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定义Definition

向量空间

Vector space

标量域作用下满足线性公理的加法阿贝尔群。

形式陈述 ​

设 F 为域。F 上的向量空间是集合 V,配有两种运算

+:V×V→V,⋅:F×V→V,

满足以下要求:向量加法组成阿贝尔群,即加法结合、交换,存在零向量 0V,每个向量都有加法逆元;此外,对所有 a,b∈F 和 u,v∈V,有

a(u+v)=au+av,(a+b)v=av+bv,(ab)v=a(bv),1Fv=v.

运算的定义域和值域已经包含了封闭性:加完、缩放完仍是 V 中的向量。标量零 0F 属于域,零向量 0V 属于空间,它们承担不同角色。

公理还给出零与负号的运算规则。例如 0Fv=(0F+0F)v=0Fv+0Fv,在加法群中消去一项便得 0Fv=0V。同理,a0V=0V,而 (−1F)v 正是 v 的加法逆元。

直觉

向量空间抽取的是“可以任意叠加、可以按标量缩放”这一结构。向量可以是平面箭头,也可以是一段多项式、一个连续函数或一张矩阵;判定依据是运算是否满足公理,而不是对象的外观。

域让非零标量都可以除掉。例如 av=0V 且 a≠0F,两边乘以 a−1,便有 v=0V。把域换成一般环会得到模,但这种消去规则不再总是成立。

线性结构只保证有限线性组合 a1v1+⋯+anvn 有意义。即使空间无限维,每个代数基展开仍只用有限多个非零系数;“无限个向量相加”还需要另行定义收敛。长度、夹角和距离也不由线性公理指定,分别要用范数、内积或拓扑等附加结构。

例子与边界

向量可以是多项式、函数和矩阵 ​

对正整数 d,次数小于 d 的多项式组成空间

P<d(F)={a0+a1x+⋯+ad−1xd−1:ai∈F}.

零多项式也包含在内。加法、数乘逐系数进行,结果仍能写成上述形式;基 1,x,…,xd−1 则把多项式表示为系数列表。这里按系数区分形式多项式。例如在 F2 上,x2−x 与零多项式不同,但它在 0,1 处的值都是零,所以两者定义了同一个函数。

C([0,1],R) 在逐点运算下也是实向量空间,因为连续函数的线性组合仍连续。与有限维多项式空间不同,它没有有限个函数能张成全部连续函数:1,x,x2,… 中任意有限一组都线性无关。

所有 2×2 实对称矩阵组成

S={(abbc):a,b,c∈R}.

任意一个矩阵都唯一写成

a(1000)+b(0110)+c(0001),

所以这三张矩阵构成一组基,dim⁡S=3。维数统计的是独立方向,不是矩形中显示的四个位置。

相近的集合未必仍是子空间 ​

非空子集 W⊆V 是线性子空间,当且仅当

u,v∈W, a,b∈F⟹au+bv∈W.

这个条件自动给出零向量、负向量以及运算封闭性;其余公理由母空间继承。

“迹等于 1 的实矩阵”不含零矩阵,因此不是子空间,而是一个仿射集合。“全部奇异矩阵”虽然包含零矩阵,也不是子空间:diag(1,0) 与 diag(0,1) 都奇异,两者之和却是单位矩阵。这次失败发生在加法封闭性上。

标量域决定维数,基决定坐标 ​

C 作为复向量空间以 1 为基,维数为 1;作为实向量空间则以 1,i 为基,维数为 2。两种情况下加法相同,允许的缩放不同。更鲜明的是 R:在 R 上维数为 1,在 Q 上却无限维。否则有限个基向量的有理线性组合只有可数多个,与实数不可数矛盾。

坐标还依赖基。实平面中的 v=(3,1) 在标准基下坐标是 (3,1);在 b1=(1,1),b2=(1,−1) 下,因 v=2b1+b2,坐标变成 (2,1)。两组坐标描述同一个向量;把向量都换到同一组基下,就可以逐项相加来计算它们的和。

推论与应用

基让每个向量获得唯一的有限线性组合表示;线性映射保持这些组合。因此,线性映射由它在一组基上的像完全决定。在有限维情形,选定定义域和值域的基,把这些像的坐标按列排列,就得到映射的矩阵。

向量空间有指定零点。平移后的直线通常不再包含它,却仍可谈点之间的差与系数和为 1 的仿射组合;这正是仿射空间保留的结构。在线性空间中讨论参数增量,与在仿射参数集合中讨论允许状态,也有同样区别。

加入内积可以抽取正交分量,加入范数可以度量误差。在线性预测中,固定特征的实值评分函数 fw(x)=wTx 对线性组合封闭,因为 afu+bfv=fau+bv。取符号得到的 {−1,+1} 值分类器则不封闭:两个分类器相加后可能输出 0 或 2。

参考资料
  • Sheldon Axler, Linear Algebra Done Right, 4th ed., 2024,§1B–1C、Chapter 2:向量空间、子空间、基与维数;矩阵表示见 §3C。
  • Michael Artin, Algebra, 2nd ed., 2011,Chapter 3:向量空间与线性映射。
关系图谱283 个相邻概念 · 3 类关系

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