线性代数(五)向量空间与子空间

根据课程内容,先补充一下置换矩阵和对称矩阵的概念。

置换矩阵是用来交换矩阵行数或列数的单位矩阵,对于N阶单位矩阵,其具有N!个不同的置换矩阵。用排列组合的知识可以很容易证明:对于N阶单位阵,第一行可以有个位置可供交换,对于第二行可以有个位置可供交换......以此类推,将每个行向量可供选择的位置相乘,可以得到一共有N!种不同的置换矩阵。

置换矩阵都是由单位矩阵变换而来,显然所有的置换矩阵都是可逆的。

置换矩阵的逆矩阵就是其转置矩阵(可以通过数学严格证明,此处不给出)

对称矩阵:元素关于主对角线对称的矩阵是对称矩阵。

矩阵乘该矩阵的对称矩阵,得到的一定是一个对称矩阵。

接下来介绍向量空间(我们这里只讨论实数向量以及向量加法、标量乘法定义的向量空间)。

向量空间是向量线性组合而成的,所谓线性组合即数乘和向量加法运算。向量空间必须对其内所有的向量满足数乘和向量加法运算封闭。

向量空间,这是一个二维向量空间,其内部的所有向量都是二维的;对于这个空间内部的向量,必须满足这些向量的所有线性组合全部位于内。

向量空间,这是一个三维向量空间,其内部的所有向量都是三维的;同样的,对于这个空间内部的向量,必须满足这些向量的所有线性组合全部位于内。

向量空间中的某些部分可以构成向量子空间,子空间必须满足同样的要求。

同样以空间为例,空间为整个平面,显然其内部向量的所有线性组合都位于该平面之上;现在取该平面的一部分,第一象限(不包含原点),那么第一象限是否可以构成子空间呢?

第一象限中的所有坐标都是正坐标,对应的所有向量都是正向量,这些向量相互做加法得到的向量显然还是位于第一象限,所以第一象限是满足对向量加法封闭的;但是如果用0乘一个第一象限中的向量,得到的将是0向量,即原点,而我们已经定义原点不在第一象限上,所以第一象限不满足对于向量数乘封闭。所以,第一象限无法构成空间的子空间。

换个例子,如直线y=x。这条直线是否可以构成子空间呢?显而易见,y=x上的所有点对应的向量满足对向量加法和数乘封闭,所以这条直线是可以构成子空间的。

通过空间的例子,我们已经可以总结出其子空间的情况:

1.本身(自己构成自己的子空间)

2.过原点的直线(直线上的向量满足对数乘、向量加法封闭)

3.原点(只有一个向量,(0,0))

推广到三维空间,该空间内的子空间有哪些?

1.本身,显而易见

2.过原点的平面(平面上的向量满足对数乘、向量加法封闭)

3.原点(只有一个向量,(0,0))

接下来介绍如何通过矩阵得到向量空间。

给定矩阵,从列的角度看,有,这两个向量不共线,那么显然它们的所有线性组合可以组成一个平面,那么这个平面就可以构成一个子空间。该空间成为由矩阵的列向量张成的列空间;而如果这两个向量共线,显然其只能张成一条直线,那么这时该直线构成一个子空间。

这里指出,如果向量属于向量空间,这些向量张成的子空间必然也属于(从几何的角度讲显而易见,子空间实际上取对空间进行降维后的部分)。

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