高等代数 · 课程学习笔记

第 P19 集 · 线性空间(一):\(n\) 维向量的运算、集合与映射、线性空间的定义(8 条法则)

Linear Spaces (I): \(n\)-dimensional Vectors, Sets & Mappings, Definition of a Vector Space (8 Axioms)
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P19 / 151 集 核心概念:n 维向量 F^n · 加法 / 数乘 · 笛卡尔积 · 映射(单射/满射/双射)· 线性空间 8 公理
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◎学习目标

  1. 理解从“行列式判 \(n\) 元 \(n\) 方程”走向“方程个数与未知数个数不等”时,需要引入线性空间(向量空间)这一抽象模型,作为后续线性方程组、线性变换理论的基石;
  2. 掌握 \(n\) 维向量 \(F^n\) 的两种运算:分量加法与标量数乘,理解其满足 8 条法则并构成数域 \(F\) 上的线性空间;
  3. 回顾集合与映射语言:定义域、陪域、值域,以及单射、满射、双射的判定与含义;
  4. 理解代数运算(代数运算 / 运算法则):定义在集合笛卡尔积上、值仍落在该集合内的运算;
  5. 精确背诵并理解线性空间(向量空间)的 8 条公理(4 条加法 + 4 条数乘),以及 \(F^n\) 是数域 \(F\) 上 \(n\) 维向量空间这一基本结论。

0回顾:为什么需要线性空间 ⏱ 00:01

承上启下 前两章我们用行列式解决了“\(n\) 元 \(n\) 个方程”的有唯一解判据(系数行列式 \(\neq 0\))。但实际常常出现方程个数 \(s\) 与未知数个数 \(n\) 不等(\(s<n\) 或 \(s>n\))的情形,此时行列式不再直接起作用(长方形矩阵没有行列式,只有子式)。⏱ 01:37

因此老师指出:要彻底解决“\(s\) 个方程 \(n\) 个未知数”的有解性,需要一套比行列式更一般的理论——线性空间。它不仅能解决线性方程组的理论问题,还在微积分(函数空间)、几何(向量)等方面有重大应用。本节开始,课程从“行列式”主线进入“线性空间”新主线。⏱ 02:26

老师提示(章节体系) “第三章(线性空间)是我上册的第三章 + 下册的第八章合起来建立的一个新讲授体系。今天讲的是上册的第三节——线性空间(一)。”⏱ 14:14

1\(n\) 维向量 \(F^n\) 的加法与数乘 ⏱ 04:11

从一个 \(n\) 元线性方程组出发:第 \(i\) 个方程的 \(n\) 个系数 \(a_{i1},a_{i2},\dots,a_{in}\) 组成一个有序数组(有序 \(n\) 数组),称为一个\(n\) 维向量,记作 \(\boldsymbol{\alpha}=(a_{i1},a_{i2},\dots,a_{in})\),其中每个 \(a_{ij}\) 称为分量。⏱ 04:39

集合 \(F^n\) 与向量相等 设 \(F\) 是某个数域。把 \(F\) 的所有有序 \(n\) 数组 \((a_1,a_2,\dots,a_n)\) 组成的集合记为 \(F^n\)。两个向量 \(\boldsymbol{\alpha}=(a_1,\dots,a_n)\)、\(\boldsymbol{\beta}=(b_1,\dots,b_n)\) 相等 \(\Leftrightarrow\) 对应分量全部相等:\(a_j=b_j\)(\(j=1,\dots,n\))。⏱ 04:53
加法(分量相加) \[ \boldsymbol{\alpha}+\boldsymbol{\beta} =(a_1+b_1,\; a_2+b_2,\; \dots,\; a_n+b_n). \] 两个 \(n\) 维向量相加,即对应分量相加。⏱ 07:30
数乘(标量乘法) 对 \(k\in F\)、\(\boldsymbol{\alpha}\in F^n\),规定 \[ k\,\boldsymbol{\alpha}=(k a_1,\; k a_2,\; \dots,\; k a_n). \] 一个数 \(k\) 乘一个 \(n\) 维向量,即\(k\) 乘每个分量。这里的加法、数乘正是由矩阵初等行变换(“某行的倍数加到另一行”“某非零数乘某一行”)自然引出的。⏱ 07:02
运算性质(由数运算法则推出)

因为分量是数,数的加法满足交换律、结合律,故 \(F^n\) 的加法也满足交换律与结合律。⏱ 08:29

  • 零向量 \(\mathbf{0}=(0,0,\dots,0)\):与任意向量相加仍得该向量本身(加法的单位元);⏱ 09:04
  • 负向量(反向量) \(-\boldsymbol{\alpha}=(-a_1,-a_2,\dots,-a_n)\):每个分量取相反数,使 \(\boldsymbol{\alpha}+(-\boldsymbol{\alpha})=\mathbf{0}\)。⏱ 09:37

数乘也满足 4 条法则:\(1\cdot\boldsymbol{\alpha}=\boldsymbol{\alpha}\);\((kl)\boldsymbol{\alpha}=k(l\boldsymbol{\alpha})\);\((k+l)\boldsymbol{\alpha}=k\boldsymbol{\alpha}+l\boldsymbol{\alpha}\);\(k(\boldsymbol{\alpha}+\boldsymbol{\beta})=k\boldsymbol{\alpha}+k\boldsymbol{\beta}\)。⏱ 10:02

基本结论 \(F^n\) 对加法、数乘满足 8 条法则,故 \(F^n\) 是数域 \(F\) 上的一个线性空间,通常称为数域 \(F\) 上的 \(n\) 维向量空间。⏱ 33:21

2集合与映射(定义域 / 陪域 / 值域) ⏱ 15:44

老师用“进教室找座位”的生活例子,把映射的概念讲得非常具体,并引入“定义域”“陪域”“值域”三套术语。

定义 · 映射(函数) 设 \(A\)、\(B\) 是两个非空集合。若存在一种对应法则 \(F\),使得对 \(A\) 中每一个元素 \(a\),在 \(B\) 中都有唯一确定的元素 \(b\) 与之对应,则称 \(F\) 是集合 \(A\) 到集合 \(B\) 的映射(或函数),记作 \(F:A\to B\),对应元素记作 \(b=F(a)\)。
  • 定义域(domain):源集合 \(A\)(输入所在集合);
  • 陪域(codomain):目标集合 \(B\),即所有可能像所在的“更大”集合;
  • 值域 / 像集(range / image):\(F(A)=\{F(a)\mid a\in A\}\subseteq B\),即 \(A\) 中元素的所有像组成的集合。⏱ 16:51
关于“陪域”命名的老师趣谈 “我查了我们国内的高中教材,都没有给这个集合起名字。一个小孩子生下来不起名字,这个不合适吧……那我就参考 codomain 把它翻译成‘陪域’,这个很形象——你给映射嘛,都没给两个集合,一个定义(域),一个陪它的(域),陪它的‘陪域’。”⏱ 18:29 – 19:33
用“同学坐椅子”刻画映射三要素

集合 \(A\)=同学们,集合 \(B\)=教室里所有椅子,法则 \(F\)=“每个同学坐到唯一一把椅子”。⏱ 16:25

  • 值域 \(F(A)\):被坐到的那些椅子(可能没坐满);若每把椅子都坐满同学,则 \(F(A)=B\),即值域等于陪域;
  • 单射 / 满射 / 双射分别对应:不同同学坐不同椅 / 坐满 / 又坐满又不同(一一对应),详见下一节。

3单射 · 满射 · 双射 ⏱ 20:54

三个关键概念(以 \(F:A\to B\) 记)
概念定义“坐椅子”解释
单射(injective)\(F(a_1)=F(a_2)\Rightarrow a_1=a_2\)(不同元素像不同)不同同学坐不同椅子
满射(surjective)\(F(A)=B\)(值域=陪域,每个 \(b\in B\) 都有原像)每把椅子都坐满了
双射(bijective)既是单射又是满射(一一对应)坐满且不同同学坐不同椅子
若 \(F(A)=B\),则 \(F\) 为满射;若 \(A\) 中不同元素在 \(F\) 下像不同,则 \(F\) 为单射;若 \(F\) 既是单射又是满射(一一对应),则 \(F\) 为双射。⏱ 20:54 – 21:57

4代数运算与笛卡尔积 ⏱ 22:10

笛卡尔积(Cartesian product) 对集合 \(S\)、\(M\),由 \(S\) 中元素 \(a\) 与 \(M\) 中元素 \(b\) 组成的有序对 \((a,b)\) 的集合记为 \(S\times M\),称 \(S\) 与 \(M\) 的笛卡尔积(借用笛卡尔直角坐标“横坐标、纵坐标”的有序对思想而来)。⏱ 22:38
代数运算(algebraic operation / 运算法则) 集合 \(S\) 上的一个代数运算,是指从 \(S\times S\) 到 \(S\) 的一个映射:把每个有序对 \((a,b)\in S\times S\) 对应到 \(S\) 中唯一确定的一个元素(如加法把 \((2,3)\) 对应到 \(5\),乘法把 \((2,3)\) 对应到 \(6\))。⏱ 24:03
判定要点运算结果必须仍然落回该集合 \(S\) 自身。例如“除法”不是整数集合的代数运算:\(2\div3=\tfrac23\notin\mathbb Z\),结果“跑出去”了。⏱ 25:07

这个“值仍落回 \(S\)”的要求,是后面线性空间定义中“加法:\(V\times V\to V\)、数乘:\(F\times V\to V\)”的直接来源。⏱ 25:35

5线性空间(向量空间)的 8 条公理 ⏱ 26:20

定义 · 数域 \(F\) 上的线性空间(向量空间) 设 \(V\) 是一个非空集合,\(F\) 是一个数域。若 \(V\) 上定义了两种运算——加法(\(V\times V\to V\))与数乘(\(F\times V\to V\))——且满足下列 8 条公理(4 条加法 + 4 条数乘),则 \(V\) 称为数域 \(F\) 上的线性空间(vector space),\(V\) 的元素称为向量。
#公理内容
1加法交换律\(\forall \boldsymbol{\alpha},\boldsymbol{\beta}\in V:\ \boldsymbol{\alpha}+\boldsymbol{\beta}=\boldsymbol{\beta}+\boldsymbol{\alpha}\)
2加法结合律\(\forall \boldsymbol{\alpha},\boldsymbol{\beta},\boldsymbol{\gamma}\in V:\ (\boldsymbol{\alpha}+\boldsymbol{\beta})+\boldsymbol{\gamma}=\boldsymbol{\alpha}+(\boldsymbol{\beta}+\boldsymbol{\gamma})\)
3零元(加法单位元)\(\exists\,\boldsymbol{0}\in V\),使 \(\forall\boldsymbol{\alpha}\in V:\ \boldsymbol{\alpha}+\boldsymbol{0}=\boldsymbol{\alpha}\)(记作 \(V\) 的零元 / 零向量)
4负元(加法逆元)\(\forall\boldsymbol{\alpha}\in V,\ \exists\boldsymbol{\beta}\in V:\ \boldsymbol{\alpha}+\boldsymbol{\beta}=\boldsymbol{0}\),\(\boldsymbol{\beta}\) 称 \(\boldsymbol{\alpha}\) 的负元(记作 \(-\boldsymbol{\alpha}\))
5数乘单位元\(\forall\boldsymbol{\alpha}\in V:\ 1\cdot\boldsymbol{\alpha}=\boldsymbol{\alpha}\)(1 为 \(F\) 中单位元)
6数乘结合律\(\forall k,l\in F,\ \forall\boldsymbol{\alpha}\in V:\ (kl)\boldsymbol{\alpha}=k(l\boldsymbol{\alpha})\)
7数乘对数的分配律\(\forall k,l\in F,\ \forall\boldsymbol{\alpha}\in V:\ (k+l)\boldsymbol{\alpha}=k\boldsymbol{\alpha}+l\boldsymbol{\alpha}\)
8数乘对向量的分配律\(\forall k\in F,\ \forall\boldsymbol{\alpha},\boldsymbol{\beta}\in V:\ k(\boldsymbol{\alpha}+\boldsymbol{\beta})=k\boldsymbol{\alpha}+k\boldsymbol{\beta}\)
公理的“和谐”理解(老师类比)

老师用“加法”与“数乘”两种运算要“和谐相处、和睦,不能打架”来记忆第 7、8 条:加法与数乘的先后顺序互不影响,先做数乘再做加法、或先做加法再做数乘,结果一致——这两条正是“数乘与加法之间的桥梁”。⏱ 31:21 – 32:20

定义写完后老师强调:“定义很长,但只要从我们刚才那个例子(\(F^n\))来看,它满足这 8 条法则,所以 \(F^n\) 就是数域 \(F\) 上的一个线性空间。”⏱ 32:48

记法约定 线性空间(vector space)有时也称作向量空间:借用几何术语,把 \(V\) 的元素称为“向量”。看文献时“向量空间=线性空间”。⏱ 33:49

6几个例子:\(F^n\)、几何向量、函数空间 ⏱ 34:26

例 1 · \(F^n\)(本集核心) \(F^n\)(\(F\) 为某数域,\(n\) 为正整数)对分量加法、数乘满足 8 条公理,是数域 \(F\) 上的 \(n\) 维向量空间。⏱ 34:26
例 2 · 几何向量 平面上 / 空间中,以定点 \(O\) 为起点的所有向量组成的集合,对向量加法(平行四边形法则)与数乘,满足 8 条公理,是实数域 \(\mathbb R\) 上的线性空间(对应“平面的平直 / 空间的平直”)。⏱ 10:46
例 3 · 函数空间(实值函数) 给定非空集合 \(X\),所有从 \(X\) 到 \(\mathbb R\) 的映射(即 \(X\) 上的实值函数)组成一个集合。定义:函数加法 \((F+G)(x)=F(x)+G(x)\),数乘 \((kF)(x)=kF(x)\)。该集合对加法、数乘满足 8 条公理,是实数域 \(\mathbb R\) 上的线性空间(函数空间)。这是微积分所处理的函数空间的抽象化。
  • 零元=零函数 \(0\)(把每个 \(x\) 映到实数 0);⏱ 13:50
  • 负元=负函数 \(-F\)(把每个 \(x\) 映到 \(-F(x)\));
  • 加法、数乘 4 条法则由实数运算直接验证。
函数空间的现代记号 对 \(X\to\mathbb R\) 的映射集合,通常记作 \({}^{X}\!\mathbb R\) 或 \(\mathbb R^{X}\):右上角写“定义域 \(X\)”,底(左下)写“陪域 \(\mathbb R\)”——映射有两个集合(定义域、陪域),右上角是定义域,底数是陪域。⏱ 15:51 – 16:21
抽象模型的价值 “我们搞数学的,把这些例子抓住主要特征(两种运算 + 8 条法则),抽象出一个模型——线性空间。这个模型研究清楚了,就可以适用于任何一个符合这个模型的、既有代数又有几何的具体对象。”⏱ 12:10 – 13:15

★重点回顾

1
\(n\) 维向量 \(F^n\):\(n\) 个有序数组;分量加法、标量数乘;记 \(F^n\)。它是数域 \(F\) 上的 \(n\) 维向量空间。
2
集合 / 映射三术语:定义域 \(A\)(源)、陪域 \(B\)(codomain,目标全集)、值域 / 像集 \(F(A)\)(像的集合,\(\subseteq B\))。单射(不同元素像不同)、满射(\(F(A)=B\))、双射(一一对应)。
3
笛卡尔积 \(S\times M\):有序对集合;代数运算=“从 \(S\times S\) 到 \(S\) 的映射”,运算结果必须落回 \(S\) 自身(故除法不是 \(\mathbb Z\) 的代数运算)。
4
线性空间 8 公理:加法 4 条(交换、结合、零元、负元)+ 数乘 4 条(\(1\cdot\alpha=\alpha\)、\((kl)\alpha=k(l\alpha)\)、\((k+l)\alpha=k\alpha+l\alpha\)、\(k(\alpha+\beta)=k\alpha+k\beta\))。
5
模型思想:抽象出“两种运算 + 8 法则”这一主要特征,得到一个可套用到 \(F^n\)、几何向量、函数空间等一切实例的通用模型——线性空间。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆陪域 \(B\) 与值域 \(F(A)\):陪域是“像可能落入的全集”,值域是“实际被取到的像的集合”,恒有 \(F(A)\subseteq B\)。只有满射时 \(F(A)=B\)。“值域等于陪域”是满射的等价条件,不要当成恒等。
  2. 单射 / 满射 / 双射判反:单射=“不同元素像不同”(反证:\(F(a_1)=F(a_2)\Rightarrow a_1=a_2\));满射=“每个陪域元素都有原像”;双射=二者兼得。把“满射”误记成“元素不同像不同”是高频错。
  3. 把“任意映射”当成“代数运算”:代数运算必须“值仍落回同一集合 \(S\)”(即 \(S\times S\to S\))。例如整数集合上的“减法”仍是整数,故可作运算;但“除法”结果可出 \(\mathbb Z\),故不是 \(\mathbb Z\) 的代数运算。写公理前先确认运算封闭。
  4. 线性空间必须“非空集合 + 数域 \(F\)”:\(V\) 非空;数乘中的数取自某个固定数域 \(F\)。同一集合配不同数域可得到不同线性空间结构(如 \(\mathbb R^2\) 可作为 \(\mathbb R\) 上空间,也可作为 \(\mathbb C\) 上空间)。
  5. “零元”与“负元”要存在且(唯一性待下一集证):定义第 3、4 条只要求“存在”零元 \(\boldsymbol{0}\) 与每个 \(\boldsymbol{\alpha}\) 的负元 \(-\boldsymbol{\alpha}\);其唯一性要在下一集(P20 性质 1、2)证明,不要在本集就断言唯一。
  6. \(F^n\) 中“向量”与“元素”术语:在抽象线性空间里 \(V\) 的元素统称“向量”;在 \(F^n\) 的具体情形里,每个有序数组也称作“\(n\) 维向量”。不要把“坐标向量”与“抽象向量”的记号混用。

✎自测与作业

  1. 设 \(A=\{1,2,3,4,5\}\)、\(B=\{0,1,2\}\),映射 \(F:A\to B\),\(F(n)=n\bmod 3\)(余数)。判断 \(F\) 是否为单射、满射、双射,并求出值域 \(F(A)\)。
  2. 验证 \(F^2\)(\(F\) 为实数域 \(\mathbb R\))对加法 \((x_1,y_1)+(x_2,y_2)=(x_1+x_2,y_1+y_2)\)、数乘 \(k(x,y)=(kx,ky)\) 满足 8 条公理,从而 \(\mathbb R^2\) 是 \(\mathbb R\) 上的线性空间;写出其零元 \(\mathbf{0}\) 与向量 \((a,b)\) 的负元。
  3. 说明为什么“整数集合 \(\mathbb Z\) 上的除法”不是 \(\mathbb Z\) 的代数运算,而“减法”是;并用笛卡尔积 \(\mathbb Z\times\mathbb Z\to\mathbb Z\) 的映射语言表述加法与乘法。
  4. 设 \(X=\{a,b\}\)。写出 \(X\) 到 \(\mathbb R\) 的全部 4 个实值函数(即 \(\mathbb R^X\) 中形如 \(f:\{a,b\}\to\mathbb R\) 的映射),并验证其中“零函数”是该函数空间(实值函数集合)的加法单位元。
  5. (判断)集合 \(V=\mathbb R^2\),定义运算 \(\boldsymbol{\alpha}+\boldsymbol{\beta}=\boldsymbol{\alpha}\)(即加法恒等)、\(k\boldsymbol{\alpha}=k\cdot\boldsymbol{\alpha}\)(普通数乘)。判断 \(V\) 对这两运算是否构成 \(\mathbb R\) 上的线性空间,指出 8 条公理中哪条被破坏(提示:考察加法交换律与零元)。
  6. (选做)设 \(M\) 为“从 \(\mathbb N\) 到 \(\mathbb R\) 的函数”集合,对函数定义加法 \((F+G)(n)=F(n)+G(n)\)、数乘 \((kF)(n)=kF(n)\)。证明 \(M\) 是 \(\mathbb R\) 上的线性空间,并说明它与“实数列”集合 \(\mathbb R^{\mathbb N}\) 的关系。
下一集预告 第 P20 集 · 二:线性空间的性质 1、2。其中性质 1:线性空间的零元唯一,每个向量的负元唯一(记作 \(-\boldsymbol{\alpha}\));性质 2:\((k+l)\boldsymbol{\alpha}=k\boldsymbol{\alpha}+l\boldsymbol{\alpha}\)、\(k(\boldsymbol{\alpha}+\boldsymbol{\beta})=k\boldsymbol{\alpha}+k\boldsymbol{\beta}\) 等标量运算律的进一步刻画,以及零元、负元的唯一性证明。