2025年7.3、向量空间的简要回顾

7.3、向量空间的简要回顾7 3 向量空间的简要回顾 在开始讨论格之前 我们先提醒读者注意线性代数中的一些重要定义和思想 向量空间的定义可以非常宽泛 但就本章而言 我们只需考虑对于某个正整数 m 包含在 R m R m R m 中的向量空间即可

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7.3、向量空间的简要回顾

​ 在开始讨论格之前,我们先提醒读者注意线性代数中的一些重要定义和思想。向量空间的定义可以非常宽泛,但就本章而言,我们只需考虑对于某个正整数 m,包含在 R m R^{m} Rm中的向量空间即可。

​ 我们从研究向量空间必不可少的基本定义开始

​ 向量空间。 向量空间 V 是 R m R^{m} Rm 的子集,其性质是:
a 1 v 1 + a 2 v 2 ∈ V 对于所有的 v 1 , v 2 ∈ V 和所有的 a 1 , a 2 ∈ R a_{1}v_{1}+a_{2}v_{2} \in V \uad 对于所有的v_{1},v_{2}\in V和所有的a_{1},a_{2}\in R a1​v1​+a2​v2​∈V对于所有的v1​,v2​∈V和所有的a1​,a2​∈R
​ 等价地,向量空间是 R m R^{m} Rm​的一个子集,它对R的元素的加法和标量乘法封闭。

​ 线性组合。 设 v 1 , v 2 , . . . , v k ∈ V v_{1},v_{2},...,v_{k} \in V v1​,v2​,...,vk​∈V。 v 1 , v 2 , . . . , v k ∈ V v_{1},v_{2},...,v_{k} \in V v1​,v2​,...,vk​∈V 的线性组合是任何形式的向量:
w = a 1 v 1 + a 2 v 2 + . . . + a k v k w i t h a 1 , . . . , a k ∈ R w=a_{1}v_{1}+a_{2}v_{2}+...+a_{k}v_{k} \uad with \uad a_{1},...,a_{k} \in R w=a1​v1​+a2​v2​+...+ak​vk​witha1​,...,ak​∈R
​ 所有这些线性组合的集合,
{ a 1 v 1 + . . . + a k v k : a 1 , . . . , a k ∈ R } \{a_{1}v_{1}+...+a_{k}v_{k}:a_{1},...,a_{k} \in R\} { a1​v1​+...+ak​vk​:a1​,...,ak​∈R}
​ 称为 {v1,…, vk} 的扩张空间(span)。补充:扩张空间: 即向量张成的线性空间

​ 无关性。 一组向量 v 1 , v 2 , . . . , v k ∈ V v_{1},v_{2},...,v_{k} \in V v1​,v2​,...,vk​∈V​ 是(线性)独立的,如果要得到
a 1 v 1 + a 2 v 2 + . . . + a k v k = 0 ( 7.5 ) a_{1}v_{1}+a_{2}v_{2}+...+a_{k}v_{k}=0 \uad (7.5) a1​v1​+a2​v2​+...+ak​vk​=0(7.5)
​ 如果我们能使 (7.5) 成真,且至少有一个 a i a_{i} ai​ 非零,那么这个集合就是(线性)相关集合。

​ 基。 V 的基是一组跨(span-张成空间) V 的线性无关向量 v 1 , v 2 , . . . , v n v_{1},v_{2},...,v_{n} v1​,v2​,...,vn​。这等同于说,对于 α1,…,αn∈ R 的唯一选择,每个向量 w∈V 都可以写成这种形式。
w = a 1 v 1 + a 2 v 2 + . . . + a n v n w=a_{1}v_{1}+a_{2}v_{2}+...+a_{n}v_{n} w=a1​v1​+a2​v2​+...+an​vn​
​ 接下来,我们描述了不同基之间的关系和重要的维数概念。

​ 命题 7.11. 设 V ⊂ R m R^{m} Rm 是一个向量空间。
(a)存在V的一组基。

(b)V的任意两个基都有相同数量的元素。V的一组基中的元素数称为V的维数。(最小线性无关组)

(c)设 v1,…, vn 是 V 的一个基,设 w1,…, wn 是 V 中的另一组 n 个向量,把每个 wj 写成 vi 的线性组合(v中所有向量都可以用基来表示)
w 1 = a 11 v 1 + a 12 v 2 + . . . + a 1 n v n , w 2 = a 21 v 1 + a 22 v 2 + . . . + a 2 n v n , . . . . . . w n = a n 1 v 1 + a n 2 v 2 + . . . + a n n v n , w_{1}=a_{11}v_{1}+a_{12}v_{2}+...+a_{1n}v_{n},\\ w_{2}=a_{21}v_{1}+a_{22}v_{2}+...+a_{2n}v_{n},\\ ...... \\ w_{n}=a_{n1}v_{1}+a_{n2}v_{2}+...+a_{nn}v_{n},\\ w1​=a11​v1​+a12​v2​+...+a1n​vn​,w2​=a21​v1​+a22​v2​+...+a2n​vn​,......wn​=an1​v1​+an2​v2​+...+ann​vn​,
​ 然后w1,…,wn也是V的一组基当且仅当矩阵的行列式不等于0。
( a 11 a 12 . . . a 1 n a 21 a 22 . . . a 2 n . . . . . . . . . . . . a n 1 a n 2 . . . a n n ) \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & ... & a_{1n}\\ a_{21} & a_{22} & ... & a_{2n}\\ ... & ... & ... & ...\\ a_{n1} & a_{n2} & ... & a_{nn} \end{pmatrix} ​a11​a21​...an1​​a12​a22​...an2​​............​a1n​a2n​...ann​​ ​
​ 接下来,我们将解释如何测量 R n R^{n} Rn 中向量的长度以及向量对之间的夹角。这些重要的概念与点积和欧几里得规范的概念息息相关。

​ 定义。 设 v,w∈V ⊂ R m R^{m} Rm​,并将 v 和 w 用坐标写成
v = ( x 1 , x 2 , . . . , x m ) a n d w = ( y 1 , y 2 , . . . , y m ) v=(x_{1},x_{2},...,x_{m}) \uad and \uad w=(y_{1},y_{2},...,y_{m}) v=(x1​,x2​,...,xm​)andw=(y1​,y2​,...,ym​)
​ v 和 w 的点积为
v ⋅ w = x 1 y 1 + x 2 y 2 + . . . + x m y m v\cdot w=x_{1}y_{1}+x_{2}y_{2}+...+x_{m}y_{m} v⋅w=x1​y1​+x2​y2​+...+xm​ym​
​ 如果 v ⋅ w = 0 v\cdot w=0 v⋅w=0,我们就说 v 和 w 互为正交。


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​ v 的长度或欧几里得范数是指:
∥ v ∥ = x 1 2 + x 2 2 + . . . + x m 2 \parallel v \parallel =\sqrt{x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+...+x_{m}^{2}} ∥v∥=x12​+x22​+...+xm2​ ​
​ 注意点积和范数是由公式联系起来的
v ⋅ v = ∥ v ∥ 2 v \cdot v =\parallel v \parallel^{2} v⋅v=∥v∥2
​ 命题7.12。 设 v , w ∈ V ⊂ R m v,w \in V \subset R^{m} v,w∈V⊂Rm。

​ (a) 设 θ 为向量 v 和 w 之间的夹角,我们将 v 和 w 的起点置于原点 0,则:
v ⋅ w = ∥ v ∥ ∥ w ∥ c o s ( θ ) ( 7.6 ) v \cdot w = \parallel v \parallel \parallel w \parallel cos(θ) \uad (7.6) v⋅w=∥v∥∥w∥cos(θ)(7.6)
​ (b) (柯西-施瓦茨不等式):
∣ v ⋅ w ∣ ≤ ∥ v ∥ ∥ w ∥ |v \cdot w | \le \parallel v \parallel \parallel w \parallel ∣v⋅w∣≤∥v∥∥w∥
​ 证明。 关于 (a),请参见任何标准线性代数教科书。我们注意到 Cauchy-Schwarz 不等式 (b) 是由 (a) 直接推出的,但我们认为它的重要性足以保证直接证明。如果 w = 0,则无须证明,我们可以假设 w = 0。我们考虑函数
f ( t ) = ∥ v − t w ∥ 2 = ( v − t w ) ⋅ ( v − t w ) = v ⋅ v − 2 t v ⋅ w + t 2 w ⋅ w = ∥ v ∥ 2 − 2 t v ⋅ w + t 2 ∥ w ∥ 2 f(t)=\parallel v-tw \parallel^{2}=(v-tw) \cdot (v-tw) \\ =v \cdot v -2tv \cdot w + t^{2}w \cdot w \\ =\parallel v \parallel ^{2}-2tv \cdot w +t^{2}\parallel w \parallel ^{2} f(t)=∥v−tw∥2=(v−tw)⋅(v−tw)=v⋅v−2tv⋅w+t2w⋅w=∥v∥2−2tv⋅w+t2∥w∥2
​ 我们知道,对于所有t∈R, f(t)≥0,因此我们选择使f(t)最小的t值,看看它给出了什么。这个最小值是 t = v ⋅ w / ∥ w ∥ 2 t=v \cdot w / \parallel w \parallel ^{2} t=v⋅w/∥w∥2​。因此
0 ≤ f ( v ⋅ w ∥ w ∥ 2 ) = ∥ v ∥ 2 − ( v ⋅ w ) 2 ∥ w ∥ 2 0 \le f\left ( \frac{v \cdot w}{\parallel w \parallel ^{2}} \right ) = \parallel v \parallel ^{2}-\frac{(v \cdot w)^{2}}{\parallel w \parallel ^{2}} 0≤f(∥w∥2v⋅w​)=∥v∥2−∥w∥2(v⋅w)2​
​ 对这个表达式进行简化并取平方根,就得到了想要的结果。(这一步通过化简 ∥ v ∥ 2 − 2 t v ⋅ w + t 2 ∥ w ∥ 2 \parallel v \parallel ^{2}-2tv \cdot w +t^{2}\parallel w \parallel ^{2} ∥v∥2−2tv⋅w+t2∥w∥2成函数 f ( x ) = ( x − b ) 2 f(x)=(x-b)^{2} f(x)=(x−b)2的形式,由于函数图像开口朝上,所以b是最低点)

​ 定义。 向量空间 V 的正交基是基 v1,…,vn,其性质是
v i ⋅ v j = 0 对于所有的 i ≠ j v_{i} \cdot v_{j} = 0 \uad 对于所有的i \ne j vi​⋅vj​=0对于所有的i=j
​ 翻译:对于向量空间 V 里的所有基 v 1 , . . . , v n v_{1},...,v_{n} v1​,...,vn​,两两之间都存在关系:

v i ⋅ v j = 0 对于所有的 i ≠ j v_{i} \cdot v_{j} = 0 \uad 对于所有的i \ne j vi​⋅vj​=0对于所有的i=j,则说是正交基

​如果对于所有的 i , ∥ v i ∥ = 1 i,\parallel v_{i} \parallel = 1 i,∥vi​∥=1​,则说这个基是标准正交的,

​ 使用正交或标准正交基,有许多公式会变得简单得多。特别地,如果v1,…, vn是一个正交基,同时,如果v = a1v1 +···+ anvn是基向量的线性组合,则
∥ v ∥ 2 = ∥ a 1 v 1 + . . . + a n v n ∥ 2 = ( a 1 v 1 + . . . + a n v n ) ⋅ ( a 1 v 1 + . . . + a n v n ) = ∑ i = 1 n ∑ j = 1 n a i a j ( v i ⋅ v j ) = ∑ i = 1 n a i 2 ∥ v i ∥ 2 因为当 i ≠ j 时, v i ⋅ v j \parallel v \parallel ^{2} = \parallel a_{1}v_{1}+...+a_{n}v_{n} \parallel ^{2} \\ =(a_{1}v_{1}+...+a_{n}v_{n}) \cdot (a_{1}v_{1}+...+a_{n}v_{n}) \\ =\sum_{i=1}^{n} \sum_{j=1}^{n} a_{i}a_{j}(v_{i} \cdot v_{j}) \\ =\sum_{i=1}^{n}a_{i}^{2} \parallel v_{i} \parallel ^{2} \uad 因为当i\ne j时,v_{i} \cdot v_{j} ∥v∥2=∥a1​v1​+...+an​vn​∥2=(a1​v1​+...+an​vn​)⋅(a1​v1​+...+an​vn​)=i=1∑n​j=1∑n​ai​aj​(vi​⋅vj​)=i=1∑n​ai2​∥vi​∥2因为当i=j时,vi​⋅vj​
​ 如果基是标准正交的,那么这个进一步化简为 ∥ v ∥ 2 = ∑ a i 2 \parallel v \parallel ^{2} =\sum a_{i}^{2} ∥v∥2=∑ai2​。

​ 有一种创建正交基础的标准方法,称为格拉姆-施密特算法(Gram-Schmidt algorithm)。我们将介绍通常算法的一个变种,它能得到一个正交基础,因为这个变种与我们后面的应用最为相关。

​ 定理7.13 (Gram-Schmidt算法)。设v1,…, vn是向量空间V⊂Rm的一组基。下面的算法为 V 创建了一个正交基 v 1 ∗ , . . . , v n ∗ v_{1}^{*},...,v_{n}^{*} v1∗​,...,vn∗​​:
在这里插入图片描述

​ 这两个基的特性是:扩张空间(span)
S p a n { v 1 , . . . , v i } = S p a n { v 1 ∗ , . . . , v i ∗ } 对于所有的 i = 1 , 2 , . . . , n Span\{v_{1},...,v_{i}\}=Span\{v_{1}^{*},...,v_{i}^{*}\} \uad 对于所有的i=1,2,...,n Span{ v1​,...,vi​}=Span{ v1∗​,...,vi∗​}对于所有的i=1,2,...,n
​ 证明。正交性的证明采用归纳法,因此我们假设向量 v 1 ∗ , . . . , v i − 1 ∗ v_{1}^{*},...,v_{i-1}^{*} v1∗​,...,vi−1∗​ 是成对正交的,我们需要证明 v i ∗ v_{i}^{*} vi∗​​ 与前面所有的有星号的向量是正交的。为此,我们取任意 k< i 并计算
在这里插入图片描述

​为了证明关于跨度的最后陈述,我们首先注意到,根据 v i ∗ v_{i}^{*} vi∗​ 的定义,vi 显然在 v 1 ∗ , . . . , v i ∗ v_{1}^{*},...,v_{i}^{*} v1∗​,...,vi∗​ 的跨度中。我们通过归纳法证明其他包含,因此我们假设 v 1 ∗ , . . . , v i − 1 ∗ v_{1}^{*},...,v_{i-1}^{*} v1∗​,...,vi−1∗​ 在 v 1 , . . . , v i − 1 v_{1},...,v_{i-1} v1​,...,vi−1​ 的跨度中,我们需要证明 v i ∗ v_{i}^{*} vi∗​ 在 v 1 , . . . , v i − 1 v_{1},...,v_{i-1} v1​,...,vi−1​ 的跨度中。 但根据 v i ∗ v_{i}^{*} vi∗​ 的定义,我们可以看到它在 v 1 ∗ , . . . , v i − 1 ∗ , v i v_{1}^{*},...,v_{i-1}^{*},v_{i} v1∗​,...,vi−1∗​,vi​​ 的跨中,因此我们可以通过归纳假设来证明。

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