Как найти прямую сумму подпространств

Прямая сумма подпространств

Алгебраическая
сумма подпространств и линейного
пространства называется прямой
суммой
,
если пересечение подпространств состоит
из одного нулевого вектора. Прямая сумма
подпространств обозначается и
обладает следующим свойством: если ,
то для каждого вектора
 существует
единственное представление в виде
 ,
где.

Действительно,
если предположить противное, а именно
существование двух разных разложений: ,
где ,
то получим противоречие: из
равенства следует,
что ненулевой вектор принадлежит
обоим подпространствам и одновременно,
значит, принадлежит их пересечению, а
по определению их пересечение состоит
из одного нулевого вектора.

Признаки прямых сумм подпространств

Сумма является
прямой суммой, если:


существует
вектор
 ,
который однозначно представляется в
виде
 ,
где
 ;

базис
пространства
 является
объединением базисов подпространств
 и ;


справедливо
равенство
 .

Замечания
8.9

1. Понятие
прямой суммы распространяется на любое
конечное число слагаемых.
Сумма называется прямой
суммой подпространств
,
если пересечение каждого из них с суммой
остальных равно одному нулевому вектору:

2. Свойства
и признаки, указанные для прямой суммы
двух подпространств, справедливы и для
любого конечного числа слагаемых.
Отметим еще одно свойство: если 
базис пространства ,
то.

Пример
8.7.
 В
примере 8.6 найдены алгебраические суммы
подпространств. Какие суммы являются
прямыми?

Решение. Так
как ,
то сумма 
прямая. Аналогично полу чаем, что суммы

 — прямые.

Остальные
суммы подпространств, найденные в
примере 8.6, не являются прямыми:

поскольку
их пересечение содержит не только
нулевой вектор. Например, пересечение .

  1. Найпростіші
    задачі аналітичної геометрії.

 Расстояние
между двумя точками
 

где и радиус-векторы
точек и .

     В
координатах:

     на
прямой   

     на
плоскости   

     в
пространстве   

     Деление
отрезка в данном отношении
 

     В
координатах:

     на
прямой   ;

     на
плоскости   ,;

     в
пространстве   ,,

     Середина
отрезка
 (=
1) 

     В
координатах:

     на
прямой   ;

     на
плоскости   ,;

     в
пространстве   ,
  .

  1. Скалярний
    добуток векторів, його властивості
    ,зміст та застосування.

Геометрическая
интерпретация.

 Скалярным
произведением
 двух
векторов a и b будет
скалярная величина, равная произведению
модулей этих векторов умноженного на
косинус угла между ними:

a · b =
|a|
· |b| cos
α

Алгебраическая
интерпретация.

 Скалярным
произведением
 двух
векторов a и b будет
скалярная величина, равная сумме
попарного произведения координат
векторов a и b.

Формулы скалярного произведения векторов заданных координатами

Формула
скалярного произведения векторов для
плоских задач

В
случае плоской задачи скалярное
произведение векторов a =
{ax ; ay}
и b =
{bx ; by}
можно найти воспользовавшись следующей
формулой:

a · b = ax · bx + ay · by

Формула
скалярного произведения векторов для
пространственных задач

В
случае пространственной задачи скалярное
произведение векторов a = {ax ; ay ; az}
иb = {bx ; by ; bz}
можно найти воспользовавшись следующей
формулой:

a · b = ax · bx + ay · by + az · bz

Формула
скалярного произведения
 n -мерных
векторов

В
случае n-мерного
пространства скалярное произведение
векторов a = {a1 ; a2 ; … ; an}
иb = {b1 ; b2 ; … ; bn}
можно найти воспользовавшись следующей
формулой:

a · b = a1 · b1 + a2 · b2 +
… + an · bn

Свойства
скалярного произведения векторов

  1. Скалярное
    произведение вектора самого на себя
    всегда больше или равно нуля:

a · a ≥
0

  1. Скалярное
    произведение вектора самого на себя
    равно нулю тогда и только тогда, когда
    вектор равен нулевому вектору:

a · a =
0   <=>   a = 0

  1. Скалярное
    произведение вектора самого на себя
    равно квадрату его модуля:

a · a =
|a|2

  1. Операция
    скалярного умножения коммуникативна:

a · b = b · a

  1. Если
    скалярное произведение двух не нулевых
    векторов равно нулю, то эти вектора
    ортогональны:

a ≠
0, b ≠
0, a · b =
0   <=>   a ┴ b

  1. (αa)
    · b = α(a · b)

  2. Операция
    скалярного умножения дистрибутивна:

(a + b)
· c = a · c + b · c

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Подпространство линейного пространства

Определение и размерность подпространства

Определение 6.1. Подпространством L n-мерного пространства R называется множество векторов, образующих линейное пространство по отношению к действиям, которые определены в R.

Другими словами, L называется подпространством пространства R, если из x, yL следует, что x+yL и если xL, то λxL, где λ— любое вещественное число.

Простейшим примером подпространства является нулевое подпространство, т.е. подмножество пространства R, состоящее из единственного нулевого элемента. Подпространством может служить и все пространство R. Эти подпространства называются тривиальными или несобственными.

Подпространство n-мерного пространства конечномерно и его размерность не превосходит n: dim L≤ dim R.

Сумма и пересечение подпространств

Пусть L и M — два подпространства пространства R.

Cуммой L+M называется множество векторов x+y, где xL и yM. Очевидно, что любая линейная комбинация векторов из L+M принадлежит L+M, следовательно L+M является подпространством пространства R (может совпадать с пространством R).

Пересечением LM подпространств L и M называется множество векторов, принадлежащих одновременно подпространствам L и M (может состоять только из нулевого вектора).

Теорема 6.1. Сумма размерностей произвольных подпространств L и M конечномерного линейного пространства R равна размерности суммы этих подпространств и размерности пересечения этих подпространств:

dim L+dim M=dim(L+M)+dim(L∩M).

Доказательство. Обозначим F=L+M и G=L∩M. Пусть G g-мерное подпространство. Выберем в нем базис . Так как GL и GM, следовательно базис G можно дополнить до базиса L и до базиса M. Пусть базис подпространства L и пусть базис подпространства M. Покажем, что векторы

(6.1)

составляют базис F=L+M. Для того, чтобы векторы (6.1) составляли базис пространства F они должны быть линейно независимы и любой вектор пространства F можно представить линейной комбинацией векторов (6.1).

Докажем линейную независимость векторов (6.1). Пусть нулевой вектор пространства F представляется линейной комбинацией векторов (6.1) с некоторыми коэффициентами:

(6.2)

Тогда

(6.3)

Левая часть (6.3) является вектором подпространства L, а правая часть является вектором подпространства M. Следовательно вектор

принадлежит подпространству G=L∩M. С другой стороны вектор v можно представить линейной комбинацией базисных векторов подпространства G:

(6.5)

Из уравнений (6.4) и (6.5) имеем:

(6.6)

или

(6.7)

Но векторы являются базисом подпространства M, следовательно они линейно независимы и . Тогда (6.2) примет вид:

(6.8)

В силу линейной независимости базиса подпространства L имеем:

(6.9)

Так как все коэффициенты в уравнении (6.2) оказались нулевыми, то векторы

(6.10)

линейно независимы. Но любой вектор z из F (по определению суммы подпространств) можно представить суммой x+y, где x∈L, y∈M. В свою очередь x представляется линейной комбинацией векторов а y — линейной комбинацией векторов. Следовательно векторы (6.10) порождают подпространство F. Получили, что векторы (6.10) образуют базис F=L+M.

Изучая базисы подпространств L и M и базис подпространства F=L+M (6.10), имеем: dim L=g+l, dim M=g+m, dim (L+M)=g+l+m. Следовательно:

dim L+dim M−dim(L∩M)=dim(L+M).

Прямая сумма подпространств

Определение 6.2. Пространство F представляет собой прямую сумму подпространств L и M, если каждый вектор x пространства F может быть единственным способом представлен в виде суммы x=y+z, где yL и zM.

Прямая сумма обозначается LM. Говорят, что если F=LM, то F разлагается в прямую сумму своих подпространств L и M.

Теорема 6.2. Для того, чтобы n-мерное пространство R представляло собой прямую сумму подпространств L и M, достаточно, чтобы пересечение L и M содержало только нулевой элемент и чтобы размерность R была равна сумме размерностей подпространств L и M.

Доказательство. Выберем некоторый базис в подпространстве L и некоторый базис в подпространстве M. Докажем, что

(6.11)

является базисом пространства R. По условию теоремы размерность пространства R n равна сумме подпространств L и M (n=l+m). Достаточно доказать линейную независимость элементов (6.11). Пусть нулевой вектор пространства R представляется линейной комбинацией векторов (6.11) с некоторыми коэффициентами:

(6.12)

или

(6.13)

Так как левая часть (6.13) является вектором подпространства L, а правая часть — вектором подпространства M и LM=0, то

(6.14)

Но векторы и являются базисами подпространств L и M соответственно. Следовательно они линейно независимы. Тогда

(6.15)

Установили, что (6.12) справедливо лишь при условии (6.15), а это доказывает линейную независимость векторов (6.11). Следовательно они образуют базис в R.

Пусть x∈R. Разложим его по базису (6.11):

(6.16)

Из (6.16) имеем:

(6.17)

(6.18)

Из (6.17) и (6.18) следует, что любой вектор из R можно представить суммой векторов x1L и x2M. Остается доказать что это представление является единственным. Пусть кроме представления (6.17) есть и следующее представление:

(6.19)

Вычитая (6.19) из (6.17), получим

или

(6.20)

Так как , и LM=0, то и . Следовательно и . ■

Пересечение и сумма подпространств линейного пространства

Пусть L_1 и L_2 — подпространства линейного пространства V.

Пересечением подпространств L_1 и L_2 называется множество L_1cap L_2 векторов, каждый из которых принадлежит L_1 и L_2 одновременно, т.е. пересечение подпространств определяется как обычное пересечение двух множеств.

Алгебраической суммой подпространств L_1 и L_2 называется множество векторов вида mathbf{v}_1+mathbf{v}_2, где mathbf{v}_1in L_1,~mathbf{v}_2in L_2. Алгебраическая сумма (короче просто сумма) подпространств обозначается L_1+L_2:

L_1+L_2= Bigl{mathbf{v}in Vcolon, mathbf{v}= mathbf{v}_1+ mathbf{v}_2,~~ mathbf{v}_1in L_1,~ mathbf{v}_2in L_2Bigr}.

Представление вектора mathbf{v}in (L_1+L_2) в виде mathbf{v}= mathbf{v}_1+mathbf{v}_2, где mathbf{v}_1in L_1,~ mathbf{v}_2in L_2, называется разложением вектора mathbf{v} no подпространствам L_1 и L_2.


Замечания 8.8

1. Пересечение подпространств является подпространством. Поэтому понятия размерности, базиса и т.п. применяются к пересечениям.

2. Сумма подпространств является подпространством. Поэтому понятия размерности, базиса и т.п. применяются к суммам.

Действительно, нужно показать замкнутость линейных операций в множестве L_1+L_2. Пусть два вектора mathbf{u} и mathbf{v} принадлежат сумме L_1+L_2, т.е. каждый из них раскладывается по подпространствам:

mathbf{u}= mathbf{u}_1+mathbf{u}_2,quad mathbf{u}_1in L_1,~ mathbf{u}_2in L_2;qquad mathbf{v}=mathbf{v}_1+mathbf{v}_2,quad mathbf{v}_1in L_1,~ mathbf{v}_2in L_2.

Найдем сумму: mathbf{u}+mathbf{v}= (mathbf{u}_1+mathbf{u}_2)+ (mathbf{v}_1+ mathbf{v}_2)= (mathbf{u}_1+mathbf{v}_1)+( mathbf{u}_2+mathbf{v}_2). Так как mathbf{u}_1+mathbf{v}_1in L_1, а mathbf{u}_2+mathbf{v}_2in L_2, то mathbf{u}+mathbf{v}in L_1+L_2. Следовательно, множество L_1+L_2 замкнуто по отношению к операции сложения. Найдем произведение: lambda mathbf{v}= lambda(mathbf{v}_1+mathbf{v}_2)=lambda mathbf{v}_1+lambda mathbf{v}_2. Так как lambda mathbf{v}_1in L_1, a lambda mathbf{v}_2in L_2, то lambda mathbf{v}in L_1+L_2. Следовательно, множество L_1+L_2 замкнуто по отношению к операции умножения на число. Таким образом, L_1+L_2 — линейное подпространство.

3. Операция пересечения определена на множестве всех подпространств линейного пространства V. Она является коммутативной и ассоциативной. Пересечение любого семейства подпространств V является линейным подпространством, причем скобки в выражении L_1cap L_2capldotscap L_kldots — можно расставлять произвольно или вообще не ставить.

4. Минимальным линейным подпространством, содержащим подмножество M конечномерного линейного пространства V, называется пересечение всех подпространств Ltriangleleft V, содержащих M, т.е. bigcaplimits_{Msubset Ltriangleleft V}L. Если M=varnothing, то указанное пересечение совпадает с нулевым подпространством {mathbf{o}}, поскольку оно содержится в любом из подпространств Ltriangleleft V. Если M — линейное подпространство V~(Mtriangleleft V), то указанное пересечение совпадает с M, поскольку M содержится в каждом из пересекаемых подпространств (и является одним из них: Msubset Mtriangleleft V).

Минимальное свойство линейной оболочки: линейная оболочка operatorname{Lin}(M) любого подмножества M конечномерного линейного пространства V является минимальным линейным подпространством, содержащим M, т.е. operatorname{Lin}(M)= bigcaplimits_{Msubset Ltriangleleft V}L.

Действительно, обозначим Pi=bigcaplimits_{Msubset Ltriangleleft V}L. Надо доказать равенство двух множеств: operatorname{Lin}=Pi. Так как Msubset operatorname{Lin}(M)triangleleft V (см. пункт 6 замечаний 8.7), то Pisubset operatorname{Lin}(M). Докажем включение operatorname{Lin}(M)subsetPi. Произвольный элемент mathbf{v}in operatorname{Lin}(M) имеет вид mathbf{v}= sum_{i=1}^{k}lambda_i mathbf{v}_i, где mathbf{v}_iin M, i=1,ldots,k. Пусть L — любое подпространство, содержащее M~(Msubset Ltriangleleft V). Оно содержит все векторы mathbf{v}_i,~i=1,ldots,k и любую их линейную комбинацию (см. пункт 7 замечаний 8.7), в частности, вектор mathbf{v}. Поэтому вектор mathbf{v} принадлежит любому подпространству L, содержащему M. Значит, mathbf{v} принадлежит пересечению Pi таких подпространств. Таким образом, operatorname{Lin}(M)subsetPi. Из двух включений Pisubset operatorname{Lin}(M) и operatorname{Lin}(M)subsetPi следует равенство operatorname{Lin}(M)=Pi.

5. Операция сложения подпространств определена на множестве всех подпространств линейного пространства V. Она является коммутативной и ассоциативной. Поэтому в суммах L_1+L_2+ldots+L_k конечного числа подпространств скобки можно расставлять произвольно или вообще не ставить.

6. Можно определить объединение L_1cup L_2 подпространств L_1 и L_2 как множество векторов, каждый из которых принадлежит пространству L_1 или пространству L_2 (или обоим подпространствам). Однако, объединение подпространств в общем случае не является подпространством (оно будет подпространством только при дополнительном условии L_1subset L_2 или L_2subset L_1).

7. Сумма подпространств L_1+L_2 совпадает с линейной оболочкой их объединения L_1+L_2= operatorname{Lin}(L_1cup L_2). Действительно, включение L_1+L_2subset operatorname{Lin}(L_1cup L_2) следует из определения. Любой элемент множества L_1+L_2 имеет вид mathbf{v}_1+mathbf{v}_2, т.е. представляет собой линейную комбинацию двух векторов из множества L_1cup L_2. Докажем противоположное включение operatorname{Lin}(L_1cup L_2)subset L_1+L_2. Любой элемент mathbf{w}in operatorname{Lin}(L_1cup L_2) имеет вид mathbf{w}=sum_{i=1}^{k}lambda_i mathbf{v}_i, где mathbf{v}_iin L_1cup L_2. Разобьем эту сумму на две, относя к первой сумме все слагаемые lambda_imathbf{v}_i, у которых mathbf{v}_iin L_1. Остальные слагаемые составят вторую сумму:

mathbf{w}=mathop{sum_{substack{i=1\ mathbf{v}_iin L_1}}}limits^{k}lambda_i mathbf{v}_i+mathop{sum_{substack{i=1\ mathbf{v}_inotin L_1}}}limits^{k}lambda_i mathbf{v}_i= mathbf{w}_1+ mathbf{w}_2.

Первая сумма — это некоторый вектор mathbf{w}_1in L_1, вторая сумма — это некоторый вектор mathbf{w}_2in L_2. Следовательно, mathbf{w}= mathbf{w}_1+mathbf{w}_2in L_1+L_2. Значит, operatorname{Lin}(L_1cup L_2)subset L_1+L_2. Полученные два включения говорят о равенстве рассматриваемых множеств.


Теорема 8.4 о размерности суммы подпространств. Если L_1 и L_2 подпространства конечномерного линейного пространства V, то размерность суммы подпространств равна сумме их размерностей без размерности их пересечения (формула Грассмана):

dim(L_1+L_2)= dim{L_1}+dim{L_2}-dim(L_1cap L_2).

(8.13)

В самом деле, пусть (mathbf{e})=(mathbf{e}_1,ldots,mathbf{e}_s) — базис пересечения L_1cap L_2 (dim(L_1cap L_2)=s). Дополним его упорядоченным набором (mathbf{e}')=(mathbf{e}'_{s+1},ldots,mathbf{e}'_{m_1}) векторов до базиса (mathbf{e}),,(mathbf{e}') подпространства L_1~(dim{L_1}= m_1) и упорядоченным набором (mathbf{e}'')= (mathbf{e}''_{s+1},ldots, mathbf{e}''_{m_2}) векторов до базиса (mathbf{e}),,(mathbf{e}'') подпространства L_2 (dim{L_2}=m_2). Такое дополнение возможно по теореме 8.2. Из указанных трех наборов векторов составим упорядоченный набор (mathbf{e}),,(mathbf{e}'),,(mathbf{e}'') векторов. Покажем, что эти векторы являются образующими пространства L_1+L_2. Действительно, любой вектор mathbf{v} этого пространства представляется в виде линейной комбинации векторов из упорядоченного набора (mathbf{e}),,(mathbf{e}'),,(mathbf{e}'')colon

mathbf{v}=mathbf{v}_1+mathbf{v}_2= underbrace{sumlimits_{i=1}^{s}alpha_i mathbf{e}_i+ sumlimits_{i=s+1}^{m_1}alpha'_i mathbf{e}'_i}_{mathbf{v}_1},+ underbrace{sumlimits_{i=1}^{s}beta_i mathbf{e}_i+ sumlimits_{i=s+1}^{m_2}beta''_i mathbf{e}''_i}_{mathbf{v}_2}.

Следовательно, L_1+L_2= operatorname{Lin}[(mathbf{e}), (mathbf{e}'), (mathbf{e}'')]. Докажем, что образующие (mathbf{e}),,(mathbf{e}'),, (mathbf{e}'') линейно независимы и поэтому они являются базисом пространства L_1+L_2. Действительно, составим линейную комбинацию этих векторов и приравняем ее нулевому вектору:

underbrace{sumlimits_{i=1}^{s} alpha_i,mathbf{e}_i+ sumlimits_{i=s+1}^{m_1} beta_i, mathbf{e}'_i}_{mathbf{w}_1},+ underbrace{ sumlimits_{i=s+1}^{m_2} gamma_i, mathbf{e}''_i}_{mathbf{w}_2}= mathbf{o}.

(8.14)

Первые две суммы обозначим mathbf{w}_1 — это некоторый вектор из L_1, последнюю сумму обозначим mathbf{w}_2 — это некоторый вектор из L_2. Равенство (8.14): mathbf{w}_1+mathbf{w}_2=mathbf{o} означает, что вектор mathbf{w}_2=-mathbf{w}_1 принадлежит также и пространству L_1. Значит, mathbf{w}_2in L_1cap L_2. Раскладывая этот вектор по базису (mathbf{e}), находим mathbf{w}_2= sum_{i=1}^{s}delta_imathbf{e}_i. Учитывая разложение этого вектора в (8.14), получаем

mathbf{w}_2= sum_{i=1}^{s}delta_i,mathbf{e}_i= sum_{i=s+1}^{m_2} gamma_i,mathbf{e}''_iquad Leftrightarrowquad sum_{i=1}^{s}delta_i,mathbf{e}_i- sum_{i=s+1}^{m_2} gamma_i,mathbf{e}''_i=mathbf{o}.

Последнее равенство можно рассматривать, как разложение нулевого вектора по базису (mathbf{e}),,(mathbf{e}'') подпространства L_2. Все коэффициенты такого разложения нулевые: delta_1=ldots=delta_s=0 и gamma_{s+1}=ldots= gamma_{m_2}. Подставляя gamma_i=0 в (8.14), получаем sum_{i=1}^{s}alpha_i mathbf{e}_i+ sum_{i=s+1}^{m_1}beta_i mathbf{e}'_i= mathbf{o}. Это возможно только в тривиальном случае alpha_1=ldots= alpha_{s}=0 и beta_{s+1}=ldots+beta_{m_2}=0, так как система векторов (mathbf{e}),,(mathbf{e}') линейно независима (это базис подпространства L_1). Таким образом, равенство (8.14) выполняется только в тривиальном случае, когда все коэффициенты равны нулю одновременно. Следовательно, совокупность векторов (mathbf{e}),,(mathbf{e}'),,(mathbf{e}'') линейно независима, т.е. является базисом пространства L_1+L_2. Подсчитаем размерность суммы подпространств:

dim(L_1+L_2)= s+(m_1-s)+(m_2-s)= m_1+m_2-s= dim{L_1}+dim{L_2}- dim(L_1cap L_2),

что и требовалось доказать.


Пример 8.6. В пространстве V_3 радиус-векторов с общим началом в точке O заданы подпространства: L_0,~L_1 и L_2 — три множества радиус-векторов, принадлежащих пересекающимся в точке O прямым ell_0,~ell_1 и ell_2 соответственно; Pi_1 и Pi_2 — два множества радиус-векторов, принадлежащих пересекающимся плоскостям pi_1 и pi_2 соответственно; прямая ell_1, при надлежит плоскости pi_1, прямая ell_2 принадлежит плоскости pi_2, плоскости pi_1 и pi_2 пересекаются по прямой ell_0 (рис. 8.2). Найти суммы и пересечения каждых двух из указанных пяти подпространств.

Суммы и пересечения подпространств

Решение. Найдем сумму L_0+L_1. Складывая два вектора, принадлежащих L_0 и L_1 соответственно, получаем вектор, принадлежащий плоскости Pi_1. На оборот, любой вектор vec{v} (см. рис.8.2), принадлежащий Pi_1, можно представить в виде vec{v}_0+vec{v}_1, построив проекции vec{v}_0 и vec{v}_1 вектора vec{v} на прямые ell_0 и ell_1 соответственно. Значит, любой радиус-вектор плоскости Pi_1 раскладывается по подпространствам L_0 и L_1, т.е. L_0+L_1=Pi_1. Аналогично получаем, что L_0+L_2=Pi_2, а L_1+L_2 — множество радиус-векторов, принадлежащих плоскости, проходящей через прямые ell_1 и ell_2.

Найдем сумму Pi_1+L_2. Любой вектор {vec{w}} пространства V_3 можно разложить по подпространствам L_2 и Pi_1. В самом деле, через конец радиус-вектора {vec{w}} проводим прямую, параллельную прямой ell_2 (см. рис. 8.2), т.е. строим проекцию vec{u} вектора {vec{w}} на плоскость Pi_1. Затем на L_2 откладываем вектор vec{v}_2 так, чтобы vec{w}=vec{u}+vec{v}_2. Следовательно, Pi_1+L_2=V_3. Так как L_2triangleleftPi_2, то Pi_1+Pi_2=V_3. Аналогично получаем, что L_1+Pi_2=V_3. Остальные суммы находятся просто: L_0+Pi_1=L_1+Pi_1=Pi_1, L_0+Pi_2= L_2+Pi_2=Pi_2. Заметим, что L_0+L_1+L_2=V_3.

Используя теорему 8.4, проверим, например, равенство Pi_1+Pi_2=V_3 по размерности. Подставляя dimPi_1=dimPi_2=2 и dim(Pi_1capPi_2)= dim{L_0}=1 в формулу Грассмана, получаем dim(Pi_1capPi_2)=2+2-1=3, что и следовало ожидать, так как dim(Pi_1capPi_2)=dim{V_3}=3.

Пересечения подпространств находим по рис. 8.2, как пересечение геометрических фигур:

begin{gathered}L_0cap L_1=L_0cap L_2= L_1cap L_2= L_1cap Pi_2= L_2capPi_1= {vec{o}},\[5pt] L_0capPi_1=L_0,quad L_0capPi_2=L_0,quad L_1capPi_1=L_1,quad L_2capPi_2=L_2,quad Pi_1capPi_2=L_0,end{gathered}

где vec{o} — нулевой радиус-вектор overrightarrow{OO}.


Прямая сумма подпространств

Алгебраическая сумма подпространств L_1 и L_2 линейного пространства V называется прямой суммой, если пересечение подпространств состоит из одного нулевого вектора. Прямая сумма подпространств обозначается L_1oplus L_2 и обладает следующим свойством: если V=L_1oplus L_2, то для каждого вектора mathbf{v}in V существует единственное представление в виде mathbf{v}=mathbf{v}_1+mathbf{v}_2, где mathbf{v}_1in L_1,~ mathbf{v}_2in L_2.

Действительно, если предположить противное, а именно существование двух разных разложений: mathbf{v}=mathbf{v}_1+ mathbf{v}_2=mathbf{w}_1+mathbf{w}_2, где mathbf{v}_1,mathbf{w}_1in L_1,~ mathbf{v}_2,mathbf{w}_2in L_2, mathbf{v}_1ne mathbf{w}_1, то получим противоречие: из равенства mathbf{v}_1-mathbf{w}_1=mathbf{w}_2-mathbf{v}_2 следует, что ненулевой вектор mathbf{v}_1-mathbf{w}_1ne mathbf{o} принадлежит обоим подпространствам L_1 и L_2 одновременно, значит, принадлежит их пересечению, а по определению их пересечение состоит из одного нулевого вектора.


Признаки прямых сумм подпространств

Сумма V=L_1+L_2 является прямой суммой, если:

– существует вектор mathbf{v}in V, который однозначно представляется в виде mathbf{v}=mathbf{v}_1+mathbf{v}_2, где mathbf{v}_1in L_1,~ mathbf{v}_1in L_2;

– базис пространства V является объединением базисов подпространств L_1 и L_2;

– справедливо равенство dim{V}=dim{L_1}+dim{L_2}.

Замечания 8.9

1. Понятие прямой суммы распространяется на любое конечное число слагаемых. Сумма V=L_1oplus L_2oplusldotsoplus L_k называется прямой суммой подпространств, если пересечение каждого из них с суммой остальных равно одному нулевому вектору:

L_1cap(L_1+ldots+L_{i-1}+L_{i+1}+ldots+L_k)={mathbf{o}}.

2. Свойства и признаки, указанные для прямой суммы двух подпространств, справедливы и для любого конечного числа слагаемых. Отметим еще одно свойство: если mathbf{e}_1,mathbf{e}_2,ldots,mathbf{e}_n — базис пространства V, то V=operatorname{Lin}(mathbf{e}_1)oplus operatorname{Lin}(mathbf{e}_2)oplusldots oplusoperatorname{Lin}(mathbf{e}_n).


Пример 8.7. В примере 8.6 найдены алгебраические суммы подпространств. Какие суммы являются прямыми?

Решение. Так как L_0cap L_1=vec{o}, то сумма L_0oplus L_1 — прямая. Аналогично полу чаем, что суммы

L_0oplus L_2,quad L_1oplus L_2,quad Pi_1oplus L_2,quad L_1oplusPi_2,quad L_0oplus L_1oplus L_2 — прямые.

Остальные суммы подпространств, найденные в примере 8.6, не являются прямыми:

L_0+Pi_1,quad L_0+Pi_2,quad L_1+Pi_1,quad L_2+Pi_2,quad Pi_1+Pi_2,

поскольку их пересечение содержит не только нулевой вектор. Например, пересечение Pi_1capPi_2=L_0ne{vec{o}}.


Алгебраические дополнения подпространств

Пусть L — подпространство конечномерного линейного пространства V. Подпространство L^{+}triangleleft V называется алгебраическим дополнением подпространства L в пространстве V, если V=Loplus L^{+}. Говорят, что L^{+} дополняет (алгебраически) подпространство L до V.

Рассмотрим свойства алгебраических дополнений подпространств.

1. Для любого подпространства Ltriangleleft V существует алгебраическое дополнение L^{+}triangleleft V.

Действительно, если L={mathbf{o}}, то L^{+}triangleleft V. Если L=V, то L^{+}={mathbf{o}}. В остальных случаях базис mathbf{e}_1,mathbf{e}_2,ldots,mathbf{e}_s подпространства L можно дополнить по теореме 8.2 до базиса mathbf{e}_1,ldots,mathbf{e}_s, mathbf{e}_{s+1},ldots, mathbf{e}_n пространства V. Тогда L^{+}=operatorname{Lin} (mathbf{e}_{s+1},ldots,mathbf{e}_{n}). В примере 8.7 получено равенство V_3=L_1oplusPi_2, т.е. подпространства L_1 и Pi_2 дополняют друг друга до всего пространства.

2. Базис любого подпространства Ltriangleleft V дополняется базисом алгебраического дополнения L^{+}triangleleft V до базиса всего пространства.

3. Алгебраическое дополнение L^{+} подпространства Ltriangleleft V, кроме случаев L={mathbf{o}} или L=V, определяется неоднозначно.

В примере 8.7 дополнением плоскости Pi_2 в пространстве V_3 служит множество радиус-векторов, принадлежащих любой прямой, пересекающей плоскость Pi_2 в точке O, в частности, подпространство L_1.

4. Для любого подпространства Ltriangleleft Vcolon,L^{+}oplus (L^{+})^{+}=V.

Это равенство следует непосредственно из определения. Заметим, что равенство L=(L^{+})^{+} в силу неоднозначности определения алгебраического дополнения, вообще говоря, не справедливо.

5. Если L_1 и L_2 — подпространства пространства V, то пересечение их алгебраических дополнений является алгебраическим дополнением суммы подпространств, и, наоборот, сумма алгебраических дополнений является алгебраическим дополнением пересечения подпространств:

(L_1+L_2)oplus(L_1^{+}cap L_2^{+})=V,qquad (L_1cap L_2)oplus (L_1^{+}+L_2^{+})=V.

(8.15)

Заметим, что равенства (L_1+L_2)^{+}=L_1^{+}cap L_2^{+} и (L_1cap L_2)^{+}=L_1^{+}+L_2^{+} в силу неоднозначности определения алгебраического дополнения, вообще говоря, не справедливы.

Докажем последнее свойство. Как при доказательстве теоремы 8.4 по строим базис суммы подпространств из трех наборов (mathbf{e}),(mathbf{e}'),(mathbf{e}'') векторов: L_1+L_2=operatorname{Lin}[(mathbf{e}),(mathbf{e}'),(mathbf{e}'')]. Дополним теперь этот базис (по теореме 8.2) век торами (mathbf{f})=(mathbf{f}_1,ldots,mathbf{f}_k) до базиса (mathbf{e}),(mathbf{e}'),(mathbf{e}''),(mathbf{f}) пространства V. Так как (mathbf{e}),(mathbf{e}') базис L_1, то по свойству 2 алгебраических дополнений заключаем, что (mathbf{e}''),(mathbf{f}) — базис L_1^{+}. Аналогично получаем, что (mathbf{e}'),(mathbf{f}) — базис L_2^{+}. Следовательно, (mathbf{f}) — базис пересечения L_1^{+}cap L_2^{+}. Таким образом, базис всего пространства V получается объединением базиса суммы L_1+L_2 и базиса пересечения L_1^{+}cap L_2^{+}: underbrace{(mathbf{e}) (mathbf{e}')(mathbf{e}'')}_{L_1+L_2} underbrace{(mathbf{f})}_{L_1^{+}cap L_2^{+}}. Используя признак 2 прямой суммы подпространств, получаем (L_1+L_2)oplus (L_1^{+}cap L_2^{+})=V. Равенство (L_1cap L_2)oplus (L_1^{+}+ L_2^{+})=V следует аналогично из структуры underbrace{(mathbf{e})}_{L_1cap L_2} underbrace{(mathbf{e}') (mathbf{e}'') (mathbf{f})}_{L_1^{+}+L_2^{+}} базиса пространства V.


Линейная зависимость и линейная независимость векторов над подпространством

Говорят, что система векторов mathbf{v}_1,mathbf{v}_2,ldots,mathbf{v}_k пространства V линейно зависима над подпространством Ltriangleleft V, если существует нетривиальная линейная комбинация этих векторов, принадлежащая подпространству L, т.е. найдутся такие числа alpha_1,alpha_2,ldots,alpha_k, неравные нулю одновременно, что

alpha_1cdot mathbf{v}_1+ alpha_2cdot mathbf{v}_2+ldots+ alpha_kcdot mathbf{v}_kin L.

Если последнее включение возможно только в тривиальном случае, т.е при alpha_1= alpha_2=ldots=alpha_k=0, то векторы mathbf{v}_1,mathbf{v}_2, ldots, mathbf{v}_k называют линейно независимы ми над подпространством L.

Понятие линейной зависимости или независимости над подпространством обобщает обычное, рассмотренное ранее, понятие линейной зависимости или независимости векторов, и совпадает с ним, если в качестве подпространства Ltriangleleft V взять нулевое L={mathbf{o}}.

Следующие свойства прямых сумм подпространств можно сформулировать при помощи понятия линейной зависимости и линейной независимости над подпространством.

1. Если пространство V представлено в виде прямой суммы подпространств V=L_1oplus L_2, то любая линейно независимая система векторов подпространства L_1 будет линейно независимой над подпространством L_2.

2. Базисом алгебраического дополнения L^{+} подпространства Ltriangleleft V является максимальная совокупность векторов пространства V, линейно независимая над подпространством L (см. свойство 2 алгебраических дополнений подпространств).

Пусть имеется цепочка подпространств Ltriangleleft Mtriangleleft V. Подпространство L^{+}cap M называется алгебраическим дополнением подпространства L относительно подпространства M (или относительным дополнением L до подпространства M). Базисом относительного дополнения L^{+}cap M служит максимальная система векторов M, линейно независимая над L.

Математический форум (помощь с решением задач, обсуждение вопросов по математике).

Кнопка "Поделиться"

Если заметили ошибку, опечатку или есть предложения, напишите в комментариях.

Определение 2.4. Сумму H1 + Н2 двух линейных подпространств H1 и Н2 данного линейного пространства называют прямой суммой, если для каждого вектора х из H1 + Н2 его представление

x = x1 + x2, x1 ∈ H1, x2 ∈ H2,

единственно.

Прямую сумму линейных подпространств H1 и Н2 обозначают H1⊕H2. Прямая сумма как частный случай суммы линейных подпространств по теореме 2.2 является линейным подпространством.

Пример 2.9. Сумма линейных подпространств H1 и Н2 в примере 2.8 является прямой. Действительно, представление произвольного вектора OM в виде OM = OM1 + OM2, где OM1 ∈ H1, OM2 ∈ H2, равносильно представлению этого вектора в виде линейной комбинации векторов OA и OB , так как, согласно определению подпространств H1 и Н2, OM1 = λ1OA, OM2 = λ2OB для некоторых чисел λ1 и λ2. Но так как векторы OA и OB линейно независимы, такое представление единственно.

Теорема 2.3 Для того чтобы сумма H1 + Н2 линейных подпространств H1 и Н2 была прямой, необходимо и достаточно, чтобы пересечение этих линейных подпространств было нулевым подпространством, т.е. Н1 ∩ Н2 = {0}.

◄ Необходимость. Пусть сумма H1 + Н2 является прямой суммой. Выберем любой вектор у ∈ Н1 ∩ Н2. Тогда у ∈ H1 + Н2 и для него справедливы два представления

у = у + 0, у = 0 + у, (2.1)

в каждом из которых левое слагаемое является элементом линейного подпространства H1, а правое — H2. Так как H1 + Н2 является прямой суммой, то оба представления (2.1) совпадают, т.е. у = 0. Значит, Н1 ∩ Н2 содержит единственный вектор 0.

Достаточность. Пусть Н1 ∩ Н2 = {0}. Рассмотрим произвольный вектор х ∈ Н1 + Н2 и докажем, что любые два его представления

х = х1 + x2, x1 ∈ H1, x2 ∈ Н2; (2.2)

х = х’1 + ‘x2, x’1 ∈ H1, x’2 ∈ Н2; (2.3)

совпадают.

Вычтем из равенства (2.2) равенство (2.3). В результате получим (х1 + x2) — (х’1 + х’2) = 0, откуда

х1 — х’1 = х’2 — x2.

Но тогда, с одной стороны, вектор у = х1 — х’1 принадлежит линейному подпространству Н1, а с другой — он, согласно представлению у = х’2 — x2, принадлежит к другому линейному подпространству H2. Следовательно, у ∈ Н1 ∩ Н2, а так как Н1 ∩ Н2 = {0}, то и у = 0. Поэтому х1 — х’1 = 0 и x2 — х’2 = 0, т.е. представления (2.2) и (2.3) совпадают. ►

Пример 2.10. В примере 2.8 линейные подпространства
Н1 и Н2 образуют прямую сумму (см. пример 2.9). Это можно показать следующим образом. Так как прямые пересекаются в единственной точке, то единственный вектор, коллинеарный одновременно обеим прямым, изображающим подпространства, — это нулевой вектор. Значит, Н1 ∩ Н2 = {0}. Согласно теореме 2.3, эти подпространства образуют прямую сумму.

  1. Линейные операции над векторами

  2. Базис. Cкалярное произведение

  3. Векторное и смешанное произведения векторов

  4. Декартова система координат. прямая на плоскости

  5. Плоскость в пространстве

  6. Прямая в пространстве

  7. Кривые второго порядка — I

  8. Кривые второго порядка — II

  9. Поверхности второго порядка

  10. Матрицы и операции с ними

  11. Обратная матрица

  12. Ранг матрицы

  13. Системы линейных алгебраических уравнений

  14. Свойства решений однородных и неоднородных СЛАУ

Предложите, как улучшить StudyLib

(Для жалоб на нарушения авторских прав, используйте

другую форму
)

Ваш е-мэйл

Заполните, если хотите получить ответ

Оцените наш проект

1

2

3

4

5

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как найти одно неизвестное в эксель
  • Как найти отношение оснований треугольника
  • Как найти все простые числа на промежутке
  • Как составить согласие на приватизацию
  • Как найти массовую долю нейтронов