I Algebra liniowa z geometrią 1

Rozdział 9 Suma prosta

SŁOWA KLUCZOWE ROZDZIAŁU suma algebraiczna podprzestrzeni suma prosta macierze blokowe podprzestrzenie niezmiennicze 3=UV.
Definicja 9.1.

Suma algebraiczna i suma prosta

Załóżmy, że V jest przestrzenią wektorową nad ciałem 𝔽. Niech U1,U2V będą podprzestrzeniami wektorowymi V. Definiujemy sumę algebraiczną U1,U2 jako

U1+U2={u1+u2:uiUi,i=1,2}

Wtedy U1+U2 jest podprzestrzenią wektorową V. Mówimy, że V jest sumą prostą U1 oraz U2 , jeśli zachodzą warunki

V=U1+U2,U1U2={0}.

Piszemy wtedy, że V=U1U2.

Wniosek 9.1.

Dla podprzestrzeni U1,U2V przestrzeni wektorowej V następujące warunki są równoważne

  • (i)

    V=U1U2,

  • (ii)

    Dowolny wektor vV można jednoznacznie przedstawić w postaci

    v=v1+v2,

    gdzie viUi dla i=1,2.

Dowód.

Załóżmy, że V=U1U2 i niech vV. Ponieważ V=U1+U2, więc istnieją takie wektory viUi (i=1,2), że v=v1+v2. Pokażemy, że takie przedstawienie jest jednoznaczne. Przypuśćmy, że

v=v1+v2=u1+u2,

dla pewnych uiUi. Wtedy

v1-u1U1=u2-v2U2U1U2={0},

czyli v1=u1 oraz v2=u2.

Załóżmy teraz, że zachodzi warunek (ii). Wtedy oczywiście V=U1+U2. Pokażemy, że U1U2={0}. Niech vU1U2. Wtedy

v=0U1+vU2=vU1+0U2,

czyli z jednoznaczności w warunku (ii) wynika, że v=0. ∎

Przykład 9.1.

Rozważmy przestrzeń wektorową M2×2() i jej dwie podprzestrzenie wektorowe

Sym2()={AM2×2():A=AT},Asym2()={AM2×2():A=-AT}.

Wtedy

Sym2()Asym2()={0},Sym2()+Asym2()=M2×2(),

czyli

M2×2()=Sym2()Asym2()
Przykład 9.2.

Niech F(,) będzie przestrzenią wektorową funkcji f:. Rozważmy podprzestrzeń Fo(,) funkcji nieparzystych i podprzestrzeń Fe(,) funkcji parzystych. Sprawdzimy, że

F(,)=Fe(,)Fo(,).

Jeśli fF(,), to

f(x)=12(f(x)+f(-x))Fe(,)+12(f(x)-f(-x))Fo(,),

czyli

F(,)=Fe(,)+Fo(,).

Jeśli fFe(,)Fo(,), to dla x mamy

f(x)=f(-x)=-f(x),

więc f(x)=0. W konsekwencji,

Fe(,)Fo(,)={0}.

Możemy to pojęcie uogólnić na większą liczbę podprzestrzeni U1,,Uk.

Definicja 9.2.

Niech U1,,UkV będą podprzestrzeniami wektorowymi V. Mówimy, że V jest sumą prostą podprzestrzeni U1,,Un tzn.

V=U1Vk

jeśli każdy wektor vV można jednoznacznie przedstawić w postaci sumy

v=u1++uk,

gdzie uiUi dla i=1,,k.

Wniosek 9.2.

Niech U1,U2V będą podprzestrzeniami przestrzeni wektorowej V. Załóżmy, że v1,,vk jest bazą U1 oraz vk+1,,vn jest bazą U2. Następujące warunki są równoważne

  • (1)

    V=U1U2,

  • (2)

    v1,,vn jest bazą V.

W szczególności, jeśli dimV<, to V=U1U2 wtedy i tylko wtedy, gdy

dimV=dimU1+dimU2,U1U2={0}.

Dowód.

Załóżmy, że V=U1U2. Wtedy span{v1,,vn}=V, bo V=U1+U2. Wektory v1,,vn są liniowo niezależne, bo jeśli

x1v1++xkvk+xk+1vk+1+xnvn=0,

to

x1v1++xkvkU1=-(xk+1vk+1+xnvn)U2U1U2={0},

czyli z założenia o bazach dla U1 i U2 mamy, że x1==xk=0 oraz xk+1==xn=0.

Jeśli v1,,vn jest bazą dla V, to każdy wektor vV da się jednoznacznie zapisać w postaci v=u1+u2, gdzie u1U1 i u2U2, czyli V=U1U2. ∎

  • U

    MACIERZE BLOKOWE

    Niech 𝔽n=U1U2 i niech v1,,vn będzie taką bazą V, że v1,,vkU1 tworzą bazę U1 oraz vk+1,,vnU2 tworzą bazę U2. Odwzorowanie liniowe L:𝔽n𝔽n ma w tej bazie macierz postać blokową

    A=[A11A12A21A22].

    Przykładowo, jeśli U1=span{e1,e2,e3} oraz U2=span{e4,e5} oraz A jest macierzą odwzorowania liniowego L:𝔽5𝔽5 w bazie e1,e2,e3,e4,e5, to

    A=[A11A12A21A22]=[a11a12a13a14a15a21a22a23a24a25a31a32a33a34a35a41a42a43a44a45a51a52a53a54a55].

    Zauważmy, że A12=0 wtedy i tylko wtedy, gdy A(U2)U2, czyli U2 jest niezmiennicza dla A. Analogicznie, A21=0 wtedy i tylko wtedy, gdy A(U1)U1. Jeśli U1 i U2 są niezmiennicze dla A, to A ma postać

    A=[A1100A22]=[a11a12a1300a21a22a2300a31a32a3300000a44a45000a54a55].
  • U

    Rozważmy macierz AMn×n(𝔽). Jak wiemy

    n=dimkerA+rankA=dimkerA+dimimA.

    Zazwyczaj jednak nie jest prawdą, że 𝔽n jest sumą prostą podprzestrzeni kerA oraz imA. Może się nawet zdarzyć, że kerA=imA. Przykładowo, rozważmy niezerowy wektor a2 i macierz A=[aa]. Wtedy kerA=span{[1,-1]T} niezależenie do wyboru wektora a. Przyjmując, że a=[1,-1]T otrzymujemy, że

    kerA=imA.

    Z drugiej strony, jeśli a jest liniowo niezależny z [1,-1]T, to

    2=kerAimA.

    Ponadto, gdy a=[-1,1]T, to proste kerA i imA są prostopadłe.