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◎学习目标
- 掌握有限个子空间的直和定义:\(V_1 \oplus V_2 \oplus \cdots \oplus V_m\) 中任一向量的表法唯一;
- 理解定理 5:\(m\) 个子空间直和的四个等价命题(类比两个子空间的定理 3);
- 掌握有限维直和维数公式:\(\dim(V_1 \oplus \cdots \oplus V_m) = \dim V_1 + \cdots + \dim V_m\);
- 会用维数公式验证子空间分解(空间分解);
- 理解空间分解的意义:将大空间分解为若干小空间的直和,在小空间中找基比在大空间中找基更容易。
1有限子空间直和的定义 ⏱ 05:20
两个子空间的直和已在 P43 中详细讨论。现在将概念推广到 \(m\) 个子空间。
2直和记号 \(V_1 \oplus V_2 \oplus \cdots \oplus V_m\) ⏱ 07:15
- \(\Sigma\)(Sigma):子空间的普通和(不要求表法唯一);
- \(\bigoplus\)(圆圈的加号):子空间的直和(表法唯一)。
3定理 5 · 四个等价命题(\(m\) 个子空间版)⏱ 08:15
类比 P43 的定理 3(两个子空间直和的四个等价命题),推广到 \(m\) 个子空间。老师建议学生先自己猜测,再验证。
- (1)\(V_1 + V_2 + \cdots + V_m\) 是直和(表法唯一);
- (2)零向量在和空间中的表法唯一,即若 \(\mathbf{0} = \alpha_1 + \alpha_2 + \cdots + \alpha_m\)(\(\alpha_i \in V_i\)),则 \(\alpha_1 = \alpha_2 = \cdots = \alpha_m = \mathbf{0}\);
- (3)对任取 \(i \in \{1, 2, \dots, m\}\),有
\[ V_i \cap \left(\sum_{\substack{j=1 \\ j \neq i}}^{m} V_j\right) = \{\mathbf{0}\}. \]即任一子空间与"其余子空间之和"的交为零子空间;
- (4)设 \(S_i\) 是 \(V_i\) 的一个基(\(i = 1, \dots, m\)),则
\[ S_1 \cup S_2 \cup \cdots \cup S_m \]是 \(V_1 + V_2 + \cdots + V_m\) 的一个基。⏱ 09:20
证明思路(部分)
(1) ⟹ (2):显然。若表法唯一,零向量的唯一表法就是全零(\(0 + 0 + \cdots + 0\))。
(2) ⟹ (3):设 \(\alpha \in V_i \cap \sum_{j \neq i} V_j\)。则 \(\alpha \in V_i\) 且 \(\alpha = \sum_{j \neq i} \alpha_j\)(\(\alpha_j \in V_j\))。故 \(\mathbf{0} = \alpha - \sum_{j \neq i} \alpha_j\),其中第一项属于 \(V_i\),其余项属于对应的 \(V_j\)。由零向量表法唯一,\(\alpha = \mathbf{0}\)。
(2) ⟹ (4) 和 (4) ⟹ (2):与 P43 的命题 2 ⟹ 4 和 4 ⟹ 2 完全类似,只是从两个子空间推广到 \(m\) 个。老师建议学生自己完整证明。⏱ 12:00
4定理 5 的推论 · 有限维直和维数公式 ⏱ 12:50
5直和维数公式的必要条件证明 ⏱ 14:10
证明:若 \(V_1 + V_2 + \cdots + V_m\) 是直和,则 \(\dim(V_1 + \cdots + V_m) = \dim V_1 + \cdots + \dim V_m\)。
证明(逐步拆分法)
由定理 5 的条件 (3),对任 \(i\),\(V_i \cap \sum_{j \neq i} V_j = \{\mathbf{0}\}\)。
第一步:将 \(V_1 + V_2 + \cdots + V_m\) 看作 \(V_1\) 与 \(W = V_2 + V_3 + \cdots + V_m\) 的和。
由条件 (3) 中 \(i = 1\),\(V_1 \cap W = \{\mathbf{0}\}\),故 \(V_1 + W\) 是直和。由 P43 的推论(两个子空间版本):
第二步:对 \(W = V_2 + V_3 + \cdots + V_m\),再次将 \(V_2\) 与 \(W' = V_3 + \cdots + V_m\) 分开。由条件 (3) 中 \(i = 2\)(加上 \(V_1\) 已分离),\(V_2 \cap W' = \{\mathbf{0}\}\),故
逐步拆分:依次下去,最终得到
6直和维数公式的充分条件证明 ⏱ 19:20
证明:若 \(V_1, \dots, V_m\) 都是有限维子空间,且 \(\dim(V_1 + \cdots + V_m) = \dim V_1 + \cdots + \dim V_m\),则 \(V_1 + \cdots + V_m\) 是直和。
证明(基的并集方法)
设 \(\dim V_i = r_i\)(\(i = 1, \dots, m\)),取 \(V_i\) 的基为 \(\alpha_{i1}, \dots, \alpha_{ir_i}\)。
第一步:由命题 1(P41),\(V_1 + V_2 + \cdots + V_m\) 由合并向量组
第二步:由假设条件,和空间的维数恰好等于 \(r_1 + r_2 + \cdots + r_m\)。而每个向量可以由这 \(r_1 + r_2 + \cdots + r_m\) 个向量线性表出(命题 1),因此这组向量就是和空间的基。
第三步:由定理 5 的命题 (4),每个子空间取一个基,合并后是和空间的基 \(\Rightarrow\) 和空间是直和。证毕。⏱ 23:55
7补空间存在性的证明(续) ⏱ 00:00
本集开头接续 P43 的补空间讨论,完整证明有限维空间中每个子空间都有补空间。
完整证明
设 \(V\) 是 \(n\) 维空间,\(U\) 是 \(V\) 的子空间,\(\dim U = m\)。
取 \(U\) 的基 \(\alpha_1, \dots, \alpha_m\),扩充为 \(V\) 的基 \(\alpha_1, \dots, \alpha_m, \beta_1, \dots, \beta_{n-m}\)。
令 \(W = [\beta_1, \dots, \beta_{n-m}]\)(由扩充部分生成的子空间)。
验证 \(V = U + W\):\(V\) 的基是 \(\alpha_1, \dots, \alpha_m, \beta_1, \dots, \beta_{n-m}\)。前 \(m\) 个生成 \(U\),后 \(n-m\) 个生成 \(W\)。由命题 1,\(U + W\) 由合并向量组生成,即整个基,故 \(U + W = V\)。
验证 \(U \cap W = \{\mathbf{0}\}\):\(\alpha_1, \dots, \alpha_m, \beta_1, \dots, \beta_{n-m}\) 是 \(V\) 的基(线性无关)。\(U\) 的基与 \(W\) 的基合起来是 \(U + W\) 的基(定理 5 命题 4),故 \(U + W\) 是直和,即 \(U \cap W = \{\mathbf{0}\}\)。
因此 \(V = U \oplus W\),\(W\) 是 \(U\) 的一个补空间。⏱ 03:10
8空间分解 · 线性空间结构的揭示 ⏱ 05:20
- 每个 \(V_i\) 是 \(V\) 的"小的"或"较特殊"的子空间,找基比在大空间 \(V\) 中更容易;
- 将 \(V_1, V_2, \dots, V_m\) 的基合并,就是 \(V\) 的一个基;
- \(\dim V = \dim V_1 + \dim V_2 + \cdots + \dim V_m\)(维数直接相加)。
- 一个过原点的平面 + 一条过原点且不在该平面内的直线;
- 三条过原点且两两不共面的直线。
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 直和的"唯一性"条件不能弱化:\(V_1 \oplus V_2 \oplus V_3\) 要求三个一起的表法唯一,而不是两两表法唯一。两两直和(\(V_i \cap V_j = \{\mathbf{0}\}\),\(i \neq j\))不足以推出三个一起是直和。
- 维数公式仅适用于有限维:\(\dim V_1 + \dim V_2 + \cdots + \dim V_m\) 只有在每个 \(V_i\) 有限维时才有意义(否则 \(\infty + \infty\) 无定义)。
- 定理 5 条件 (3) 的"交"范围:不是 \(V_i \cap V_j\)(两两交),而是 \(V_i \cap \left(\sum_{j \neq i} V_j\right)\)(\(V_i\) 与其余子空间之和的交)。"其余子空间之和"本身可能不是子空间的直和。
- 补空间存在但不唯一:有限维空间中每个子空间都有补空间,但补空间一般不唯一。几何例子中,一个平面的补空间有无穷多条。
✎自我检测
- 设 \(V\) 是 5 维空间,\(V_1, V_2, V_3\) 是子空间,\(\dim V_1 = 2\),\(\dim V_2 = 1\),\(\dim V_3 = 2\)。若 \(V = V_1 \oplus V_2 \oplus V_3\),验证维数公式成立。
- 设 \(V_1, V_2, V_3\) 是 \(V\) 的子空间,且两两直和(即 \(V_i \cap V_j = \{\mathbf{0}\}\),\(i \neq j\))。判断 \(V_1 + V_2 + V_3\) 是否一定是直和。给出证明或反例。
- 设 \(V\) 是 4 维空间,\(U\) 是 2 维子空间。构造 \(U\) 的一个补空间 \(W\)(取具体基并写出扩充过程),并验证 \(V = U \oplus W\)。
- 设 \(V_1, V_2, V_3\) 都是有限维子空间,且 \(V_1 + V_2 + V_3\) 是直和。证明:\(V_1 \cap V_2 = V_1 \cap V_3 = V_2 \cap V_3 = \{\mathbf{0}\}\)(即三两两交都为零)。
- (思考)设 \(V\) 是 \(n\) 维空间,\(U_1, U_2\) 是 \(U\) 的两个子空间,且 \(U = U_1 \oplus U_2\)。证明 \(U_1\) 在 \(V\) 中的补空间可以取为 \(U_2 \oplus W\),其中 \(W\) 是 \(U\) 在 \(V\) 中的补空间。