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对于(看作几何空间)而言,一张不过原点的平面是不能成为一个线性空间的,因为这个平面上两个向量的差:
并不位于上,但如果另有一个与其平行的平面过原点:
则便是一个线性子空间,且位于中。
一个想法是:考察所有这样与给定的平行的平面组成的集合,则这个集合恰好是整个空间的一个划分。而如果规定二元关系:
则这个关系是一个等价关系(读者自行验证),且其等价类恰好是与平行的平面组成的集合。这种观点能让我们从另一角度看待线性空间的结构,因此也有研究的价值。
定义1 设是数域上的线性空间, 为的一个子空间,称由等价关系
所诱导的所有等价类的集合为的商空间,记为。对于一个给定的,称集合
为的陪集,记作,称为这个陪集的代表。
商空间是否是一个线性空间?直观上我们想为规定元素的加法和数量乘法为:
但这可能会出现一个问题:对于和,如果
则这种加法连一个二元运算都不是了:它没有为同一个陪集规定一个唯一的像。以几何空间为例说明,取为的直线,那么应当保证图中两组向量的加法
总在同一条水平线上,这样才能得到一个唯一确定的新陪集。
可以证明这一点是能够保证的,请读者自行考虑。类似也可说明数量乘法保证这一点,并且它们都满足线性空间所需条件,于是成为了上的线性空间,其中为其零向量,为的负向量。
定理1
证明 取的一组基并扩充为的一组基,下证:任取,设
则
若存在不全为零的使得
则也有
矛盾。
到其商空间有一个非常自然的映射:
我们称之为自然映射或标准映射或典范映射。由定义可知这显然是个满射,而由定理1可知为非零子空间时这不是一个单射,因为对任意都有,即商空间中一个元素的原像是 的一个配集。
另外可以验证这个映射还是线性的,从而商空间中线性无关的向量组的原像向量组也是线性无关的。这一性质使得我们能够利用商空间的结构加以研究原空间的结构,我们用下面的定理来说明这一点。
定理2 上的线性空间的任一子空间都有补空间。
证明 设的一组基为,则也是中的线性无关组,记这组向量生成的子空间为,下证便是在中的补空间:首先所代表的配集都可由线性表出:
这就说明存在使得
即。另外任取,并由设
另一方面又由知
而是线性无关的,可见从而,即。