齊次方程組的解集、對稱矩陣的集合、在某一點取值為零的多項式集合,都是較大向量空間中的子集。若一個子集在原有的加法與純量乘法下仍滿足向量空間公理,它就是子空間。
為甚麼只需要檢查少數公理
設 V V V 已經是一個向量空間,而 W ⊆ V W \subseteq V W ⊆ V 。如果我們在 W W W 上使用
的仍然是 V V V 原本的加法與純量乘法,那麼交換律、結合律和分配律並不
需要由頭再證一次,因為這些恆等式在 V V V 裡本來就成立。
真正要問的是:
W W W 裡兩個向量相加後,會不會仍留在 W W W ?
W W W 裡一個向量乘上純量後,會不會仍留在 W W W ?
W W W 有沒有包含向量空間結構一定要有的向量,尤其是零向量?
所以子空間測試本質上是一個封閉性測試。
定義
子空間定義 設 V V V 是一個向量空間。若子集合 W ⊆ V W \subseteq V W ⊆ V 滿足:
W W W 非空;
對所有 u , v ∈ W u, v \in W u , v ∈ W ,都有 u + v ∈ W u + v \in W u + v ∈ W ;
對所有 u ∈ W u \in W u ∈ W 和所有 α ∈ R \alpha \in R α ∈ R ,都有 α u ∈ W \alpha u \in W α u ∈ W ;
那麼 W W W 稱為 V V V 的一個 子空間 。
「繼承」是關鍵限定。子集若另行定義運算,可能自身構成向量空間,卻未必是原空間的子空間。這裏每次加法與純量乘法都在 V V V 中計算;封閉性說明已經定義的運算仍把結果送入 W W W ,因此它們才能成為 W W W 上的運算。
從十條公理縮減為三個條件,還有一個邏輯步驟。結合律等恆等式可直接限制到 W W W 中的元素,但零向量與反元素在 W W W 內的存在性仍須證明。由非空性選擇 w ∈ W w\in W w ∈ W ,純量乘法封閉性給出 0 w = 0 V ∈ W 0w=0_V\in W 0 w = 0 V ∈ W 。對任意 u ∈ W u\in W u ∈ W ,同樣得到 ( − 1 ) u = − u ∈ W (-1)u=-u\in W ( − 1 ) u = − u ∈ W 。這些正是外層空間的零與反元素,因此相關恆等式仍成立,而且所需元素全部留在 W W W 內。結合繼承的恆等式,三個條件便足以保證 W W W 是向量空間。
非空條件不能刪除。如果 W = ∅ W=\varnothing W = ∅ ,「對所有 u , v ∈ W u,v\in W u , v ∈ W 」就沒有輸入可供檢驗,兩條封閉性陳述都空泛地成立,但 W W W 仍沒有零向量。上述證明只需要一個實際成員作為起點;直接檢查外層空間的零是否屬於 W W W ,通常最方便。
把兩種封閉性合成一個線性組合條件,往往能使證明更直接。
定理
等價的子空間測試 設 V V V 是向量空間,W ⊆ V W \subseteq V W ⊆ V 。則 W W W 是 V V V 的子空間,當且僅當:
0 ∈ W 0 \in W 0 ∈ W ;
對任意 u , v ∈ W u, v \in W u , v ∈ W 及任意 α , β ∈ R \alpha, \beta \in R α , β ∈ R ,向量
α u + β v \alpha u + \beta v α u + β v
仍然屬於 W W W 。
證明
為甚麼這個等價形式成立 先假設 W W W 已經是子空間。因為 W W W 非空,取一個 w ∈ W w \in W w ∈ W 。由純量乘法
封閉性可得
0 w = 0 ∈ W . 0w = 0 \in W. 0 w = 0 ∈ W . 再設 u , v ∈ W u, v \in W u , v ∈ W ,α , β ∈ R \alpha, \beta \in R α , β ∈ R 。由純量乘法封閉性得
α u ∈ W \alpha u \in W α u ∈ W 、β v ∈ W \beta v \in W β v ∈ W ,再由加法封閉性得
α u + β v ∈ W . \alpha u + \beta v \in W. α u + β v ∈ W . 反過來,若 0 ∈ W 0 \in W 0 ∈ W ,而且對所有 u , v ∈ W u, v \in W u , v ∈ W 、α , β ∈ R \alpha, \beta \in R α , β ∈ R
都有 α u + β v ∈ W \alpha u + \beta v \in W α u + β v ∈ W ,則 W W W 已經非空。若取
α = β = 1 \alpha = \beta = 1 α = β = 1 ,便得到
u + v ∈ W . u + v \in W. u + v ∈ W . 若取 v = 0 v = 0 v = 0 、α = κ \alpha = \kappa α = κ 、β = 0 \beta = 0 β = 0 ,便得到
κ u + 0 ⋅ 0 = κ u ∈ W . \kappa u + 0 \cdot 0 = \kappa u \in W. κ u + 0 ⋅ 0 = κ u ∈ W . 所以原本三條定義也成立。
由方程定義的標準例子
先看線性方程定義的集合:右端為零,正是加法與純量乘法能保持成員條件的原因。
例題
R 2 R^2 R 2 裡一條通過原點的直線設
W = { ( x , y ) ∈ R 2 : y = 2 x } . W = \left\{(x, y) \in R^2 : y = 2x\right\}. W = { ( x , y ) ∈ R 2 : y = 2 x } . 要證明 W W W 是 R 2 R^2 R 2 的子空間,只需逐條檢查定義。
W W W 非空,因為 ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) 滿足 0 = 2 ⋅ 0 0 = 2 \cdot 0 0 = 2 ⋅ 0 。
若 ( x 1 , y 1 ) , ( x 2 , y 2 ) ∈ W (x_1, y_1), (x_2, y_2) \in W ( x 1 , y 1 ) , ( x 2 , y 2 ) ∈ W ,則 y 1 = 2 x 1 y_1 = 2x_1 y 1 = 2 x 1 、y 2 = 2 x 2 y_2 = 2x_2 y 2 = 2 x 2 。
因而
y 1 + y 2 = 2 ( x 1 + x 2 ) , y_1 + y_2 = 2(x_1 + x_2), y 1 + y 2 = 2 ( x 1 + x 2 ) ,
所以 ( x 1 + x 2 , y 1 + y 2 ) ∈ W (x_1 + x_2, y_1 + y_2) \in W ( x 1 + x 2 , y 1 + y 2 ) ∈ W 。
若 ( x , y ) ∈ W (x, y) \in W ( x , y ) ∈ W 且 α ∈ R \alpha \in R α ∈ R ,則 y = 2 x y = 2x y = 2 x ,因此
α y = 2 ( α x ) , \alpha y = 2(\alpha x), α y = 2 ( α x ) ,
所以 ( α x , α y ) ∈ W (\alpha x, \alpha y) \in W ( α x , α y ) ∈ W 。
故此 W W W 是 R 2 R^2 R 2 的子空間。
幾何圖像與代數結論完全一致:這是一條通過原點的直線。所謂「通過原
點」不是裝飾性描述,而是零向量屬於集合的幾何痕跡。
例題
由一條齊次線性方程切出的平面 再設
W = { ( x , y , z ) ∈ R 3 : x + 2 y + 3 z = 0 } . W = \left\{(x, y, z) \in R^3 : x + 2y + 3z = 0\right\}. W = { ( x , y , z ) ∈ R 3 : x + 2 y + 3 z = 0 } . 同樣只需檢查三件事。
W W W 非空,因為 ( 0 , 0 , 0 ) (0, 0, 0) ( 0 , 0 , 0 ) 滿足方程。
若 u = ( u 1 , u 2 , u 3 ) u = (u_1, u_2, u_3) u = ( u 1 , u 2 , u 3 ) 與 v = ( v 1 , v 2 , v 3 ) v = (v_1, v_2, v_3) v = ( v 1 , v 2 , v 3 ) 在 W W W 內,則
u 1 + 2 u 2 + 3 u 3 = 0 , v 1 + 2 v 2 + 3 v 3 = 0. u_1 + 2u_2 + 3u_3 = 0,
\qquad
v_1 + 2v_2 + 3v_3 = 0. u 1 + 2 u 2 + 3 u 3 = 0 , v 1 + 2 v 2 + 3 v 3 = 0.
相加後得到
( u 1 + v 1 ) + 2 ( u 2 + v 2 ) + 3 ( u 3 + v 3 ) = 0 , (u_1 + v_1) + 2(u_2 + v_2) + 3(u_3 + v_3) = 0, ( u 1 + v 1 ) + 2 ( u 2 + v 2 ) + 3 ( u 3 + v 3 ) = 0 ,
因此 u + v ∈ W u + v \in W u + v ∈ W 。
若 u ∈ W u \in W u ∈ W 且 α ∈ R \alpha \in R α ∈ R ,則
α u 1 + 2 α u 2 + 3 α u 3 = α ( u 1 + 2 u 2 + 3 u 3 ) = α ⋅ 0 = 0 , \alpha u_1 + 2\alpha u_2 + 3\alpha u_3
=
\alpha(u_1 + 2u_2 + 3u_3)
=
\alpha \cdot 0
=
0, α u 1 + 2 α u 2 + 3 α u 3 = α ( u 1 + 2 u 2 + 3 u 3 ) = α ⋅ 0 = 0 ,
所以 α u ∈ W \alpha u \in W α u ∈ W 。
於是 W W W 是 R 3 R^3 R 3 的子空間。
這個例子是「由齊次線性方程定義的集合」的原型。右邊的常數是 0 0 0 ,
正正就是封閉性得以成立的原因。
用檢查器比較各集合是否包含零向量,以及是否對加法和純量乘法封閉。
子空間測試的直接推論
一旦知道 W W W 是子空間,若干基本結論就立刻成立。
前面的論證已給出 0 V ∈ W 0_V\in W 0 V ∈ W ,以及 u ∈ W u\in W u ∈ W 時 − u ∈ W -u\in W − u ∈ W 。它們都來自 V V V ,子空間並沒有另選一套零與反元素。
於是兩個極端例子也自然成立:
{ 0 } \{0\} { 0 } 是任何向量空間的 最小 子空間;
V V V 本身是 V V V 的 最大 子空間。
零空間一定是子空間
矩陣理論裡第一個重要的子空間家族,就是零空間。
定理
矩陣的零空間是子空間 設 A A A 是一個 m × n m \times n m × n 矩陣,並令
N ( A ) = { x ∈ R n : A x = 0 } . N(A) = \left\{x \in R^n : Ax = 0\right\}. N ( A ) = { x ∈ R n : A x = 0 } . 則 N ( A ) N(A) N ( A ) 是 R n R^n R n 的一個子空間。
證明
為甚麼 N ( A ) N(A) N ( A ) 是子空間 首先,0 ∈ N ( A ) 0 \in N(A) 0 ∈ N ( A ) ,因為
A 0 = 0. A0 = 0. A 0 = 0. 再設 u , v ∈ N ( A ) u, v \in N(A) u , v ∈ N ( A ) ,α ∈ R \alpha \in R α ∈ R 。由 A u = 0 Au = 0 A u = 0 、A v = 0 Av = 0 A v = 0 可得
A ( u + v ) = A u + A v = 0 + 0 = 0 , A(u + v) = Au + Av = 0 + 0 = 0, A ( u + v ) = A u + A v = 0 + 0 = 0 , 以及
A ( α u ) = α ( A u ) = α ⋅ 0 = 0. A(\alpha u) = \alpha(Au) = \alpha \cdot 0 = 0. A ( α u ) = α ( A u ) = α ⋅ 0 = 0. 所以 u + v ∈ N ( A ) u + v \in N(A) u + v ∈ N ( A ) ,亦有 α u ∈ N ( A ) \alpha u \in N(A) α u ∈ N ( A ) 。因此 N ( A ) N(A) N ( A ) 是
R n R^n R n 的子空間。
這個定理說明「零空間」不是方便的名字而已。齊次方程組的解集真的是
一個向量空間。
例題
一條齊次方程其實就是某個零空間 令
A = [ 1 2 3 ] . A = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 \end{bmatrix}. A = [ 1 2 3 ] . 則
N ( A ) = { [ x y z ] : x + 2 y + 3 z = 0 } . N(A)
=
\left\{
\begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix}
:
x + 2y + 3z = 0
\right\}. N ( A ) = ⎩ ⎨ ⎧ x y z : x + 2 y + 3 z = 0 ⎭ ⎬ ⎫ . 所以剛才那個平面,其實正是某個矩陣的零空間。由
x = − 2 y − 3 z x = -2y - 3z x = − 2 y − 3 z 可得零空間裡任意向量都可寫成
[ x y z ] = y [ − 2 1 0 ] + z [ − 3 0 1 ] . \begin{bmatrix}
x \\
y \\
z
\end{bmatrix}
=
y \begin{bmatrix} -2 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix}
+
z \begin{bmatrix} -3 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix}. x y z = y − 2 1 0 + z − 3 0 1 . 因此這個子空間是一個通過原點、由兩個向量生成的平面。
例題
矩陣與多項式上的對稱條件 設 S n S_n S n 是實對稱 n × n n\times n n × n 矩陣的集合。零矩陣對稱。若 X T = X X^T=X X T = X 、Y T = Y Y^T=Y Y T = Y ,且 α , β ∈ R \alpha,\beta\in\mathbb R α , β ∈ R ,則
( α X + β Y ) T = α X T + β Y T = α X + β Y . (\alpha X+\beta Y)^T=\alpha X^T+\beta Y^T
=\alpha X+\beta Y. ( α X + β Y ) T = α X T + β Y T = α X + β Y . 所以 S n S_n S n 是固定矩陣空間的子空間。這裏使用轉置的線性性質與兩個成員等式,沒有聲稱任意矩陣乘積保持對稱。矩陣乘法與子空間測試無關。
類似地,設 E E E 由 P n P_n P n 中的偶多項式組成,即對每個實數 t t t 都滿足 p ( − t ) = p ( t ) p(-t)=p(t) p ( − t ) = p ( t ) 。零多項式屬於 E E E 。對 p , q ∈ E p,q\in E p , q ∈ E 與實數 α , β \alpha,\beta α , β ,
( α p + β q ) ( − t ) = α p ( − t ) + β q ( − t ) = α p ( t ) + β q ( t ) = ( α p + β q ) ( t ) . (\alpha p+\beta q)(-t)=\alpha p(-t)+\beta q(-t)
=\alpha p(t)+\beta q(t)=(\alpha p+\beta q)(t). ( α p + β q ) ( − t ) = α p ( − t ) + β q ( − t ) = α p ( t ) + β q ( t ) = ( α p + β q ) ( t ) . 恆等式對每個 t t t 成立,所以所得多項式仍為偶多項式;外層向量空間的運算也保證它仍屬於 P n P_n P n 。因此 E E E 是子空間。兩個例子的定義等式都在任意線性組合下保留。只檢查一個矩陣元素或一個函數輸入處的數值,不能驗證整個等式。
一個更廣的模式:由矩陣條件保留下來的子空間
零空間條件可以推廣:不再要求 A x = 0 Ax=0 A x = 0 ,而是要求 A x Ax A x 屬於一個已知子空間;目標空間的封閉性便能提供證明。
例題
經矩陣乘法拉回來的子空間 設 A A A 是一個 4 × 6 4 \times 6 4 × 6 矩陣,V V V 是 R 4 R^4 R 4 的子空間,並定義
W = { x ∈ R 6 : A x ∈ V } . W = \left\{x \in R^6 : Ax \in V\right\}. W = { x ∈ R 6 : A x ∈ V } . 則 W W W 是 R 6 R^6 R 6 的子空間。
證明完全按照子空間測試進行:
0 ∈ W 0 \in W 0 ∈ W ,因為 A 0 = 0 A0 = 0 A 0 = 0 ,而 0 ∈ V 0 \in V 0 ∈ V ;
若 x , y ∈ W x, y \in W x , y ∈ W ,則 A x , A y ∈ V Ax, Ay \in V A x , A y ∈ V ,因此
A ( x + y ) = A x + A y ∈ V , A(x + y) = Ax + Ay \in V, A ( x + y ) = A x + A y ∈ V ,
所以 x + y ∈ W x + y \in W x + y ∈ W ;
若 x ∈ W x \in W x ∈ W 且 α ∈ R \alpha \in R α ∈ R ,則 A x ∈ V Ax \in V A x ∈ V ,故
A ( α x ) = α ( A x ) ∈ V , A(\alpha x) = \alpha(Ax) \in V, A ( α x ) = α ( A x ) ∈ V ,
所以 α x ∈ W \alpha x \in W α x ∈ W 。
零空間其實就是這個例子的特殊情形,只要把 V V V 取成 { 0 } \{0\} { 0 } 即可。
這個觀點值得記住:很多子空間最自然的描述,不是逐個元素列出來,而
是寫成一個會被線性運算保留下來的條件。
子集合最常見的失敗方式
子空間測試雖然短,但非常嚴格。一個集合可以在多個地方失敗。
常見錯誤
平移後的直線可能不含零向量 集合 { ( x , y ) ∈ R 2 : x + y = 1 } \{(x,y)\in\mathbb R^2:x+y=1\} {( x , y ) ∈ R 2 : x + y = 1 } 不是子空間,因為 ( 0 , 0 ) (0,0) ( 0 , 0 ) 不滿足方程。直線的幾何形狀不能補足缺失的代數條件。反過來,包含零也只是測試的一部分,下面給出明確反例。
反例模式
含零與純量乘法封閉不能保證子空間 錯誤命題。 實向量空間的每個子集,只要包含零並且對所有實數倍封閉,就一定是子空間。
考慮以下實際的實對稱矩陣及二次式的零點集:
C = diag ( 1 , − 1 , − 1 , − 1 ) , S = { x ∈ R 4 : x T C x = 0 } . C=\operatorname{diag}(1,-1,-1,-1),\qquad
S=\{x\in\mathbb R^4:x^TCx=0\}. C = diag ( 1 , − 1 , − 1 , − 1 ) , S = { x ∈ R 4 : x T C x = 0 } . 記 q ( x ) = x T C x q(x)=x^TCx q ( x ) = x T C x ,則 q ( x ) = x 1 2 − x 2 2 − x 3 2 − x 4 2 q(x)=x_1^2-x_2^2-x_3^2-x_4^2 q ( x ) = x 1 2 − x 2 2 − x 3 2 − x 4 2 ,所以 q ( 0 ) = 0 q(0)=0 q ( 0 ) = 0 。對任意實數 α \alpha α ,還有 q ( α x ) = α 2 q ( x ) q(\alpha x)=\alpha^2q(x) q ( α x ) = α 2 q ( x ) ,因此 S S S 確實對所有純量倍封閉,包括負數倍與零倍。
現在取 u = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T u=(1,1,0,0)^T u = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) T 、v = ( 1 , − 1 , 0 , 0 ) T v=(1,-1,0,0)^T v = ( 1 , − 1 , 0 , 0 ) T 。直接代入得 q ( u ) = 1 − 1 = 0 q(u)=1-1=0 q ( u ) = 1 − 1 = 0 、q ( v ) = 1 − 1 = 0 q(v)=1-1=0 q ( v ) = 1 − 1 = 0 ,所以兩向量都屬於 S S S 。但是 u + v = ( 2 , 0 , 0 , 0 ) T u+v=(2,0,0,0)^T u + v = ( 2 , 0 , 0 , 0 ) T ,且 q ( u + v ) = 4 q(u+v)=4 q ( u + v ) = 4 。因此 u + v ∉ S u+v\notin S u + v ∈ / S ,準確失敗的條件是加法封閉性。
展開式揭示了失敗原因。對任意維數相容的實方陣 C C C ,都有
( u + v ) T C ( u + v ) = u T C u + v T C v + u T C v + v T C u . (u+v)^TC(u+v)=u^TCu+v^TCv+u^TCv+v^TCu. ( u + v ) T C ( u + v ) = u T C u + v T C v + u T C v + v T C u . 這裏給出的矩陣滿足 C T = C C^T=C C T = C 。由於 u T C v u^TCv u T C v 是純量,u T C v = ( u T C v ) T = v T C T u = v T C u u^TCv=(u^TCv)^T=v^TC^Tu=v^TCu u T C v = ( u T C v ) T = v T C T u = v T C u 。有了這個依據,才能把兩個交叉項合併為 2 u T C v 2u^TCv 2 u T C v 。本例中 u T C v = 2 u^TCv=2 u T C v = 2 ,所以展開得 0 + 0 + 2 ⋅ 2 = 4 0+0+2\cdot2=4 0 + 0 + 2 ⋅ 2 = 4 ,與直接計算一致。若矩陣未被假定為對稱,四項展開仍成立,但一般不能把交叉項替換成其中一項的兩倍。
修正命題。 實向量空間的子集 W W W 使用繼承的運算時,是子空間當且僅當它包含零,並且對其成員的每個組合 α u + β v \alpha u+\beta v α u + β v 都封閉。等價地,非空性連同加法封閉與純量乘法封閉即可。本例已實際驗證其中兩項,和向量卻仍不在集合中,說明缺失的加法條件不能由其餘條件推斷出來。
分清兩種封閉性
不同例子揭示不同缺失條件。當 n ≥ 1 n\geq1 n ≥ 1 時,半空間 H = { x ∈ R n : x 1 ≥ 0 } H=\{x\in\mathbb R^n:x_1\geq0\} H = { x ∈ R n : x 1 ≥ 0 } 包含零,也對加法封閉,因為兩個非負首座標之和仍非負。但是第一個標準座標向量 e 1 e_1 e 1 屬於 H H H ,− e 1 -e_1 − e 1 卻不屬於。純量域是整個 R \mathbb R R 時,只對正純量封閉並不足夠。
相反,Q = { ( x , y ) : x y ≥ 0 } Q=\{(x,y):xy\geq0\} Q = {( x , y ) : x y ≥ 0 } 對所有實數倍封閉,因為 ( α x ) ( α y ) = α 2 x y ≥ 0 (\alpha x)(\alpha y)=\alpha^2xy\geq0 ( α x ) ( α y ) = α 2 x y ≥ 0 。但 ( 1 , 0 ) , ( 0 , − 1 ) ∈ Q (1,0),(0,-1)\in Q ( 1 , 0 ) , ( 0 , − 1 ) ∈ Q ,而 ( 1 , − 1 ) ∉ Q (1,-1)\notin Q ( 1 , − 1 ) ∈ / Q ,所以加法失敗。這個較簡單的例子與上面的二次式零點集,揭示的是同一個邏輯區別。
失敗不一定來自幾何圖形。實奇異 2 × 2 2\times2 2 × 2 矩陣的集合包含零矩陣,奇異矩陣的任意純量倍仍然奇異。然而 diag ( 1 , 0 ) \operatorname{diag}(1,0) diag ( 1 , 0 ) 與 diag ( 0 , 1 ) \operatorname{diag}(0,1) diag ( 0 , 1 ) 都奇異,它們的和卻是可逆的單位矩陣。因此奇異矩陣不構成子空間。「元素都是矩陣」不能決定結論;定義條件必須在繼承的運算下保留。
同樣,次數恰為 n n n 的多項式不構成 P n P_n P n 的子空間:把 t n t^n t n 乘以零得到零多項式,它的次數不是 n n n 。這個論證也適用於 n = 0 n=0 n = 0 。當 n ≥ 1 n\geq1 n ≥ 1 時,t n t^n t n 與 − t n + 1 -t^n+1 − t n + 1 還給出加法失敗的見證,因為它們之和為一。因此,次數限制既要對一般純量檢查,也要對邊界純量檢查。
快速檢查
思考檢查
為甚麼 E = { f ( x ) ∈ P n : f ( 1 ) = 0 } E = \{f(x) \in P_n : f(1) = 0\} E = { f ( x ) ∈ P n : f ( 1 ) = 0 } 是 P n P_n P n 的子空間? 把 x = 1 x = 1 x = 1 時的函數值,當作需要在子空間測試下被保留下來的量。
解答 零多項式屬於 E E E ,因為 0 ( 1 ) = 0 0(1) = 0 0 ( 1 ) = 0 。若 f , g ∈ E f, g \in E f , g ∈ E ,則 f ( 1 ) = g ( 1 ) = 0 f(1) = g(1) = 0 f ( 1 ) = g ( 1 ) = 0 ,
所以
( f + g ) ( 1 ) = f ( 1 ) + g ( 1 ) = 0. (f + g)(1) = f(1) + g(1) = 0. ( f + g ) ( 1 ) = f ( 1 ) + g ( 1 ) = 0. 若 α ∈ R \alpha \in R α ∈ R 且 f ∈ E f \in E f ∈ E ,則
( α f ) ( 1 ) = α f ( 1 ) = α ⋅ 0 = 0. (\alpha f)(1) = \alpha f(1) = \alpha \cdot 0 = 0. ( α f ) ( 1 ) = α f ( 1 ) = α ⋅ 0 = 0. 因此 E E E 對加法與純量乘法都封閉,所以是 P n P_n P n 的子空間。
以下一題固定一個實矩陣 A ∈ M p , p ( R ) A\in M_{p,p}(\mathbb R) A ∈ M p , p ( R ) 。
思考檢查
設 W = { X ∈ M p , p ( R ) : A X − X A = O p × p } W = \{X \in M_{p,p}(R) : AX - XA = O_{p \times p}\} W = { X ∈ M p , p ( R ) : A X − X A = O p × p } 。為甚麼這個集合形成子空間? 把定義方程 A X − X A = O p × p AX - XA = O_{p \times p} A X − X A = O p × p 當成 A x = 0 Ax = 0 A x = 0 的矩陣版去處理。
解答 零矩陣屬於 W W W ,因為
A O p × p − O p × p A = O p × p . A O_{p \times p} - O_{p \times p} A = O_{p \times p}. A O p × p − O p × p A = O p × p . 若 X , Y ∈ W X, Y \in W X , Y ∈ W 且 κ , λ ∈ R \kappa, \lambda \in R κ , λ ∈ R ,則
A ( κ X + λ Y ) − ( κ X + λ Y ) A = κ ( A X − X A ) + λ ( A Y − Y A ) = O p × p . A(\kappa X + \lambda Y) - (\kappa X + \lambda Y)A
=
\kappa(AX - XA) + \lambda(AY - YA)
=
O_{p \times p}. A ( κ X + λY ) − ( κ X + λY ) A = κ ( A X − X A ) + λ ( A Y − Y A ) = O p × p . 所以 κ X + λ Y \kappa X + \lambda Y κ X + λY 仍屬於 W W W ,等價子空間測試便可套用。
思考檢查
為甚麼 { ( x , y ) ∈ R 2 : x + y = 1 } \{(x, y) \in R^2 : x + y = 1\} {( x , y ) ∈ R 2 : x + y = 1 } 不是子空間,雖然它仍然是一條直線?
解答 它在第一步就失敗了:零向量不在集合裡,因為
0 + 0 ≠ 1. 0 + 0 \neq 1. 0 + 0 = 1. 每個子空間都必須包含 0 0 0 ,所以這條直線不可能是子空間。
練習:還原通常的子空間測試
設 W ⊆ R 4 W\subseteq\mathbb R^4 W ⊆ R 4 ,k = ( 1 , 0 , 3 , 0 ) T ∈ W k=(1,0,3,0)^T\in W k = ( 1 , 0 , 3 , 0 ) T ∈ W ,並滿足:只要 u , v ∈ W u,v\in W u , v ∈ W ,就有 u − v ∈ W u-v\in W u − v ∈ W ;只要 t ∈ W t\in W t ∈ W 、a ∈ R a\in\mathbb R a ∈ R ,就有 a t + k ∈ W at+k\in W a t + k ∈ W 。證明 W W W 在繼承的運算下是子空間。a t + k at+k a t + k 本身不是通常的純量倍,所以純量乘法封閉性仍須證明。
解答 · 先去掉固定向量再應用測試 因為 k ∈ W k\in W k ∈ W ,差的封閉性給出 k − k = 0 ∈ W k-k=0\in W k − k = 0 ∈ W 。現在取任意 x ∈ W x\in W x ∈ W 與 b ∈ R b\in\mathbb R b ∈ R 。第二個條件給出 b x + k ∈ W bx+k\in W b x + k ∈ W ;由差的封閉性減去已知的 k ∈ W k\in W k ∈ W ,得到 ( b x + k ) − k = b x ∈ W (bx+k)-k=bx\in W ( b x + k ) − k = b x ∈ W 。這樣才真正建立純量乘法封閉性,也包括乘以 − 1 -1 − 1 。若 x , y ∈ W x,y\in W x , y ∈ W ,便知 − y ∈ W -y\in W − y ∈ W ,再由差的封閉性得 x − ( − y ) = x + y ∈ W x-(-y)=x+y\in W x − ( − y ) = x + y ∈ W 。子空間測試的三個條件至此全部成立。
給定的非零向量用來保證非空,並不是提議一個新的零向量。每次應用差的封閉性時,兩個輸入都已被證明屬於 W W W 。若從 b x + k ∈ W bx+k\in W b x + k ∈ W 直接寫出 b x ∈ W bx\in W b x ∈ W 而不說明為甚麼可以減去 k k k ,就遺漏了證明的核心步驟。
練習:元素條件與曲線條件
判斷下列集合在通常運算下是否為子空間:M 2 , 2 ( R ) M_{2,2}(\mathbb R) M 2 , 2 ( R ) 中的 L = { [ a b c d ] : a + b = c + d } L=\{\begin{bmatrix}a&b\\c&d\end{bmatrix}:a+b=c+d\} L = { [ a c b d ] : a + b = c + d } ,以及 R 2 \mathbb R^2 R 2 中的 P = { ( x , y ) : y = x 2 } P=\{(x,y):y=x^2\} P = {( x , y ) : y = x 2 } 。肯定結論須對任意成員證明;否定結論須給出一個實際成員,使某個必要運算的結果離開集合。
解答 · 跟蹤定義條件在運算後的變化 對於 L L L ,定義元素表達式 r ( X ) = a + b − c − d r(X)=a+b-c-d r ( X ) = a + b − c − d 。零矩陣滿足 r ( 0 ) = 0 r(0)=0 r ( 0 ) = 0 。若 X , Y ∈ L X,Y\in L X , Y ∈ L ,α , β \alpha,\beta α , β 為實數,通常的逐元素運算給出 r ( α X + β Y ) = α r ( X ) + β r ( Y ) = 0 r(\alpha X+\beta Y)=\alpha r(X)+\beta r(Y)=0 r ( α X + β Y ) = α r ( X ) + β r ( Y ) = 0 。因此每個這樣的組合都屬於 L L L ,證明它是子空間。
對於 P P P ,向量 ( 1 , 1 ) (1,1) ( 1 , 1 ) 滿足定義方程,但它的三倍 ( 3 , 3 ) (3,3) ( 3 , 3 ) 不滿足,因為 3 ≠ 3 2 3\ne3^2 3 = 3 2 。所以純量乘法封閉性失敗,P P P 不是子空間,即使它包含零。這些論證依靠的是條件在運算下的變化,而不是元素以矩陣或座標對的形式出現。
先讀這些內容
本節建立在
6.1 向量空間 的公理,
以及
4.1 齊次方程組與零空間
對 A x = 0 Ax = 0 A x = 0 的解釋之上。
下一節
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6.3 線性組合與張成
會把子空間當成生成過程的自然輸出來處理。