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商向量空间

Quotient vector space

按子空间诱导的陪集等价关系取商并继承向量运算的空间。

条目类型
定义

形式陈述

WV 是子空间,定义 vv 当且仅当 vvW。商空间 V/W 的元素是陪集 v+W,运算为 (v+W)+(u+W)=(v+u)+Wa(v+W)=av+W;子空间条件保证良定义。自然投影 π:VV/W 的核为 W。它满足泛性质:每个在 W 上为零的线性映射 T:VU 都唯一分解为 T=T~π

直觉

向量空间把子空间 W 中的全部位移视为零:两个点只要相差一个 W 中的向量,就被识别为同一个商类。因此商空间的一个“点”实际代表一整张与 W 平行的仿射层;这个构造不是从 V 中删去 W,而是把沿 W 的差异压缩掉,只保留横向的独立自由度。

例子与边界

R2/span(1,0) 可视为只记录纵坐标的一维空间。有限维时 dim(V/W)=dimVdimW商集若分母不是子空间,向量加法可能依代表元而变化。线性映射第一同构定理给出 V/kerTimT

V=R3 中令 W=span(e1,e2),则两个向量同商类当且仅当第三坐标相同,故 V/WR。若另选一个补空间 U 使 V=WU,就会得到 V/WU;这个同构依赖补空间的选择,商空间本身却不依赖任何选择。

推论与应用

子空间条件保证商类上的加法与标量乘法良定义;在有限维情形,消除 W 方向后的自由度由

dim(V/W)=dimVdimW.

精确计算。规范投影的核为 W,由秩–零化度定理与第一同构定理,任意线性映射的像都可视为定义域对核的商;从陪域商去该像则得到线性映射的余核。这种“消除指定方向”的机制还用于构造同调、定义切空间,并形成外代数等普遍商构造。

参考资料
  • Sheldon Axler, Linear Algebra Done Right, 4th ed., Springer, 2024,Chs. 1–9。
  • Michael Artin, Algebra, 2nd ed., Pearson, 2011,Chs. 1–16。
关系图谱11 个相邻概念 · 2 类关系

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