线代 A1 笔记 第 2 部分(向量空间 1)

Last updated on April 10, 2026 6:12 PM

向量空间的基本定义

数域 KK 上全体 nn 维向量构成的集合,连同加法、数乘运算,构成 nn 维向量空间,记作 KnK^n。

设 VV 为非空集合,KK 为数域,若 VV 上有加法和数乘运算且满足如下八条公理,则称 VV 为 KK 上的线性空间。

  1. 加法交换律:α+β=β+α\alpha+\beta=\beta+\alpha;
  2. 加法结合律:α+(β+γ)=(α+β)+γ\alpha+(\beta+\gamma)=(\alpha+\beta)+\gamma;
  3. 存在加法零元:0+α=α+0=α\boldsymbol{0}+\alpha=\alpha+\boldsymbol{0}=\alpha;
  4. 存在加法逆元(负元):α+(−α)=(−α)+α=0\alpha+(-\alpha)=(-\alpha)+\alpha=\boldsymbol{0}。

这四条公理保证了 (V,+)(V,+) 构成交换群。

∀k,l∈K\forall k,l\in K,∀α,β∈V\forall \alpha,\beta \in V,有

  1. 数乘运算的单位性:1α=α1\alpha=\alpha;
  2. 结合律:k(lα)=(kl)αk(l\alpha)=(kl)\alpha;
  3. 左分配律:(k+l)α=kα+lα(k+l)\alpha=k\alpha+l\alpha;
  4. 右分配律:k(α+β)=kα+kβk(\alpha+\beta)=k\alpha+k\beta。

由以上公理不难推出下列推论:

  1. 零元唯一性:0=0+0′=0′\boldsymbol{0}=\boldsymbol{0}+\boldsymbol{0}'=\boldsymbol{0}';
  2. 负元唯一性:β=β+α+β′=β′\beta=\beta+\alpha+\beta'=\beta';
  3. ∀α∈V\forall \alpha \in V 有 0α=00\alpha=\boldsymbol{0};
  4. k∈Kk \in K 有 k0=0k \boldsymbol{0} = \boldsymbol{0}。
    证明:

    k0=0+k0axiom 3=((−k0)+k0)+k0axiom 4=(−k0)+k0+k0axiom 2=(−k0)+k(0+0)axiom 8=(−k0)+k0axiom 3=0axiom 4\begin{aligned} k \boldsymbol{0}&= \boldsymbol{0} + k \boldsymbol{0}&\text{axiom 3} \\ &= ((-k \boldsymbol{0}) + k\boldsymbol{0}) + k \boldsymbol{0} & \text{axiom 4}\\ &= (-k \boldsymbol{0}) + k \boldsymbol{0} + k \boldsymbol{0} &\text{axiom 2}\\ &= (-k \boldsymbol{0}) + k (\boldsymbol{0} + \boldsymbol{0})&\text{axiom 8}\\ &= (-k \boldsymbol{0}) + k \boldsymbol{0} & \text{axiom 3}\\ &= \boldsymbol{0}&\text{axiom 4} \end{aligned}

  5. 无挠性:kα=0  ⟹  k=0∨α=0k\alpha=\boldsymbol{0}\implies k=0 \lor \alpha=\boldsymbol{0}
    证明:若 k≠0k\ne 0,则

    α=1αaxiom 5=(k−1k)αproperty of number field K=k−1(kα)axiom 6=k−10given in prob statement=0inference 4\begin{aligned} \alpha &= 1\alpha & \text{axiom 5}\\ &= (k^{-1}k)\alpha & \text{property of number field } K \\ &= k^{-1} (k\alpha) & \text{axiom 6}\\ &= k^{-1}\boldsymbol{0}&\text{given in prob statement}\\ &= \boldsymbol{0} & \text{inference 4} \end{aligned}

    若 k=0k=0,则根据推论 33,成立。

若 VV 的非空子集 WW 满足

  1. 对加法封闭:α,β∈W  ⟹  α+β∈W\alpha,\beta \in W \implies \alpha + \beta \in W;
  2. 对数乘封闭:α∈W,k∈K  ⟹  kα∈W\alpha \in W, k\in K\implies k\alpha \in W。

则 WW 为 VV 的线性子空间。

回到 KnK^n 中,给定向量组 α1⋯αs\alpha_1 \cdots \alpha_s,任意给出一组数 k1⋯ks∈Kk_1\cdots k_s \in K,将 ∑i=1skiαi\displaystyle \sum_{i=1}^s k_i \alpha_i 称为该向量组的一个线性组合。对于 β∈Kn\beta\in K^n,若存在 KK 中的一组数 c1,⋯ ,csc_1, \cdots,c_s s.t. β=∑i=1sciαi\beta=\displaystyle \sum_{i=1}^s c_i\alpha_i,则称 β\beta 可由 α1,…,αs\alpha_1, \ldots ,\alpha_s 线性表出。这启发我们,线性方程组有解   ⟺  β\iff \beta 可以由列向量组线性表出。

注意到,α1,⋯ ,αs\alpha_1, \cdots ,\alpha_s 的所有线性组合构成的集合 WW 是 KnK^n 的一个子空间(加法封闭性和数乘封闭性均不难验证),称其为向量组生成的子空间,记作 ⟨α1,⋯αs⟩\langle \alpha_1, \cdots \alpha_s \rangle。

这给出了很重要的信息:

线性方程组 ∑i=1nxiαi=β\displaystyle \sum_{i=1}^n x_i\alpha_i = \beta 有解   ⟺  β\iff \beta 可由 α1,⋯αs\alpha_1, \cdots \alpha_s 线性表出   ⟺  \iff β∈⟨α1,⋯ ,αs⟩\beta \in \langle \alpha_1, \cdots ,\alpha_s \rangle。

有无解被归结到判断 β\beta 是否在生成子空间内,这是很重要的观点。

子空间的包含关系可以导出线性表出的传递性:

若 α1,⋯ ,αr\alpha_1, \cdots ,\alpha_r 可以表出 β1,⋯ ,βr\beta_1, \cdots ,\beta_r,且 β1,⋯βr\beta_1, \cdots \beta_r 可以表出 γ1,⋯ ,γt\gamma_1, \cdots ,\gamma_t,则 α1,⋯ ,αr\alpha_1, \cdots ,\alpha_r 可以直接表出 γ1,⋯ ,γt\gamma_1, \cdots ,\gamma_t。

理解就是 ⟨α1,⋯ ,αr⟩⊇⟨β1,⋯ ,βs⟩⊇⟨γ1,⋯ ,γt⟩  ⟹  ⟨α1,⋯ ,αr⟩⊇⟨γ1,⋯ ,γt⟩\langle \alpha_1, \cdots ,\alpha_r \rangle \supseteq \langle \beta_1, \cdots ,\beta_s \rangle \supseteq \langle \gamma_1, \cdots ,\gamma_t \rangle \implies\langle \alpha_1, \cdots ,\alpha_r \rangle \supseteq \langle \gamma_1, \cdots ,\gamma_t \rangle。

线性相关与线性无关

线性相关就是可以被一组不全为零的系数表出,线性无关就是不线性相关。

推论:

  1. 包含 0\boldsymbol{0} 的向量组一定线性相关。令 0\boldsymbol{0} 前面的系数不为 00。
  2. α\alpha 线性相关   ⟺  ∃k≠0\iff \exists k\ne 0 s.t. kα=0  ⟺  α=0k\alpha =\boldsymbol{0} \iff \alpha = \boldsymbol{0}。即 α\alpha 线性无关   ⟺  α≠0\iff \alpha\ne \boldsymbol{0}。
  3. α1,⋯ ,αs (s≥2)\alpha_1, \cdots,\alpha_s~(s\ge 2) 线性相关   ⟺  \iff 至少有一个向量可以由其余向量线性表出。
    证明:必要性。由定义,若其线性相关,则 $\exists $ 不全为零的 k1,⋯ ,ks∈Kk_1, \cdots ,k_s \in K s. t. ∑i=1skiαi=0\displaystyle \sum_{i=1}^s k_i\alpha_i = \boldsymbol{0},设 ki≠0k_i\ne 0,则 αi=−∑j=1,j≠inkjkiαj\alpha_i = \displaystyle -\sum_{j=1,j\ne i}^n \frac{k_j}{k_i}\alpha_j。
    充分性:设其中一个向量 αi\alpha_i 可以被其余的表出,则 αi=∑j=1,j≠inljαj\alpha_i = \displaystyle \sum_{j=1,j\ne i}^n l_j\alpha_j,移项:∑j=1,j≠inljαj+(−1)αi=0\displaystyle \sum_{j=1,j\ne i}^n l_j\alpha_j + (-1)\alpha_i = \boldsymbol{0},−1≠0-1\ne 0,故 α1,⋯ ,αs\alpha_1, \cdots,\alpha_s 线性相关。
  4. 由 33 可以知道,α1,⋯ ,αs (s≥2)\alpha_1, \cdots,\alpha_s~(s\ge 2) 线性无关   ⟺  \iff 每一个向量都不能被剩下的表出。

从齐次线性方程组的角度出发,也可以得到很好的推论:

  1. 线性无关等价于齐次线性方程组有唯一解——零解。即列向量的表出系数均为 00。而线性相关便等价于其有非零解。根据齐次线性方程组解的性质,线性相关的向量组,使其表出 0\boldsymbol{0} 的系数是有任意组的。

由元数多于方程数的齐次线性方程组一定有非零解的性质可以推出

  1. 向量个数 > 向量分量个数时,向量组线性相关。

从行列式的角度出发

  1. nn 个 nn 维列向量 α1,⋯ ,αn\alpha_1, \cdots ,\alpha_n 线性相关   ⟺  ∣α1⋯αn∣=0\iff \left\vert \alpha_1\cdots \alpha_n \right\vert =0。线性无关则等价于行列式不为 00。

关于延伸组与缩短组。令 α1,⋯ ,αs∈Kn\alpha_1, \cdots,\alpha_s \in K^n,为每个向量添加上 tt 个分量得到 α1~,⋯ ,αs~∈Kn+t\tilde{\alpha_1}, \cdots ,\tilde{\alpha_s}\in K^{n+t},则称后者为前者的延伸组,前者为后者的缩短组。

  1. 向量组线性无关   ⟹  \implies 其延伸组线性无关。
    证明:α1,⋯ ,αs\alpha_1, \cdots,\alpha_s 线性无关即齐次线性方程组 ∑i=1sxiαi=0\displaystyle \sum_{i=1}^s x_i\alpha_i = \boldsymbol{0} 只有零解,可以推导出 ∑i=1sxiαi~=0\displaystyle \sum_{i=1}^s x_i \tilde{\alpha_i} = \boldsymbol{0} 也只有零解(若其有非零解则上一个方程组也有非零解),故 α1~,⋯ ,αs~\tilde{\alpha_1}, \cdots ,\tilde{\alpha_s} 线性无关。
  2. 向量组线性相关   ⟹  \implies 其缩短组线性相关。
    不证了,过于显然,表出系数照抄即可。

此外,我们还知道如下比较显然的性质(不证):

  1. 向量组线性无关   ⟹  \implies 任意部分组线性无关
  2. 存在部分组线性相关   ⟹  \implies 向量组线性相关

接下来是一个很重要的引理:

  1. 设 α1,⋯ ,αs\alpha_1, \cdots ,\alpha_s 线性无关,则 α1,⋯ ,αs\alpha_1, \cdots ,\alpha_s 可以线性表出 β  ⟺  α1,⋯ ,αs,β\beta \iff \alpha_1, \cdots ,\alpha_s,\beta 线性相关。

    证明:必要性是显然的,考虑充分性。设 α1,⋯ ,αs,β\alpha_1, \cdots ,\alpha_s,\beta 线性相关,则 $\exists $ 不全为零的 k1,⋯ ,ks,lk_1, \cdots ,k_s,l s. t. ∑i=1skiαi+lβ=0\displaystyle \sum_{i=1}^s k_i\alpha_i + l\beta = \boldsymbol{0},假设 l=0l=0,则 k1,⋯ ,ksk_1, \cdots ,k_s 不全为零,这与 α1,⋯ ,αs\alpha_1, \cdots ,\alpha_s 线性无关矛盾。所以 l≠0l\ne 0,β=−∑i=1skilαi\beta = \displaystyle -\sum_{i=1}^s \frac{k_i}{l}\alpha_i。


线代 A1 笔记 第 2 部分(向量空间 1)
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Author
YangTY
Posted on
November 14, 2023
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