I Algebra liniowa z geometrią 1

Rozdział 5 Baza i wymiar

SŁOWA KLUCZOWE ROZDZIAŁU generowanie ◇ liniowa niezależność ◇ baza ◇ wymiar ◇ postać schodkowa ◇ podprzestrzeń span⁢{a1,…,ak} ◇ przestrzeń wektorowa Mm×n⁢(𝔽) ◇ podprzestrzeń wektorowa

5.1 Generowanie i liniowa niezależność

Definicja 5.1.

Podprzestrzeń generowana przez wektory

Niech (V,+,⋅) będzie przestrzenią wektorową nad ciałem 𝔽. Kombinacją liniową wektorów v1,…,vk∈V nazywamy dowolny wektor v postaci

v=x1⋅v1+…+xk⋅vk,x1,…,xk∈𝔽.

Zbiór span⁢{v1,…,vk} oznacza zbiór wszystkich wektorów będących kombinacjami liniowymi wektorów v1,…,vk, czyli

span⁢{v1,…,vk}={x1⋅v1+…+xk⋅vk:x1,…,xk∈𝔽}.

Nazywamy go podprzestrzenią generowaną przez wektory v1,…,vk. Powiemy, że wektory v1,…,vk generują przestrzeń wektorową V, jeśli

span⁢{v1,…,vk}=V.
Przykład 5.1.

Niech v=[0,1,1]T,u=[1,1,1]T∈ℤ23. Wyznaczymy span⁢{v,u}⊂ℤ23. Mamy 4 możliwe kombinacje liniowe:

  • •

    0⋅u+0⋅v=0,

  • •

    1⋅u+0⋅v=u,

  • •

    0⋅u+1⋅v=v,

  • •

    1⋅u+1⋅v=[0,1,1]T+[1,1,1]T=[1,0,0]T.

Stąd

span⁢{v,u}={0,v,u,[1,0,0]T}.
Definicja 5.2.

Liniowa niezależność wektorów

Wektory v1,…,vk∈V są liniowo niezależne, jeśli dla skalarów x1,…,xk∈𝔽 zachodzi implikacja

x1⋅v1+…+xk⋅vk=0⟹x1=…=xk=0.

Oznacza to, że jeśli kombinacja liniowa wektorów v1,…,vk jest wektorem zerowym, to wszystkie jej skalarne współczynniki są równe zero.

Przykład 5.2.

Rozważmy przestrzeń wektorową V wszystkich funkcji f:ℝ→ℝ. Pokażemy, że funkcje f=sin⁡(x) i g=cos⁡(x) są liniowo niezależne. Przypuśćmy, że x1⋅f+x2⋅g=0 dla pewnych x1,x2∈ℝ. Oznacza to, że dla dowolnego x∈ℝ mamy

x1⋅sin⁡(x)+x2⋅cos⁡x=0.

Podstawiając w tej równości x=0 otrzymujemy, że x2=0. Wstawiając x=π/2 dostajemy, że x1=0.

Przykład 5.3.

Pokażemy, że wektory

v=[1,1,3]T,u=[2,0,2]T,w=[4,3,0]T∈ℤ53

są liniowo zależne w ℤ53. Zauważmy, że

v+u=[3,1,0]T

oraz

3⋅(v+u)=[4,3,0]T=w,

czyli w jest kombinacją liniową wektorów v,u.

Z drugiej strony, wektory v,u,w∈ℝ3 są liniowo niezależne nad ℝ. Rzeczywiście, równość

x⋅v+y⋅u+z⋅w=0,x,y,z∈ℝ

oznacza, że

x+2⁢y+4⁢z=x+3⁢z=3⁢x+2⁢y=0,

więc x=y=z=0.

Definicja 5.3.

Baza przestrzeni wektorowej

Niech V będzie przestrzenią wektorową nad ciałem 𝔽. Wektory v1,…,vn∈V stanowią bazę przestrzeni wektorowej V, jeśli spełnione są warunki:

  • (B1)

    wektory v1,…,vn generują przestrzeń V, czyli

    span⁢{v1,…,vn}=V,
  • (B2)

    wektory v1,…,vn są liniowo niezależne.

Warunek (B1) oznacza, że każdy wektor v∈V można przedstawić jako kombinację liniową wektorów v1,…,vn, a warunek (B2) gwarantuje, że takie przedstawienie jest jednoznaczne.

Przykład 5.4.

Wektory

e1=[1,0,…,0]T,e2=[0,1,0,…,0]T,…,en=[0,…,0,1]T

stanowią bazę przestrzeni wektorowej 𝔽n. Rzeczywiście, są one liniowo niezależne, bo jeśli

[0,…,0]T =x1⋅e1+…+xn⋅en
=[x1,…,xn]T,

to x1=…=xn=0. Sprawdzimy warunek (B2). Niech v=[x1,…,xn]T∈𝔽n będzie dowolnym wektorem. Wtedy

v =[x1,…,xn]T
=[x1,0,…,0]T+…+[0,…,0,xn]T
=x1⋅e1+…+xn⋅en,

czyli v∈span⁢{e1,…,en}.

Wniosek 5.1.

Wektory v1,…,vn stanowią bazę dla V wtedy i tylko wtedy, gdy dla każdego wektora v∈V istnieją jednoznacznie wyznaczone takie skalary x1,…,xk∈F, że

v=x1⋅v1+…+xn⋅vn.
Dowód.

Załóżmy najpierw, że v1,…,vn tworzą bazę V. Niech v∈V będzie dowolnym wektorem. Z warunku (B2) wynika, że istnieją takie skalary x1,…,xn∈𝔽, że v=x1⋅v1+…+xn⋅vn. Musimy pokazać, że są one wyznaczone jednoznacznie. Przypuśćmy więc, że

v=y1⋅v1+…+yn⋅vn,

gdzie yi∈𝔽. Wtedy

0 =v-v
=(x1⋅v1+…+xn⋅vn)-(y1⋅v1+…+yn⋅vn)
=(x1-y1)⋅v1+…+(xn-yn)⋅vn.
Ponieważ wektory v1,…,vn są liniowo niezależne, więc
x1-y1=…=xn-yn=0,

co kończy dowód pierwszej implikacji.

Załóżmy teraz, że dla każdego wektora v∈V istnieją jednoznacznie wyznaczone takie skalary x1,…,xk∈𝔽, że

v=x1⋅v1+…+xn⋅vn.

Wtedy oczywiście zachodzi warunek (B2). Pokażemy liniową niezależność wektorów v1,…,vn. Przypuśćmy, że x1⋅v1+…+xn⋅vn=0 dla pewnych skalarów x1,…,xn∈𝔽. Ponieważ

0⋅x1+…+0⋅xn=0=x1⋅v1+…+xn⋅vn,

więc z założonej jednoznaczności skalarów wynika, że x1=…=xn=0.

∎

Lemat 5.1.

Niech v1,…,vn∈V. Jeśli v∈span⁢{v1,…,vn}, to

span⁢{v1,…,vn}=span⁢{v1,…,vn,v}.
Dowód.

Oczywiście span⁢{v1,…,vn}⊂span⁢{v1,…,vn,v}. Niech w∈span⁢{v1,…,vn,v}. Wtedy

w=x1⋅v1+…+xn⋅vn+x⋅v,

dla pewnych skalarów x1,…,xn,x∈𝔽. Ponieważ v∈span⁢{v1,…,vn}, więc v=y1⋅v1+…+yn⋅vn dla pewnych skalarów y1,…,yn∈𝔽. Stąd

w=(x1+x⁢y1)⋅v1+…+(xn+x⁢yn)⋅vn∈span⁢{v1,…,vn}.

∎

Lemat 5.2.

Załóżmy, że wektory v1,…,vk∈V są liniowo niezależne. Jeśli vk+1∉span⁢{v1,…,vk}, to

v1,…,vk,vk+1

są liniowo niezależne.

Dowód.

Załóżmy, że

x1⋅v1+…+xk⋅vk+xk+1⋅vk+1=0

dla pewnych skalarów xi∈𝔽. Zauważmy, że xk+1=0, bo w przeciwnym razie

vk+1=-1xk+1⁢(x1⋅v1+…+xk⋅vk)∈span⁢(v1,…,vk).

W konsekwencji, również x1=…=xk=0, bo v1,…,vk∈V są liniowo niezależne. ∎

Twierdzenie 5.1.

Załóżmy, że span⁢{v1,…,vk}=V≠0. Wtedy istnieje

B⊂{v1,…,vk}

baza dla V.

Dowód.

Bez straty ogólności, na podstawie Lematu 5.1, możemy założyć, że wektory vi są niezerowe. Jeżeli span⁢{v1}=V, to dowód jest zakończony. Jeśli span⁢{v1}≠V, to któryś z wektorów v2,…,vk nie należy do span⁢{v1}. Powiedzmy, że jest to v2. Wtedy v1,v2 są liniowo niezależne z Lematu 5.2. Możemy ten proces kontynuować rozważając teraz span⁢{v1,v2}. W skończonej liczbie kroków wybierzemy bazę B ze zbioru {v1,…,vk}. ∎

Twierdzenie 5.2 (Steinitz).

Załóżmy, że V=span⁢{v1,…,vn} dla pewnych wektorów v1,…,vn∈V (n≥1). Jeśli wektory w1,…,wm∈V są liniowo niezależne, to

  • •

    m≤n

  • •

    po ewentualnym przenumerowaniu wektorów v1,…,vn mamy

    span⁢{w1,…,wm,vm+1,…,vn}=V.
Dowód.

Zastosujemy indukcję względem k∈{1,…,m}. Niech k=1. Oczywiście n≥1. Rozważmy wektor w1. Ponieważ span⁢{v1,…,vn}=V, więc

w1=x1⋅v1+…+xn⋅vn

dla pewnych skalarów x1,…,xn∈𝔽. Ponieważ z założenia w1≠0, więc któryś ze skalarów xi jest różny od zera. Przenumerowując wektory vi i skalary xi możemy założyć, że x1≠0. Uzasadnimy, że span⁢{w1,v2,…,vn}=V. Ponieważ w1∈V=span⁢{v1,…,vn}, więc z Lematu 5.1 wynika, że

span⁢{v1,…,vn}=span⁢{w1,v1,…,vn}.

Z drugiej strony x1≠0, więc v1=1x1⁢(w1-x2⋅v2-…-xn⋅vn)∈span⁢{w1,v2,…,vn}, czyli

span⁢{w1,v2,…,vn}=span⁢{w1,v1,v2,…,vn}=span⁢{v1,v2,…,vn}=V.

Zakładamy teraz, że teza zachodzi dla pewnego 1≤k<m. Pokażemy, że zachodzi dla k+1. Z założenia indukcyjnego k≤n oraz

span⁢{w1,…,wk,vk+1,…,vn}=V.

Istnieją więc takie skalary c1,…,cn∈𝔽, że

wk+1=c1⋅w1+…+ck⋅wk+ck+1⋅vk+1+…+cn⋅vn.

Zauważmy, że istnieje takie k<i0≤n, że ci0≠0, bo w przeciwnym razie wk+1=c1⋅w1+…+ck⋅wk co jest sprzeczne z ich liniową zależnością. Po ewentualnym przenumerowaniu możemy założyć, że i0=k+1. W szczególności, k+1≤n. Mamy

vk+1=1ck+1⁢(wk+1-∑i=1kci⋅wi-∑i=k+2ci⋅vi).

Ponieważ vk+1∈span⁢{w1,…,wk+1,vk+2,…,vn}, więc

span⁢{w1,…,wk+1,vk+2,…,vn}=span⁢{w1,…,wk+1,vk+1⁢vk+2,…,vn}=
span⁢{w1,…,wk,vk+1⁢vk+2,…,vn}=V.

∎

Twierdzenie 5.3.

Załóżmy, że wektory v1,…,vn stanowią bazę przestrzeni wektorowej V. Jeśli wektory w1,…,wm∈V są liniowo niezależne, to m≤n.

Dowód.

Przypuśćmy, że m>n. Pokażemy, że wektory w1,…,wn są bazą V. Prowadzi to do sprzeczności, bo wtedy wn+1 jest kombinacją liniową wektorów w1,…,wn, a z założenia wektory w1,…,wn,wn+1 są liniowo niezależne.

Rozważmy wektor w1. Ponieważ v1,…,vn są bazą V, więc

w1=x1⋅v1+…+xn⋅vn

dla jednoznacznie wyznaczonych skalarów x1,…,xn∈𝔽. Ponieważ z założenia w1≠0, więc któryś ze skalarów xi jest różny od zera. Przenumerowując wektory vi i skalary xi możemy założyć, że x1≠0. Uzasadnimy, że w1,v2,…,vn są bazą dla V. Przypuśćmy, że

λ1⋅w1+λ2⋅v2+…+λn⋅vn=0,

dla pewnych skalarów λi. Jeśli λ1=0, to również λ2=…=λn=0 bo wektory v2,…,vn są liniowo niezależne. Jeśli λ1≠0, to

w1=-1λ1⁢(λ2⋅v2+…+λn⋅vn),

co jest sprzeczne z jednoznacznością zapisu w1 w bazie v1,…,vn, bo x1≠0.

Pokażemy teraz, że w1,v2,…,vn generują V. Ponieważ w1∈V=span⁢{v1,…,vn}, więc z Lematu 5.1 wynika, że

span⁢{v1,…,vn}=span⁢{w1,v1,…,vn}.

Z drugiej strony v1∈span⁢{w1,v2,…,vn}, więc

span⁢{w1,v2,…,vn}=span⁢{w1,v1,v2,…,vn}.

Uzasadnimy, że możemy ten proces iterować. Przypuśćmy, że dla pewnego 1≤k<n wektory

w1,…,wk,vk+1,…,vn

tworzą bazę V. Istnieją więc jedyne takie skalary c1,…,cn∈𝔽, że

wk+1=c1⋅w1+…+ck⋅wk+ck+1⋅vk+1+…+cn⋅vn.

Zauważmy, że istnieje takie k<i0≤n, że ci0≠0, bo w przeciwnym razie wk+1=c1⋅w1+…+ck⋅wk co jest sprzeczne z liniową zależnością. Z dokładnością do permutacji możemy założyć, że ck+1≠0 i możemy podmienić wektor vk+1 na wk+1 otrzymując bazę

w1,…,wk,wk+1,vk+2,…,vn.

∎

Wniosek 5.2.

Załóżmy, że v1,…,vn jest bazą V. Wtedy każda baza w V ma n elementów.

Definicja 5.4.

Przestrzeń skończenie wymiarowa

Niech V będzie przestrzenią wektorową nad ciałem 𝔽. Powiemy, że przestrzeń V jest skończenie wymiarowa, jeśli posiada bazę skończoną. Wymiarem przestrzeni skończenie wymiarowej V nazywamy liczbę elementów jej dowolnej bazy i oznaczamy przez dim𝔽⁢V lub dim⁢V. Przyjmujemy z definicji, że dim⁢V=0, gdy V={0}. Jeśli przestrzeń V nie jest skończenie wymiarowa, to mówimy, że jest nieskończenie wymiarowa.

  • U

    Istnienie bazy skończonej v1,…,vn w przestrzeni wektorowej V bardzo ułatwia analizę jej własności, bo pozwala ograniczyć się do rozważania kombinacji liniowych x1⋅v1+…+xn⋅vn skończonej liczby wektorów. Z drugiej strony musimy być świadomi w jaki sposób, jeśli w ogóle, rozważane przez nas pojęcia lub przeprowadzane rozumowania zależą od wyboru bazy w przestrzeni V. Przykładowo definiując wymiar przestrzeni wektorowej musieliśmy uzasadnić, że wszystkie bazy mają tyle samo elementów.

Wniosek 5.3.

dim𝔽⁢𝔽n=n dla n∈N.

Dowód.

Wektory e1,…,en stanowią bazę dla 𝔽n złożoną z n-wektorów. ∎

Przykład 5.5.

W przestrzeni wektorowej V=ℤ2 nad ℤ2 istnieje tylko jedna baza, bo w ℤ2={0,1} mamy tylko jeden niezerowy wektor.

Przykład 5.6 (Przestrzeń Cn nad ciałami C i R).

Rozważmy przestrzenie wektorowe (ℂn,+,⋅ℂ) oraz (ℂn,+,⋅ℝ). Pierwsza jest przestrzenią zespoloną oraz

dim⁢(ℂn,+,⋅ℂ)=n.

Bazą dla (ℂ2,+,⋅ℂ) są przykładowo wektory e1=[1,0]T,e2=[0,1]T∈ℂ2. Druga przestrzeń, (ℂn,+,⋅ℝ) jest przestrzenią rzeczywistą oraz

dim⁢(ℂn,+,⋅ℝ)=2⁢n.

Bazą dla (ℂ2,+,⋅ℝ) są na przykład wektory:

e1,e2,[i,0]T,[0,i]T.

Rzeczywiście, dla [a+i⁢b,c+i⁢d]T i a,b,c,d∈ℝ mamy

[a+i⁢b,c+i⁢d]T=a⋅[1,0]T+c⋅[0,1]T+b⋅[i,0]T+d⋅[0,i]T,

i to przedstawienie jest jednoznaczne.

Przykład 5.7 (Przestrzeń wektorowa macierzy Mk×n⁢(F)).

Wprowadzimy strukturę przestrzeni wektorowej w zbiorze Mk×n⁢(𝔽). W tym celu określimy działania

+:Mk×n(𝔽)×Mk×n(𝔽)⟶Mk×n(𝔽)

oraz

⋅:𝔽×Mk×n(𝔽)⟶Mk×n(𝔽).

Dla A,B∈Mk×n⁢(𝔽) i t∈𝔽 definiujemy

[a11…a1⁢n⋮⋮ak⁢1…ak⁢n]⏟A+[b11…b1⁢n⋮⋮bk⁢1…bk⁢n]⏟B=[a11+b11…a1⁢n+b1⁢n⋮⋮ak⁢1+bk⁢1…ak⁢n+bk⁢n]⏟A+B,
t⋅[a11a12…a1⁢n⋮⋮ak⁢1ak⁢2…ak⁢n]=[t⋅a11t⋅a12…t⋅a1⁢n⋮⋮t⋅ak⁢1t⋅ak⁢2…t⋅ak⁢n].

Sprawdzamy łatwo, że trójka (Mk×n⁢(𝔽),+,⋅) jest przestrzenią wektorową nad ciałem 𝔽. Znajdziemy bazę dla przestrzeni (M2×2⁢(𝔽),+,⋅). Zauważmy, że dla dowolnej macierzy A∈M2×2⁢(𝔽) mamy

[a11a12a21a22]=[a11000]+[0a1200]+[00a210]+[000a22]
=a11⋅[1000]+a12⋅[0100]+a21⋅[0010]+a22⋅[0001].

Ponieważ współczynniki ai⁢j są w tym przedstawieniu wyznaczone jednoznacznie przez macierz A, więc macierze

[1000],[0100],[0010],[0001]

są bazą M2×2⁢(𝔽), więc dim𝔽⁢M2×2⁢(𝔽)=4.

Z powyższego wynika, że dimℂ⁢M2×2⁢(ℂ)=4. Przestrzeń M2×2⁢(ℂ) możemy również traktować jako przestrzeń wektorową nad ℝ. Zastanówmy się jaki jest wymiar dimℝ⁢M2×2⁢(ℂ). Każdy ze współczynników macierzy A jest liczbą zespoloną. Macierz A możemy teraz mnożyć tylko przez liczby rzeczywiste. Mamy

A =[a11+i⁢b11a12+i⁢b12a21+i⁢b21a22+i⁢b22]=[a11+i⁢b11000]+[0a12+i⁢b1200]
+[00a21+i⁢b210]+[000a22+i⁢b22]
=a11⁢[1000]+a12⁢[0100]+a21⁢[0010]+a22⁢[0001]
+b11⁢[i000]+b12⁢[0i00]+b21⁢[00i0]+b22⁢[000i].

Wynika stąd, że dimℝ⁢M2×2⁢(ℂ)=8.

Przykład 5.8.

Pokażemy, że rozważanie przestrzeni wektorowych nad ℤ2 może być użyteczne w rozwiązywaniu problemów kombinatorycznych.

W pewnym mieście mieszka n osób i działa m klubów dyskusyjnych. Każda z nich ma nieparzystą liczbę członków oraz każde dwa kluby mają parzystą liczbę wspólnych członków. Pokażemy, że m≤n.

Dla i=1,…,m, przez vi=[v1i,…,vni]T∈ℤ2n oznaczamy wektor przynależności mieszkańców do klubu i. Oznacza to, że vji=1, gdy j-ty mieszkaniec należy do klubu i. W przeciwnym razie vji=0. Wtedy (vi|vi)=∑j=1(vji)2 jest liczbą członków klubu i. Wiemy, że jest to liczba nieparzysta. W ℤ2 mamy więc, że (vi|vi)=1. Analogicznie dla i≠j, (vi|vj) jest liczbą osób będących w klubach i oraz j. Z założenia wynika, że (vi|vj)=0 dla i≠j. Wystarczy pokazać, że v1,…,vm są liniowo niezależne w ℤ2n. Przypuśćmy, że dla pewnych c1,…,cm∈ℤ2 mamy

c1⋅v1+…+cm⋅vm=0.

Ponieważ (vi|vj)=δi⁢j, więc c1=…=cm=0.

Lemat 5.3.

Niech V będzie przestrzenią wektorową. Następujące warunki są równoważne

  • (i)

    V jest nieskończenie wymiarowa,

  • (ii)

    istnieje taki nieskończony ciąg wektorów v1,v2,…, że dla każdego n∈ℕ wektory v1,…,vn są liniowo niezależne.

Dowód.

Załóżmy, że V jest nieskończenie wymiarowa. Niech v1∈V będzie niezerowym wektorem. Ponieważ span⁢{v1}≠V, więc istnieje wektor v2∈V∖span⁢{v1}. Wtedy v1,v2 są liniowo niezależne. Analogicznie, span⁢{v1,v2}≠V, więc istnieje wektor v3∈V∖span⁢{v1,v2}. Wtedy v1,v2,v3 są liniowo niezależne. Możemy ten proces kontynuować dla każdego n∈ℕ, co kończy dowód punktu (ii).

Załóżmy, że zachodzi warunek (ii). Gdyby V miała wymiar skończony n≥1, to wektory v1,…,vn+1 byłyby liniowo zależne. ∎

  • U

    Pojęcie bazy w przestrzeni nieskończenie wymiarowej V możemy zdefiniować następująco. Powiemy, że podzbiór A⊂V jest liniowo niezależny, jeżeli dla dla każdego n∈ℕ dowolne różne wektory v1,…,vn∈A są liniowo niezależne. Podzbiór A generuje V, gdy dla każdego wektora v∈V istnieją takie wektory w1,…,wn∈A oraz skalary x1,…,xn∈𝔽, że v=x1⋅v1+…+xn⋅vn. Podzbiór B⊂V jest bazą, jeśli B jest liniowo niezależny i generuje V. W oparciu o Lemat Kuratowskiego-Zorna można udowodnić, że w każdej przestrzeni wektorowej istnieje baza. Dokładniej, jeśli A⊂V jest liniowo niezależny, C⊂V generuje V oraz A⊂C, to istnieje taka baza B, że A⊂B⊂C.

Przykład 5.9 (Przestrzeń wektorowa ciągów rzeczywistych).

Rozważmy przestrzeń wektorową

ℝ∞={[x1,x2,…]T:xi∈ℝ}

wszystkich ciągów nieskończonych o wyrazach rzeczywistych z naturalnie określonymi działaniami. Sprawdzamy łatwo, że ciąg wektorów

e1=[1,0,0⁢…]T,e2=[0,1,0,…]T,…

tworzy zbiór liniowo niezależny A, więc ℝ∞ jest nieskończenie wymiarowa. A nie generuje przestrzeni ℝ∞, bo na przykład ciąg

1∞=[1,1,1,…]T

nie jest skończoną kombinacją liniową wektorów e1,e2,….

Przykład 5.10 (Przestrzeń wektorowa wielomianów).

Niech (P,+,⋅) będzie przestrzenią wektorową wszystkich wielomianów o współczynnikach rzeczywistych. Nie jest to przestrzeń skończonego wymiaru, bo wielomiany

1,x,x2,x3,…

są liniowo niezależne.

Niech Pn⊂P będzie zbiorem wielomianów stopnia co najwyżej n. Wtedy, Pn jest podprzestrzenią wektorową oraz

dim⁢Pn=n+1.

Bazą dla Pn są wielomiany 1,x,x2,…,xn.

Jeśli P⁢(n)⊂P jest zbiorem wielomianów stopnia n≥1, to P nie jest podprzestrzenią wektorową, bo wielomian zerowy nie należy do Pn.

Twierdzenie 5.4.

Niech V∈VektF i dimF⁢V=n∈N. Dla wektorów v1,…,vn∈V następujące warunki są równoważne:

  • (1)

    v1,…,vn są liniowo niezależne;

  • (2)

    span⁢{v1,…,vn}=V;

  • (3)

    v1,…,vn stanowią bazę V.

Dowód.

(1) ⇒ (2). Zakładamy, że v1,…⁢vn są liniowo niezależne. Przypuśćmy, że

span⁢{v1,…,vn}≠V.

Istnieje wtedy wektor v∉V∖span⁢{v1,…,vn}. Z Lematu 5.2 wynika, że wektory v1,…⁢vn,v są liniowo niezależne. Jest to sprzeczne z Twierdzeniem 5.3.

(2) ⇒ (3) Wynika z Lematu 5.1 i Wniosku 5.2.

(3) ⇒ (1) Jest konsekwencją definicji bazy. ∎

Wniosek 5.4.

Wektory a1,a2∈F2 tworzą bazę F2 wtedy i tylko wtedy, gdy

det⁢[a1a2]≠0.
Wniosek 5.5.

Niech A=[a1…an]∈Mn×n⁢(F). Następujące warunki są równoważne

  • (1)

    układ A⁢x=0 ma jednoznaczne rozwiązanie zerowe,

  • (2)

    układ A⁢x=b ma rozwiązanie dla każdego b∈𝔽n,

  • (3)

    kolumny a1,…,an tworzą bazę 𝔽n.

Dowód.

Punkt (1) oznacza, że wektory a1,…,an są liniowo niezależne, a punkt (2) mówi, że span⁢{a1,…,an}=𝔽n. ∎

Wniosek 5.6.

Załóżmy, że dim⁢V=n, 1≤k<n i wektory v1,…,vk są liniowo niezależne. Wtedy istnieją takie wektory vk+1,…,vn, że wektory v1,…,vn tworzą bazę V.

Dowód.

Ponieważ k<n, więc v1,…,vk nie jest bazą. Istnieje więc wektor

vk+1∉span⁢{v1,…,vk}.

Z Lematu 5.2 wektory v1,…,vk,vk+1 są liniowo niezależne. Iterujemy tę procedurę i zakończy się ona po skończonej liczbie kroków. ∎

5.2 Podprzestrzenie wektorowe

Definicja 5.5.

Podprzestrzeń wektorowa

Niech (V,+,⋅) będzie przestrzenią wektorową nad ciałem 𝔽 i niech S⊂V. Powiemy, że S jest podprzestrzenią wektorową przestrzeni V, jeśli zachodzą warunki

  • (P1)

    0∈S tzn. wektor zerowy należy do S;

  • (P2)

    v+w∈S dla dowolnych v,w∈S tzn. dodawanie wektorów nie wyprowadza nas ze zbioru S;

  • (P3)

    t⋅v∈S dla dowolnych t∈𝔽 i v∈V tzn. mnożenie przez skalar nie wyprowadza nas ze zbioru S.

  • U

    Czasami (P1) zastępuje się warunkiem, że S≠∅. Te dwie definicje są równoważne. Rzeczywiście, załóżmy, że S≠∅ i zachodzą warunki (P2) i (P3). Niech v∈S. Wtedy -v∈S z warunku (P3) i 0=v+(-v)∈S z warunku (P2).

Wniosek 5.7.

Jeśli v1,…,vk∈V, to span⁢{v1,…,vk} jest podprzestrzenią przestrzeni wektorowej V.

Wniosek 5.8.

Zbiór rozwiązań równania jednorodnego A⁢x=0 jest podprzestrzenią wektorową przestrzeni Fn dla A∈Mk×n⁢(F).

Przykład 5.11.

Rozważmy płaszczyznę S={[x1,x2,x3]T∈ℝ3:2⁢x1-3⁢x2+x3=0}. Zauważmy, że wtedy x3=3⁢x2-2⁢x1, więc

[x1,x2,x3]T =[x1,x2,3⁢x2-2⁢x1]T
=[x1,0,-2⁢x1]T+[0,x2,3⁢x2]T
=x1⋅[1,0,-2]T+x2⋅[0,1,3]T.

Stąd S=span⁢{[1,0,-2]T,[0,1,3]T}, czyli jest to podprzestrzeń wektorowa w ℝ3.

Przykład 5.12.

Pokażemy, że zbiór S={[a+b,a-b+2⁢c,b,c]T:a,b,c∈ℝ}⊂ℝ4 jest podprzestrzenią wektorową w ℝ4. Zauważmy, że

[a+b,a-b+2⁢c,b,c]T =[a,a,0,0]T+[b,-b,b,0]T+[0,2⁢c,0,c]T
=a⋅[1,1,0,0]T+b⋅[1,-1,1,0]T+c⋅[0,2,0,1]T.

Oznacza to, że S=span⁢{[1,1,0,0]T,[1,-1,1,0]T,[0,2,0,1]T}, więc jest to podprzestrzeń wektorowa.

Przykład 5.13.

Okrąg 𝕊1⊂ℝ2 nie spełnia ani jednego z warunków (P1)-(P3). Nie jest więc podprzestrzenią wektorową.

Przykład 5.14.

Zbiór S={[x1,x2]T∈ℝ2:x1⁢x2=0} spełnia warunki (P1) i (P3), ale nie spełnia (P2). Nie jest więc podprzestrzenią wektorową.

Przykład 5.15.

Zbiór S={[x1,x2]T∈ℝ2:x2≥0} spełnia warunki (P1) i (P2), ale nie spełnia (P3). Nie jest więc podprzestrzenią wektorową.

Przykład 5.16.

Zbiór pusty ∅⊂ℝ2 spełnia warunki (P2) i (P3), ale nie spełnia (P1). Nie jest więc podprzestrzenią wektorową.

Przykład 5.17.

Rozważmy podprzestrzeń V⊂ℤ23 daną przez

V={[x1,x2,x3]T∈ℤ23:x1+x2+x3=0}.

W ciele ℤ2 równość x1+x2+x3=0 oznacza, że x1=x2+x3, czyli wektory z V mają postać

[x2+x3,x2,x3]T=x2⋅[1,1,0]T+x3⋅[1,0,1],x2,x3∈ℤ2.

Wektory [1,1,0]T,[1,0,1]T∈ℤ23 są liniowo niezależne, więc dim⁢V=2. Sprawdzamy łatwo rozważając wszystkie możliwości wyboru x2 i x3, że

V={[0,0,0]T,[1,0,1]T,[1,1,0]T,[0,1,1]T}.
Przykład 5.18.

Zastanówmy się ile 2-wymiarowych podprzestrzeni ma przestrzeń wektorowa ℤ24? Niech v∈ℤ24 będzie niezerowym wektorem. Wtedy

span⁢{v}={0,v},

więc jeśli v,u są różnymi niezerowymi wektorami, to są one liniowo niezależne w ℤ24. Ponadto,

span⁢{u,v}={0,u,v,u+v}

składa się z 4 różnych wektorów. W przestrzeni ℤ24 mamy 24 wektorów i 24-1 wektorów niezerowych. Par liniowo niezależnych wektorów u,v mamy więc (24-1)⁢(24-2)2. Ponieważ

span⁢{u,v}=span⁢{u,u+v}=span⁢{v,u+v},

więc różnych podprzestrzeni 2 wymiarowych jest (24-1)⁢(24-2)6.

  • 𝗧𝗘𝗦𝗧→

    Oceń prawdziwość zdań:

    • –

      Jeśli v1,v2,v3 tworzą bazę ℝ3 i b∈ℝ3 jest niezerowym wektorem, to b+v1,v2,v3 również tworzy bazę ℝ3.

    • –

      Istnieją takie 2-wymiarowe podprzestrzenie wektorowe U i W w ℝ3, że U∩W={0}.

    • –

      Istnieją takie 2-wymiarowe podprzestrzenie wektorowe U i W w ℝ4, że U∩W={0}.

    • –

      Jeśli U,W są podprzestrzeniami wektorowymi ℝ2, to U∪W jest również podprzestrzenią wektorową.

    • –

      Jeśli wektory v1,…,vn generują ℝn, to są liniowo niezależne.

    • –

      Jeśli wektory v1,…,vn generują przestrzeń wektorową V, to są liniowo niezależne.

    • –

      Jeśli wektory v1,…,vn są liniowo zależne, to któryś z nich jest wektorem zerowym.

    • –

      Jeśli wektory v1,…,vk są liniowo zależne w ℝn, to k>n.

    • –

      Jeśli span⁢{v1,…,vk}=ℝn, to k=n.

    • –

      Jeśli span⁢{u,v}=ℝ2, to span⁢{u,v+w}=ℝ2 dla dowolnego w∈ℝ2.

    • –

      Przestrzenie Mn×n⁢(ℂ) i Mn×n⁢(ℝ) mają ten sam wymiar nad ciałem liczb rzeczywistych ℝ.

    • –

      Jeśli span⁢{u,v,w}=ℝ2, to któreś dwa wektory spośród u,v,w są liniowo niezależne.

    • –

      Dla dowolnej macierzy A∈M2×2⁢(ℝ) macierze I,A,A2,A3,A4 są liniowo zależne w przestrzeni wektorowej M2×2⁢(ℝ).

    • –

      Dla dowolnej macierzy niezerowej A∈M2×2⁢(ℝ) macierze

      I,A,A2,A3,A4

      generują przestrzeń wektorową M2×2⁢(ℝ).

    • –

      Zbiór wszystkich takich funkcji f:ℝ→ℝ, że f⁢(0)=3⁢f⁢(1) jest przestrzenią wektorową z naturalnymi działaniami.

    • –

      Funkcje x2 i sin⁡x są liniowo niezależne w przestrzeni funkcji f:ℝ→ℝ.

    • –

      Funkcje x2 i sin⁡x generują przestrzeń funkcji f:ℝ→ℝ.

    • –

      Jeśli v∈ℝ3 jest dowolnym wektorem, to

      v⟂={w∈ℝ3:(v|w)=0}

      jest podprzestrzenią wektorową ℝ3.

    • –

      Jeśli u,v∈ℝn są takie, że (u|v)=0, to u,v są liniowo niezależne.

⟵

  • 𝗧𝗘𝗦𝗧→

    Oceń które z poniższych podzbiorów przestrzeni wektorowej M2×2⁢(ℂ) są jej podprzestrzeniami wektorowymi:

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):det⁢(A)=0},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):tr⁢(A)=0},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):det⁢(A)≠0},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):tr⁢(A)≠0},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):A=A*},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):A=A¯},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):A=AT},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):A2=0},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):a11=0},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):a12=a21=0},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):tr⁢(A)=tr⁢(A¯)},

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):A⁢J=J⁢A}, gdzie J=[0-110],

    • –

      {A∈M2×2⁢(ℂ):A⁢B=0}, gdzie B∈M2×2⁢(ℂ) jest ustaloną macierzą.

⟵

  • 𝗧𝗘𝗦𝗧→

    Oceń które z poniższych podzbiorów przestrzeni wektorowej F⁢(ℝ,ℝ) funkcji F:ℝ⟶ℝ są jej podprzestrzeniami wektorowymi:

    • –

      C⁢(ℝ,ℝ)={f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢jest ciągła},

    • –

      B⁢(ℝ,ℝ)={f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢jest ograniczona},

    • –

      {f∈F⁢(ℝ,ℝ):|f⁢(x)|<1⁢dla każdego⁢x∈ℝ},

    • –

      C⁢B⁢(ℝ,ℝ)={f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢jest ciągła i ograniczona},

    • –

      {f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢jest injekcją},

    • –

      {f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢jest surjekcją},

    • –

      {f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢jest bijekcją},

    • –

      {f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢jest różniczkowalna},

    • –

      C1⁢(ℝ,ℝ)={f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢ma ciągłą pochodną},

    • –

      C2⁢(ℝ,ℝ)={f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢ma ciągłą pochodną rzędu 2},

    • –

      Ck⁢(ℝ,ℝ)={f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢ma ciągłą pochodną rzędu⁢k∈ℕ},

    • –

      C∞⁢(ℝ,ℝ)={f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢ma ciągłą pochodną dowolnego rzędu⁢k∈ℕ},

    • –

      {f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢(0)=0},

    • –

      {f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢(0)=1},

    • –

      Fo⁢(ℝ,ℝ)={f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢jest nieparzysta},

    • –

      Fe⁢(ℝ,ℝ)={f∈F⁢(ℝ,ℝ):f⁢jest parzysta}.

⟵

NIE ZA DUŻO NIE ZA MAŁO TYLKO W SAM RAZ Niech n=dim⁢V. • jeśli w1,…,wk są liniowo niezależne, to k≤n; wtedy w1,…,wk da się uzupełnić do bazy, • jeśli span⁢{w1,…,wk}=V, to k≥n; wtedy ze zbioru {w1,…,wk} da się wybrać bazę. Poniższe warunki są równoważne • v1,…,vn są bazą V, • v1,…,vn są liniowo niezależne, • span⁢{v1,…,vn}=V.