponenciálny tvar komplexného čísla
Z matematickej analýzy je známe, že e = , e je iracionálne číslo. Eile
Koncepcia vzťahu
Definícia 2.1. N-árny (alebo n-árny) vzťah P na množinách A1, A2, …, An je ľubovoľná podmnožina
Vlastnosti binárnych relácií
Nech je binárna relácia P definovaná na neprázdnej množine A, teda P Í A2. Definícia 2.9 Binárna relácia P na množine
Vzťah ekvivalencie
Definícia 2.15. Binárna relácia na množine A sa nazýva relácia ekvivalencie, ak je reflexívna, symetrická a tranzitívna. Pomerový ekvivalent
Funkcie
Definícia 2.20 Binárny vzťah ƒ Í A ´ B sa nazýva funkcia z množiny A do množiny B, ak pre ľubovoľné x
Všeobecné pojmy
Definícia 3.1. Matica je obdĺžniková tabuľka čísel, ktorá obsahuje m riadkov a n stĺpcov. Čísla m a n sa nazývajú poradie (alebo
Pridanie matíc rovnakého typu
Je možné pridať iba matice rovnakého typu. Definícia 3.12. Súčet dvoch matíc A = (aij) a B = (bij), kde i = 1,
Vlastnosti pridania matrice
1) komutivita: "A, B: A + B = B + A; 2) asociativita: "A, B, C: (A + B) + C = A
Násobenie matice číslom
Definícia 3.13. Súčinom matice A = (aij) reálnym číslom k je matica C = (сij), pre ktorú
Vlastnosti násobenia matice číslom
1) "A: 1×A = A; 2)" α, β О R, " A: (αβ)×A = α×(β×A) = β×
Maticové násobenie
Definujme násobenie dvoch matíc; K tomu je potrebné zaviesť niektoré ďalšie pojmy. Definícia 3.14. Matice A a B sa nazývajú konzistentné
Vlastnosti násobenia matíc
1) Maticové násobenie nie je komutatívne: A×B ≠ B×A. Túto vlastnosť možno demonštrovať na príkladoch. Príklad 3.6. A)
Transponujúce matice
Definícia 3.16. Maticu At získanú z danej matice nahradením každého jej riadku stĺpcom s rovnakým číslom nazývame transponovaná do danej matice A
Determinanty matíc druhého a tretieho rádu
Každá štvorcová matica A rádu n je spojená s číslom, ktoré sa nazýva determinant tejto matice. Označenie: D, |A|, det A,
Definícia 4.6.
1. Pre n = 1 sa matica A skladá z jedného čísla: |A| = a11. 2. Nech je známy determinant matice poriadku (n – 1). 3. Definujte
Vlastnosti determinantov
Na výpočet determinantov rádov väčších ako 3 sa používajú vlastnosti determinantov a Laplaceova veta. Veta 4.1 (Laplaceova). Determinant štvorcovej matice
Praktický výpočet determinantov
Jedným zo spôsobov, ako vypočítať determinanty poradia vyššie ako tri, je rozšíriť ho cez nejaký stĺpec alebo riadok. Príklad 4.4 Vypočítajte determinant D =
Koncept maticovej hodnosti
Nech A je matica rozmeru m ´ n. Vyberme v tejto matici ľubovoľne k riadkov a k stĺpcov, kde 1 ≤ k ≤ min(m, n).
Zisťovanie hodnosti matice metódou ohraničenia maloletých
Jednou z metód na zistenie hodnosti matice je metóda sčítania maloletých. Táto metóda je založená na určení poradia matice. Podstata metódy je nasledovná. Ak existuje aspoň jeden prvok ma
Nájdenie hodnosti matice pomocou elementárnych transformácií
Pozrime sa na iný spôsob, ako nájsť hodnosť matice. Definícia 5.4. Nasledujúce transformácie sa nazývajú elementárne maticové transformácie: 1. násobenie
Pojem inverznej matice a metódy na jej nájdenie
Nech je daná štvorcová matica A. Definícia 5.7. Matica A–1 sa nazýva inverzná k matici A, ak A×A–1
Algoritmus na nájdenie inverznej matice
Uvažujme jeden zo spôsobov, ako nájsť inverznú maticu danej pomocou algebraických sčítaní. Nech je daná štvorcová matica A. 1. Nájdite determinant matice |A|. EÚ
Nájdenie inverznej matice pomocou elementárnych transformácií
Uvažujme o inom spôsobe, ako nájsť inverznú maticu pomocou elementárnych transformácií. Sformulujme potrebné pojmy a vety. Definícia 5.11 Matica Podľa názvu
Cramerova metóda
Uvažujme sústavu lineárnych rovníc, v ktorej sa počet rovníc rovná počtu neznámych, teda m = n a sústava má tvar:
Metóda inverznej matice
Metóda inverznej matice je použiteľná pre systémy lineárnych rovníc, v ktorých sa počet rovníc rovná počtu neznámych a determinant hlavnej matice sa nerovná nule. Maticová forma systémového zápisu
Gaussova metóda
Na popísanie tejto metódy, ktorá je vhodná na riešenie ľubovoľných sústav lineárnych rovníc, sú potrebné nové koncepcie. Definícia 6.7. Rovnica tvaru 0×
Popis Gaussovej metódy
Gaussova metóda - metóda postupnej eliminácie neznámych - spočíva v tom, že pomocou elementárnych transformácií sa pôvodný systém redukuje na ekvivalentný systém stupňovitých alebo t
Štúdium sústavy lineárnych rovníc
Študovať systém lineárnych rovníc znamená bez riešenia systému odpovedať na otázku: je systém konzistentný alebo nie, a ak je konzistentný, koľko riešení má? Odpovedzte na toto v
Homogénne sústavy lineárnych rovníc
Definícia 6.11 Systém lineárnych rovníc sa nazýva homogénny, ak sa jeho voľné členy rovnajú nule. Homogénna sústava m lineárnych rovníc
Vlastnosti riešení homogénnej sústavy lineárnych rovníc
1. Ak je vektor a = (a1, a2, …, an) riešením homogénneho systému, potom vektor k×a = (k×a1, k&t
Základná množina riešení homogénnej sústavy lineárnych rovníc
Nech M0 je množina riešení homogénnej sústavy (4) lineárnych rovníc. Definícia 6.12 Vektory c1, c2, ..., c
Lineárna závislosť a nezávislosť sústavy vektorov
Nech a1, a2, …, аm je množina m n-rozmerných vektorov, ktorá sa zvyčajne označuje ako systém vektorov, a k1
Vlastnosti lineárnej závislosti sústavy vektorov
1) Systém vektorov obsahujúci nulový vektor je lineárne závislý. 2) Systém vektorov je lineárne závislý, ak niektorý z jeho podsystémov je lineárne závislý. Dôsledok. Ak si
Jednotkový vektorový systém
Definícia 7.13. Sústava jednotkových vektorov v priestore Rn je sústava vektorov e1, e2, …, en
Dve vety o lineárnej závislosti
Veta 7.1. Ak je väčší systém vektorov lineárne vyjadrený prostredníctvom menšieho, potom je väčší systém lineárne závislý. Sformulujme túto vetu podrobnejšie: nech a1
Základ a hodnosť vektorového systému
Nech S je sústava vektorov v priestore Rn; môže byť buď konečný alebo nekonečný. S" je podsystém sústavy S, S" Ì S. Dajme dve
Poradie vektorového systému
Uveďme dve ekvivalentné definície hodnosti systému vektorov. Definícia 7.16. Hodnosť systému vektorov je počet vektorov v akomkoľvek základe tohto systému.
Praktické určenie hodnosti a základu sústavy vektorov
Z tohto systému vektorov zostavíme maticu, pričom vektory usporiadame do riadkov tejto matice. Pomocou elementárnych transformácií nad riadkami tejto matice zredukujeme maticu na echelónový tvar. o
Definícia vektorového priestoru nad ľubovoľným poľom
Nech P je ľubovoľné pole. Príkladmi nám známych polí sú pole racionálnych, reálnych a komplexných čísel. Definícia 8.1. Volá sa množina V
Najjednoduchšie vlastnosti vektorových priestorov
1) o – nulový vektor (prvok), jednoznačne definovaný v ľubovoľnom vektorovom priestore nad poľom. 2) Pre každý vektor a О V existuje jednoznačnosť
Podpriestormi. Lineárne rozdeľovače
Nech V je vektorový priestor, L М V (L je podmnožina V). Definícia 8.2. Podmnožina L vektora pro
Priesečník a súčet podpriestorov
Nech V je vektorový priestor nad poľom P, L1 a L2 jeho podpriestormi. Definícia 8.3. Prekročením subquestu
Lineárne rozdeľovače
Nech V je vektorový priestor, L podpriestor, a ľubovoľný vektor z priestoru V. Definícia 8.6 Lineárna varieta
Konecnorozmerné vektorové priestory
Definícia 8.7. Vektorový priestor V sa nazýva n-rozmerný, ak obsahuje lineárne nezávislý systém vektorov pozostávajúci z n vektorov a pre
Základy konečnej dimenzie vektorového priestoru
V je konečnorozmerný vektorový priestor nad poľom P, S je sústava vektorov (konečných alebo nekonečných). Definícia 8.10. Základom systému S
Súradnice vektora vzhľadom na daný základ
Uvažujme konečnorozmerný vektorový priestor V dimenzie n, jeho základ tvoria vektory e1, e2, …, en. Nech je produktom
Vektorové súradnice v rôznych základniach
Nech V je n-rozmerný vektorový priestor, v ktorom sú dané dve bázy: e1, e2, …, en – stará báza, e"1, e
Euklidovské vektorové priestory
Daný vektorový priestor V nad poľom reálnych čísel. Tento priestor môže byť buď konečný-dimenzionálny vektorový priestor dimenzie n alebo nekonečne-dimenzionálny
Bodový produkt v súradniciach
V euklidovskom vektorovom priestore V dimenzie n je daný základ e1, e2, …, en. Vektory x a y sa rozložia na vektory
Metrické pojmy
V euklidovských vektorových priestoroch môžeme od zavedeného skalárneho súčinu prejsť k pojmom vektorová norma a uhol medzi vektormi. Definícia 8.16. Norma (
Vlastnosti normy
1) ||a|| = 0 Û a = o. 2) ||la|| = |l|×||a||, pretože ||la|| =
Ortonormálny základ euklidovského vektorového priestoru
Definícia 8.21. Báza euklidovského vektorového priestoru sa nazýva ortogonálna, ak sú bázové vektory párovo ortogonálne, to znamená, ak a1, a
Proces ortogonalizácie
Veta 8.12. V každom n-rozmernom euklidovskom priestore existuje ortonormálny základ. Dôkaz. Nech a1, a2
Bodový produkt na ortonormálnom základe
Daná ortonormálna báza e1, e2, …, en euklidovského priestoru V. Keďže (ei, ej) = 0 pre i
Ortogonálny doplnok podpriestoru
V je euklidovský vektorový priestor, L je jeho podpriestor. Definícia 8.23. O vektore a sa hovorí, že je ortogonálny k podpriestoru L, ak je vektor
Vzťah medzi súradnicami vektora a súradnicami jeho obrazu
Lineárny operátor j je daný v priestore V a jeho matica M(j) sa nachádza v nejakej báze e1, e2, …, en. Toto nech je základ
Podobné matice
Uvažujme množinu Рn´n štvorcových matíc rádu n s prvkami z ľubovoľného poľa P. Na tejto množine zavedieme vzťah
Vlastnosti vzťahov podobnosti matíc
1. Reflexivita. Akákoľvek matica je sama sebe podobná, t.j. A ~ A. 2. Symetria. Ak je matica A podobná B, potom B je podobná A, t.j.
Vlastnosti vlastných vektorov
1. Každý vlastný vektor patrí len jednej vlastnej hodnote. Dôkaz. Nech x je vlastný vektor s dvoma vlastnými hodnotami
Charakteristický polynóm matice
Daná je matica A О Рn´n (alebo A О Rn´n). Definujte
Podmienky, za ktorých je matica podobná diagonálnej matici
Nech A je štvorcová matica. Môžeme predpokladať, že ide o maticu nejakého lineárneho operátora definovaného na nejakej báze. Je známe, že v inom základe je matica lineárneho operátora
Jordan normálna forma
Definícia 10.5. Jordanova bunka rádu k súvisiaca s číslom l0 je matica rádu k, 1 ≤ k ≤ n,
Redukcia matice na Jordanovu (normálnu) formu
Veta 10.3. Jordanova normálna forma je určená jednoznačne pre maticu až do poradia usporiadania Jordanových buniek na hlavnej diagonále. Atď
Bilineárne formy
Definícia 11.1. Bilineárna forma je funkcia (mapa) f: V ´ V ® R (alebo C), kde V je ľubovoľný vektor
Vlastnosti bilineárnych foriem
Akákoľvek bilineárna forma môže byť reprezentovaná ako súčet symetrických a šikmo symetrických foriem. So zvolenou bázou e1, e2, …, en vo vektore
Transformácia matice bilineárnej formy pri prechode na novú bázu. Hodnosť bilineárnej formy
Nech dve bázy e = (e1, e2, …, en) a f = (f1, f2,
Kvadratické tvary
Nech A(x, y) je symetrická bilineárna forma definovaná na vektorovom priestore V. Definícia 11.6.
Redukcia kvadratickej formy na kanonickú formu
Vzhľadom na kvadratickú formu (2) A(x, x) = , kde x = (x1
Zákon zotrvačnosti kvadratických foriem
Zistilo sa, že počet nenulových kanonických koeficientov kvadratickej formy sa rovná jej poradiu a nezávisí od výberu nedegenerovanej transformácie, pomocou ktorej forma A(x
Nevyhnutná a postačujúca podmienka pre znak kvadratickej formy
Vyhlásenie 11.1. Aby bola kvadratická forma A(x, x), definovaná v n-rozmernom vektorovom priestore V, znamienkovo určitá, je potrebné
Nevyhnutná a postačujúca podmienka pre kvázi striedavý kvadratický tvar
Vyhlásenie 11.3. Aby kvadratická forma A(x, x), definovaná v n-rozmernom vektorovom priestore V, bola kvázi znamienková striedavá (tj.
Sylvesterské kritérium pre jednoznačný znak kvadratického tvaru
Nech je tvar A(x, x) v základe e = (e1, e2, …, en) určený maticou A(e) = (aij)
Záver
Lineárna algebra je povinnou súčasťou každého vyššieho matematického programu. Akákoľvek iná sekcia predpokladá prítomnosť vedomostí, zručností a schopností rozvinutých počas vyučovania tejto disciplíny
Bibliografia
Burmistrová E.B., Lobanov S.G. Lineárna algebra s prvkami analytickej geometrie. – M.: Vydavateľstvo HSE, 2007. Beklemishev D.V. Kurz analytickej geometrie a lineárnej algebry.
Lineárna algebra
Vzdelávacia a metodická príručka Editor a korektor G. D. Neganova Počítačové písanie T. N. Matytsina, E. K. Korzhevina
