高等代数 · 课程学习笔记

第 P120 集 · 三十五:双重对偶空间、自然同构、互为对偶空间

The Bidual Space, Natural Isomorphism and Mutual Duality
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P120 / 151 集 核心概念:双重对偶空间 V^** · 自然同构 V= V^** · α^**()=(α) · V 与 V^* 互为对偶空间
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◎学习目标

  1. 理解双重对偶空间 \(V^{**}=(V^*)^*\) 的定义:\(V^*\) 的对偶空间;若 \(\dim V=n\),则 \(\dim V^{**}=n\),三个空间 \(V,V^*,V^{**}\) 两两同构;
  2. 掌握三重基的记法:\(V\) 的基 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\);\(V^*\) 的对偶基 \(\varphi_1,\dots,\varphi_n\);\(V^{**}\) 中关于 \((\varphi_1,\dots,\varphi_n)\) 的对偶基记作 \(\alpha_1^{**},\dots,\alpha_n^{**}\);
  3. 理解自然同构 \(V\to V^{**}\) 的构造:\(\alpha\mapsto\alpha^{**}\),其中 \(\alpha^{**}\) 是 \(V^{**}\) 中满足“\(\alpha^{**}(\varphi_i)=\varphi_i(\alpha)\)(对偶性)”的元素;
  4. 推导核心公式:\(\alpha^{**}(\varphi)=\varphi(\alpha)\) 对任意 \(\varphi\in V^*\) 成立,且该式不依赖基的选择;
  5. 理解“互为对偶空间”的含义:\(V^*\) 是 \(V\) 的对偶空间;反过来,通过自然同构把 \(V\) 等同于 \(V^{**}\),使得 \(V\) 也可以看成 \(V^*\) 的对偶空间。

1双重对偶空间 \(V^{**}\) 的定义与维数 ⏱ 02:45

定义 1 · 双重对偶空间 设 \(V\) 是 \(F\) 上 \(n\) 维线性空间。\(V^*=\mathrm{Hom}(V,F)\) 是 \(V\) 的对偶空间;\(V^*\) 本身也是 \(n\) 维 \(F\) 上线性空间,故也有对偶空间,记作
\[ V^{**} := (V^{*})^{*} = \mathrm{Hom}(V^{*},F). \]
\(V^{**}\) 称为 \(V\) 的双重对偶空间(bidual space)。⏱ 03:00
维数结论
\[ \dim V^{**} = \dim V^{*} = \dim V = n. \]
三个空间 \(V, V^{*}, V^{**}\) 都是 \(n\) 维 \(F\) 上线性空间,彼此同构。⏱ 03:55

2三重基:\(\alpha\)、\(\varphi\)、\(\alpha^{**}\) ⏱ 04:23

取 \(V\) 的一组基 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\),则:

空间基对偶性
\(V\)\(\alpha_1,\dots,\alpha_n\)原基
\(V^{*}\)\(\varphi_1,\dots,\varphi_n\)(对偶基)\(\varphi_i(\alpha_j)=\delta_{ij}\)
\(V^{**}\)\(\alpha_1^{**},\dots,\alpha_n^{**}\)(\(\varphi\) 基的对偶基)\(\alpha_i^{**}(\varphi_j)=\delta_{ij}\)

\(V^{**}\) 中关于 \(V^*\) 的基 \((\varphi_1,\dots,\varphi_n)\) 的对偶基,按对偶基定义(同 P118)记作 \(\alpha_1^{**},\dots,\alpha_n^{**}\)(用双星号记法,表示“由 \(\alpha\) 的对偶链两次星号”得到)。⏱ 05:20

3自然同构 \(V\to V^{**}\) 的构造 ⏱ 05:43

既然 \(V\) 与 \(V^{**}\) 都是 \(n\) 维,存在同构映射。丘老师构造如下同构链:⏱ 05:48

定义 2 · 自然同构(分两步) 第一步 \(V\to V^*\):对 \(\alpha=\sum_{i=1}^{n} x_i\alpha_i\in V\),定义
\[ \sigma(\alpha) = \sum_{i=1}^{n} x_i\,\varphi_i \in V^{*}. \]
即“系数不变,把 \(\alpha_i\) 换成 \(\varphi_i\)”(线性空间同构那一节讲过并证明其为同构映射)。⏱ 06:28

第二步 \(V^*\to V^{**}\):对 \(\varphi=\sum_{i=1}^{n} k_i\varphi_i\in V^*\),定义
\[ \tau(\varphi) = \sum_{i=1}^{n} k_i\,\alpha_i^{**} \in V^{**}. \]
即“系数不变,把 \(\varphi_i\) 换成 \(\alpha_i^{**}\)”。⏱ 07:19

两步复合得 \(V\to V^{**}\) 的同构映射(同构复合仍为同构):
\[ \alpha \xrightarrow{\ \tau\circ\sigma\ } \alpha^{**},\quad \text{其中}\ \alpha^{**}:=\sum_{i=1}^{n} x_i\,\alpha_i^{**}. \]
此复合映射记为 \(V\to V^{**}\) 的自然同构,\(\alpha\) 的象记作 \(\alpha^{**}\)。⏱ 08:30
老师提示 丘老师说明:“我讲课经常用前面的内容去把前面的内容给你复习、巩固、熟练。”此处“系数不变、把基向量换成对偶基向量”的构造方式与第三章线性空间同构一节完全一致,是刻意回顾。⏱ 07:02

4核心公式 \(\alpha^{**}(\varphi)=\varphi(\alpha)\)(完整推导) ⏱ 09:20

自然同构把 \(\alpha\) 映到 \(\alpha^{**}\in V^{**}\)。\(V^{**}\) 是 \(V^*\) 的对偶空间,故 \(\alpha^{**}\) 是定义在 \(V^*\) 上的线性函数。自然要问:\(\alpha^{**}\) 在任意 \(\varphi\in V^*\) 上的函数值 \(\alpha^{**}(\varphi)\) 等于什么?

完整推导(丘老师课堂逐步叙述,共五步)

第一步(等量代替):把 \(\alpha^{**}=\sum_{i=1}^{n}x_i\alpha_i^{**}\) 代替进去,利用线性函数的加法与数量乘法:

\[ \alpha^{**}(\varphi) = \Bigl(\sum_{i=1}^{n}x_i\alpha_i^{**}\Bigr)(\varphi) = \sum_{i=1}^{n} x_i\,\alpha_i^{**}(\varphi). \]
⏱ 10:05

第二步(把 \(\varphi\) 用对偶基展开):由 P119 公式②,\(\varphi=\sum_{j=1}^{n}\varphi(\alpha_j)\varphi_j\)。把 \(\varphi=\sum_{j=1}^{n}\varphi(\alpha_j)\varphi_j\) 代替进 \(\alpha_i^{**}(\varphi)\):

\[ \alpha_i^{**}(\varphi) = \alpha_i^{**}\Bigl(\sum_{j=1}^{n}\varphi(\alpha_j)\varphi_j\Bigr) = \sum_{j=1}^{n}\varphi(\alpha_j)\,\alpha_i^{**}(\varphi_j). \]
⏱ 11:35

第三步(利用 \(V^{**}\) 对偶基性质):\(\alpha_i^{**}(\varphi_j)=\delta_{ij}\)(\(\alpha_i^{**}\) 是 \(\varphi\) 基的对偶基中第 \(i\) 个,只在 \(\varphi_i\) 上取 1)。故内层求和中只有 \(j=i\) 项非零:

\[ \alpha_i^{**}(\varphi) = \varphi(\alpha_i)\cdot 1 = \varphi(\alpha_i). \]
⏱ 13:00

第四步(代回外层):把第三步结果代回第一步的表达式:

\[ \alpha^{**}(\varphi) = \sum_{i=1}^{n} x_i\,\varphi(\alpha_i). \]
⏱ 13:30

第五步(利用 \(\varphi\) 的线性性):\(\varphi\) 是线性函数,保持加法与数量乘法,\(\sum_i x_i\alpha_i=\alpha\),故

\[ \sum_{i=1}^{n} x_i\,\varphi(\alpha_i) = \varphi\Bigl(\sum_{i=1}^{n}x_i\alpha_i\Bigr) = \varphi(\alpha). \]
于是得到核心结论 ⏱ 14:05:

\[ \boxed{\ \alpha^{**}(\varphi) = \varphi(\alpha)\ } \]
丘老师原话 “这就非常漂亮地算出来了——\(\alpha\) 在同构映射下映到 \(\alpha^{**}\),\(\alpha^{**}\) 在 \(\varphi\) 上的函数值等于 \(\varphi\) 在 \(\alpha\) 上的函数值。多漂亮的结果!”⏱ 14:35

5不依赖基的选择 —— 自然同构 ⏱ 15:18

上面的证明中:\(\alpha,\varphi\) 是事先给定的对象;证明过程依赖了所选的基 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\) 及其对偶基 \(\varphi_1,\dots,\varphi_n\)、\(\alpha_1^{**},\dots,\alpha_n^{**}\);但最终结果

\[ \alpha^{**}(\varphi) = \varphi(\alpha) \]
完全不显示基的作用——换任何基来重做一遍,得到同一公式。这就是自然性(naturality)。⏱ 15:30

定义 3 · 自然同构 \(V\to V^{**}\) 的同构映射(\(\alpha\mapsto\alpha^{**}\))不依赖于基的选择,称为 \(V\) 与 \(V^{**}\) 的自然同构(natural isomorphism)。由于同构是一一对应、保持加法与数量乘法,且是自然的,故可以把 \(\alpha\) 与其象 \(\alpha^{**}\) 等同起来。⏱ 16:15
强调 \(V\) 与 \(V^{**}\) 作为集合,其元素本来不同(一个是向量,一个是“作用在 \(V^*\) 上的线性函数”);自然同构建立了一一、线性、不依赖基的对应,因此可以“等同”。⏱ 17:20

6\(V\) 与 \(V^*\) 互为对偶空间 ⏱ 18:29

结论 · 互为对偶空间 原本:\(V^*\) 是 \(V\) 的对偶空间(定义如此)。 现在:由于自然同构 \(V\cong V^{**}\),而 \(V^{**}\) 是 \(V^*\) 的对偶空间,故 \(V\) 也可以看成 \(V^*\) 的对偶空间。⏱ 18:40
\[ V^{*} \ \text{是}\ V \ \text{的对偶空间} \qquad\Longleftrightarrow\qquad V \ \text{(通过自然同构}\ V\cong V^{**}\text{)是}\ V^{*} \ \text{的对偶空间}. \]
即 \(V\) 与 \(V^*\)互为对偶空间——这才是“对偶”一词的完整含义:互相对偶,而非单方向。⏱ 19:05
老师结束语 “对偶的意思应该互相对(偶)……这是数学非常漂亮的地方。”本节就此讲完(休息前)。⏱ 19:31
备注 · 线性映射的对偶映射(矩阵转置的根源) 本集正文未展开,但由“对偶空间”思想自然引出:任一 \(V\to W\) 的线性映射 \(T\) 对应唯一的 \(W^*\to V^*\) 的对偶映射 \(T^*:W^*\to V^*\)(\((T^*\psi)(v)=\psi(Tv)\));在矩阵层面,\(T^*\) 的作用就是转置矩阵 \(T^{T}\) 对坐标列的作用(需把 \(V,W\) 的基与其对偶基对应)。考试遇到“对偶映射 / 转置”相关题目,按此定义理解即可。

★重点回顾

1
\(V^{**}\) 是 \(V^*\) 的对偶空间;\(\dim V^{**}=\dim V^*=\dim V=n\),三空间两两同构。
2
三重基记号:\(\alpha_i\)(\(V\) 基)→ \(\varphi_i\)(\(V^*\) 对偶基,\(\varphi_i(\alpha_j)=\delta_{ij}\))→ \(\alpha_i^{**}\)(\(V^{**}\) 中关于 \(\varphi\) 基的对偶基,\(\alpha_i^{**}(\varphi_j)=\delta_{ij}\))。
3
自然同构 \(V\to V^{**}\):\(\alpha=\sum x_i\alpha_i\mapsto\alpha^{**}=\sum x_i\alpha_i^{**}\)(两步:\(\alpha\mapsto\sum x_i\varphi_i\),再 \(\varphi\mapsto\sum k_i\alpha_i^{**}\))。
4
核心公式 \(\alpha^{**}(\varphi)=\varphi(\alpha)\):推导五步——等量代替→展开 \(\varphi\)→用 \(\delta\) 消项→代回→用线性性收拢。结果不依赖基,故为自然同构。
5
互为对偶:\(V^*\) 是 \(V\) 的对偶空间;通过 \(V\cong V^{**}\)(自然同构),\(V\) 也可视为 \(V^*\) 的对偶空间。对偶是双向的。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 把 \(V^{**}\) 的元素当成“向量的向量”或二元组:\(V^{**}\) 的元素是“作用在 \(V^*\) 上的线性函数”(\(V^*\to F\) 的线性映射),不是“对 \(V\) 中的向量做二次线性运算”。
  2. \(\alpha^{**}\) 的下标双星号含义:\(\alpha_i^{**}\) 是 \(V^{**}\) 中关于 \(V^*\) 基 \((\varphi_1,\dots,\varphi_n)\) 的对偶基中第 \(i\) 个元素,满足 \(\alpha_i^{**}(\varphi_j)=\delta_{ij}\);它不是“\(\alpha_i\) 做两次星号运算”的代数对象,而是记号约定。
  3. 推导中混淆“\(\varphi\) 的展开”与“\(\alpha_i^{**}\) 的展开”:第二步展开的是 \(\varphi=\sum_j\varphi(\alpha_j)\varphi_j\)(\(V^*\) 的对偶基展开);第三步用的是 \(\alpha_i^{**}\) 的“函数值对偶性” \(\alpha_i^{**}(\varphi_j)=\delta_{ij}\);两步不能颠倒或互换。
  4. “不依赖基”的含义:是指最终公式 \(\alpha^{**}(\varphi)=\varphi(\alpha)\) 中不出现基的具体形式;但构造 \(V\to V^{**}\) 的映射(\(\sigma,\tau\) 的表达式)在坐标层面必须借助某个基——“自然性”是整体性质,不是单步性质。
  5. \(V\to V^{**}\) 是自然同构,但 \(V\to V^*\) 一般不是:\(V\cong V^*\) 的存在性依赖维数相等(\(n\) 维都同构),但不存在“不依赖基的自然同构 \(V\to V^*\)”(\(V^*\) 是 \(V\) 的“反协变”对象,协变方向是 \(V\to V^{**}\))。不要混淆这两个同构的地位。
  6. “互为对偶”与“矩阵转置”的关系:对偶映射 \(T^*:W^*\to V^*\) 在坐标层面体现为转置矩阵;这是下一步(下一章节)的主题,本集只是铺垫,不要把“转置”直接等同于“对偶”——转置要求固定基,对偶映射的定义不依赖基。

✎自测与作业

  1. 设 \(V\) 是 \(\mathbb{R}^2\),基 \(\alpha_1=(1,0),\alpha_2=(0,1)\),写出 \(V^*\) 的对偶基 \(\varphi_1,\varphi_2\)(用“取坐标”形式表达),再写出 \(V^{**}\) 中关于 \((\varphi_1,\varphi_2)\) 的对偶基 \(\alpha_1^{**},\alpha_2^{**}\)。
  2. 取 \(\alpha=(3,5)\in V=\mathbb{R}^2\)(标准基),\(\varphi\in V^*\) 定义为 \(\varphi(x,y)=x+2y\)。分别计算:① 用本集公式 \(\alpha^{**}(\varphi)\);② 直接算 \(\varphi(\alpha)\);验证两者相等。
  3. (完整证明)设 \(V\) 是 \(n\) 维,基 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\),对偶基 \(\varphi_1,\dots,\varphi_n\),\(V^{**}\) 中 \(\varphi\) 基的对偶基 \(\alpha_1^{**},\dots,\alpha_n^{**}\)。证明:对任意 \(\alpha\in V,\varphi\in V^*\),有 \(\alpha^{**}(\varphi)=\varphi(\alpha)\)(按本集 s4 的五步法完整写出)。
  4. 验证“不依赖基”:换一组基 \(\beta_1,\dots,\beta_n\),重新构造 \(V\to V^{**}\) 的映射,证明得到的 \(\alpha^{**}\) 不变(即最终 \(\alpha^{**}(\varphi)\) 与基的选择无关)。
  5. (思考)解释为什么“\(V\) 与 \(V^*\) 互为对偶空间”这个结论依赖于 \(V\) 有限维。若 \(V\) 是无限维,\(\dim V=\dim V^*\) 一般不成立,\(V^{**}\) 严格大于 \(V\)(作为 \(V^*\) 的子空间),自然同构 \(V\cong V^{**}\) 不一定成立。本题只需说明有限维假设在何处被用到。
  6. (选做 · 铺垫下一节)设 \(T:V\to W\) 是线性映射,定义对偶映射 \(T^*:W^*\to V^*\) 为 \((T^*\psi)(v)=\psi(Tv)\)。取 \(V=W=\mathbb{R}^2\),\(T(x,y)=(x+y, y)\),写出 \(T\) 的标准矩阵与 \(T^*\) 在“对偶基坐标”下的矩阵,说明后者是前者转置。(本集正文未展开,作为预习。)
下一集预告 第 P121 集 · 三十六:本章将对偶思想用于线性映射——对偶映射(转置)的矩阵表示、线性映射的可逆性与对偶映射可逆性的关系,以及对称双线性型的对偶。