高等代数 · 课程学习笔记

第 P41 集 · 二十三:子空间维数公式

Dimension Formula for Subspaces
北大丘维声教授 · 清华大学 进度 P41 / 151 集 核心概念:子空间交 · 子空间并集非子空间 · 子空间的和 · 维数公式 · 基的扩充
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◎学习目标

  1. 理解子空间交满足结合律:\(\bigcap_{i=1}^{s} V_i\) 是唯一的子空间;
  2. 知道子空间的并集一般不是子空间,从而引出子空间的"和"的定义;
  3. 掌握子空间的和 \(V_1 + V_2\) 的定义与性质(交换律、结合律);
  4. 记住命题 1:两个由向量组生成的子空间之和 = 由合并向量组生成的子空间;
  5. 理解并会证明子空间维数公式:\(\dim(V_1 \cap V_2) + \dim(V_1 + V_2) = \dim V_1 + \dim V_2\);
  6. 会用维数公式判断子空间关系(交为零子空间 ⟺ 和的维数 = 维数之和)。

1子空间交的结合律 ⏱ 01:00

集合有交,子空间的交仍是子空间。由于集合交满足结合律,子空间的交运算自然满足结合律。

记号 · 多个子空间的交 设 \(V_1, V_2, \dots, V_s\) 是 \(V\) 的子空间,定义
\[ \bigcap_{i=1}^{s} V_i = V_1 \cap V_2 \cap \cdots \cap V_s. \]
由于结合律,这个交与计算的括号顺序无关,结果是唯一的子空间。⏱ 01:05
老师强调 "每两个子空间交都是一个子空间,三个子空间交的还是子空间,所以若干个子空间交也是唯一的子空间。"⏱ 01:40

2并集为什么不是子空间 ⏱ 01:46

集合有并,但子空间的并集一般不是子空间。

反例 · 两个平面的并集 设 \(V_1, V_2\) 是三维几何空间中过原点的两个不同平面。取 \(\alpha_1 \in V_1\)、\(\alpha_2 \in V_2\)。若 \(V_1 \cup V_2\) 是子空间,则 \(\alpha_1 + \alpha_2\) 应在并集中。但按平行四边形法则,\(\alpha_1 + \alpha_2\) 一般既不在 \(V_1\) 也不在 \(V_2\) 中,矛盾。⏱ 02:20
老师总结 "并集不是子空间的硬算。并完一下它不是子空间了,跑出去了。"⏱ 02:47

3子空间的和 \(V_1 + V_2\) ⏱ 03:12

既然并集不行,我们需要找包含 \(V_1\) 和 \(V_2\) 中所有向量的最小子空间。由子空间对加法封闭的性质,必须包含所有形如 \(\alpha_1 + \alpha_2\) 的向量(\(\alpha_1 \in V_1, \alpha_2 \in V_2\))。

定义 · 子空间的和 设 \(V_1, V_2\) 是 \(V\) 的子空间,定义
\[ V_1 + V_2 = \{\alpha_1 + \alpha_2 \mid \alpha_1 \in V_1,\ \alpha_2 \in V_2\}. \]
记作 \(V_1 + V_2\),读作"\(V_1\) 加 \(V_2\) 的和"。⏱ 04:10
验证 \(V_1 + V_2\) 是子空间

非空:零向量 \(\mathbf{0} = \mathbf{0} + \mathbf{0}\),其中第一个 \(\mathbf{0} \in V_1\),第二个 \(\mathbf{0} \in V_2\),故 \(\mathbf{0} \in V_1 + V_2\)。⏱ 05:00

对加法封闭:取两个元素 \(\alpha_1 + \alpha_2\) 和 \(\beta_1 + \beta_2\)(\(\alpha_1,\beta_1 \in V_1\),\(\alpha_2,\beta_2 \in V_2\)),则

\[ (\alpha_1 + \alpha_2) + (\beta_1 + \beta_2) = (\alpha_1 + \beta_1) + (\alpha_2 + \beta_2), \]

其中 \(\alpha_1 + \beta_1 \in V_1\),\(\alpha_2 + \beta_2 \in V_2\),故结果仍属于 \(V_1 + V_2\)。⏱ 05:30

对数乘封闭:对 \(k \in \mathbb{F}\),

\[ k(\alpha_1 + \alpha_2) = k\alpha_1 + k\alpha_2, \]

其中 \(k\alpha_1 \in V_1\),\(k\alpha_2 \in V_2\),故结果仍属于 \(V_1 + V_2\)。⏱ 06:37

三条均满足,\(V_1 + V_2\) 是 \(V\) 的子空间。它是包含 \(V_1 \cup V_2\) 的最小子空间。

4子空间和的交换律与结合律 ⏱ 07:15

性质 · 交换律
\[ V_1 + V_2 = V_2 + V_1. \]
由向量加法的交换律直接得到。⏱ 07:15
性质 · 结合律
\[ (V_1 + V_2) + V_3 = V_1 + (V_2 + V_3). \]
由向量加法的结合律直接得到。每两个子空间之和仍是子空间,因此 \(s\) 个子空间的和是唯一确定的。⏱ 08:26
记号 · 多个子空间的和 有限多个子空间的和用 \(\Sigma\) 表示:
\[ \sum_{i=1}^{s} V_i = V_1 + V_2 + \cdots + V_s. \]
注意区分:\(\sum\)(Sigma)表示子空间的和;\(\bigoplus\)(圆圈的加号)表示子空间的直和。⏱ 08:40

5生成子空间的和(命题 1)⏱ 09:30

设 \(V_1\) 由向量组 \(\alpha_1, \dots, \alpha_s\) 生成,\(V_2\) 由向量组 \(\beta_1, \dots, \beta_r\) 生成。

命题 1 · 生成子空间的和
\[ [\alpha_1, \dots, \alpha_s] + [\beta_1, \dots, \beta_r] = [\alpha_1, \dots, \alpha_s, \beta_1, \dots, \beta_r]. \]
即:两个由向量组生成的子空间之和 = 由合并后的向量组生成的子空间。⏱ 11:25
证明

\(\subseteq\):\(V_1 + V_2\) 中任一向量为 \(\alpha_1\) 的线性组合 + \(\beta_1\) 的线性组合,即合并向量组的线性组合,故属于合并向量组生成的子空间。

\(\supseteq\):合并向量组的任一线性组合可拆为 \(\alpha\)-部分的组合 + \(\beta\)-部分的组合,分别属于 \(V_1\) 和 \(V_2\),故属于 \(V_1 + V_2\)。

双向包含,命题得证。⏱ 12:15

老师点评 "非常容易,但这个命题有非常有用。"⏱ 12:12

6子空间维数公式的猜测 ⏱ 13:20

设 \(V_1, V_2\) 都是有限维子空间。由命题 1 和子空间交的定义,自然产生四个对象:\(V_1\)、\(V_2\)、\(V_1 \cap V_2\)、\(V_1 + V_2\)。它们各有一个维数(自然数),这四个数之间有什么关系?

几何直觉 · 猜测 三维几何空间 \(V\) 中,设 \(V_1, V_2\) 都是二维平面,\(V_1 \cap V_2\) 是一维直线(维数为 1),\(V_1 + V_2 = V\)(维数为 3)。
\[ 2 + 2 - 1 = 3 \]
即 \(\dim V_1 + \dim V_2 - \dim(V_1 \cap V_2) = \dim(V_1 + V_2)\)。"这个小学在这里连,加减号连起来。"⏱ 14:40
猜想 · 子空间维数公式 对有限维子空间 \(V_1, V_2\),有
\[ \dim(V_1 \cap V_2) + \dim(V_1 + V_2) = \dim V_1 + \dim V_2. \]

7维数公式的证明 ⏱ 15:35

设 \(\dim(V_1 \cap V_2) = m\),\(\dim V_1 = n_1\),\(\dim V_2 = n_2\)。目标:证明 \(\dim(V_1 + V_2) = n_1 + n_2 - m\)。

证明过程(基的扩充方法)

第一步:取交的一个基。从最小的子空间 \(V_1 \cap V_2\) 中取基 \(\alpha_1, \dots, \alpha_m\)。⏱ 15:50

第二步:扩充为 \(V_1\) 的基。将 \(\alpha_1, \dots, \alpha_m\) 扩充为 \(V_1\) 的基,添加 \(\beta_1, \dots, \beta_{n_1-m}\)。

\[ \{\alpha_1, \dots, \alpha_m, \beta_1, \dots, \beta_{n_1-m}\} \text{ 是 } V_1 \text{ 的一个基。} \]

第三步:扩充为 \(V_2\) 的基。将 \(\alpha_1, \dots, \alpha_m\) 扩充为 \(V_2\) 的基,添加 \(\gamma_1, \dots, \gamma_{n_2-m}\)。

\[ \{\alpha_1, \dots, \alpha_m, \gamma_1, \dots, \gamma_{n_2-m}\} \text{ 是 } V_2 \text{ 的一个基。} \]

第四步:确定 \(V_1 + V_2\) 的基。由命题 1,\(V_1 + V_2\) 由合并向量组生成:

\[ \{\alpha_1, \dots, \alpha_m,\ \beta_1, \dots, \beta_{n_1-m},\ \gamma_1, \dots, \gamma_{n_2-m}\}. \]

其中 \(\alpha_1, \dots, \alpha_m\) 在两组基中重复,去重后实际向量为 \(m + (n_1 - m) + (n_2 - m) = n_1 + n_2 - m\) 个。⏱ 17:50

这组向量线性无关(可从构造验证),且生成 \(V_1 + V_2\),故

\[ \dim(V_1 + V_2) = n_1 + n_2 - m. \]

移项即得维数公式。证毕。

老师强调 "子空间维数公式,很著名的子空间的维数公式,很重要的结论。重要的不得了。"⏱ 16:40

8推论与几何直觉 ⏱ 18:45

推论 1 · 维数公式的变形
\[ \dim(V_1 + V_2) = \dim V_1 + \dim V_2 - \dim(V_1 \cap V_2). \]
特别地,若 \(V_1 \cap V_2 = \{\mathbf{0}\}\)(交为零子空间),则
\[ \dim(V_1 + V_2) = \dim V_1 + \dim V_2. \]
这就是直和的维数公式(将在 P44 集详细讨论)。⏱ 19:10
几何例子 三维几何空间中:
  • 两个不共线的平面(均过原点):\(\dim V_1 = 2, \dim V_2 = 2\),交为一维直线(\(\dim = 1\)),和为整个三维空间(\(\dim = 3\))。验证:\(1 + 3 = 2 + 2\)。✓
  • 平面与不在此平面内的直线:\(\dim = 2 + 1 - 0 = 3\)(交为零子空间,直和)。✓
老师方法论 "我教数学思维方式学数学,你到哪个例子看看就明白了。拿一个例子去看,来我猜,可能一般也有猜。如果这个猜证明了,那这个就定了。"⏱ 14:00

★重点回顾

1
子空间交满足结合律:\(\bigcap_{i=1}^{s} V_i\) 是唯一的子空间,与括号顺序无关。
2
并集不是子空间:\(V_1 \cup V_2\) 一般不满足加法封闭,因此需要定义新的运算——子空间的和。
3
子空间的和:\(V_1 + V_2 = \{\alpha_1 + \alpha_2\}\) 是包含 \(V_1 \cup V_2\) 的最小闭子空间,满足交换律、结合律。
4
命题 1:\([\alpha_1,\dots,\alpha_s] + [\beta_1,\dots,\beta_r] = [\alpha_1,\dots,\alpha_s,\beta_1,\dots,\beta_r]\),生成子空间的和 = 合并向量组生成的子空间。
5
子空间维数公式:\(\dim(V_1 \cap V_2) + \dim(V_1 + V_2) = \dim V_1 + \dim V_2\)。证明核心:从交中取基,分别扩充到两个子空间,合并去重后计数。
6
直和维数:若 \(V_1 \cap V_2 = \{\mathbf{0}\}\),则 \(\dim(V_1 + V_2) = \dim V_1 + \dim V_2\),即直和的维数 = 维数之和。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 子空间并集 ≠ 子空间:不要将 \(V_1 \cup V_2\) 当作子空间使用。必须用"和" \(V_1 + V_2\) 代替。
  2. 维数公式中"交"和"和"不能搞反:\(\dim(V_1 \cap V_2) + \dim(V_1 + V_2) = \dim V_1 + \dim V_2\),是"交 + 和 = 各自维数之和",而不是"交 = 和"。
  3. 基扩充时不要漏掉"去重":两组基共享了 \(m\) 个交中的基向量,合并后实际独立向量个数为 \(n_1 + n_2 - m\),不是 \(n_1 + n_2\)。
  4. 维数公式要求有限维:若 \(V_1\) 或 \(V_2\) 是无限维,维数为 \(\infty\),公式失去数值意义(但"交为零子空间 ⟹ 直和"仍然成立)。

✎自我检测

  1. 设 \(V\) 是三维空间,\(V_1\) 是过原点的平面,\(V_2\) 是过原点且不在 \(V_1\) 内的直线。求 \(\dim(V_1 + V_2)\) 和 \(\dim(V_1 \cap V_2)\)。
  2. 设 \(V_1, V_2\) 是 \(n\) 维空间 \(V\) 的子空间,且 \(\dim V_1 + \dim V_2 > n\)。证明 \(V_1 \cap V_2 \neq \{\mathbf{0}\}\)。(提示:用维数公式反证。)
  3. 设 \(V_1\) 由 \(\alpha_1, \alpha_2\) 生成,\(V_2\) 由 \(\beta_1, \beta_2\) 生成。证明 \(V_1 + V_2\) 由 \(\alpha_1, \alpha_2, \beta_1, \beta_2\) 生成。
  4. 设 \(\dim V_1 = 5\),\(\dim V_2 = 4\),\(\dim(V_1 \cap V_2) = 2\)。求 \(\dim(V_1 + V_2)\)。
  5. 证明:若 \(V_1 \cap V_2 = \{\mathbf{0}\}\) 且 \(\dim V_1 + \dim V_2 = \dim V\),则 \(V_1 + V_2 = V\)。(即 \(V\) 是 \(V_1\) 和 \(V_2\) 的直和。)
  6. (思考)在 \(\mathbb{R}^3\) 中,取 \(V_1\) 为 \(xy\)-平面,\(V_2\) 为 \(yz\)-平面。验证维数公式,并说明 \(V_1 + V_2\) 和 \(V_1 \cap V_2\) 分别是什么。
下一集预告 第 P42 集将继续讨论子空间的相关运算与性质,为 P43 的"直和四个命题"做铺垫。