Линейные оболочки и подпространства
Определение. Подпространством линейного пространства
называется множество векторов из
такое, что для любых двух векторов
и
из
и любых двух вещественных чисел
и
линейная комбинация
также принадлежит
.
Утверждение. Подпространство само является линейным пространством.
Определение. Линейной оболочкой системы векторов называется множество всех линейных комбинаций векторов
. Обозначается
.
Утверждение. Линейная оболочка системы векторов является подпространством.
Определение. Пересечением двух подпространств и называется множество всех векторов, принадлежащих одновременно и ,и . Обозначается .
Определение. Суммой двух подпространств и
называется множество всех векторов
, представимых в виде
, где
,
. Обозначается
.
Утверждение. Сумма и пересечение подпространств и
являются линейными пространствами, и их размерности связаны равенством
+
=
+
.
Определение. Сумма двух подпространств называется прямой суммой, если пересечение этих подпространств состоит только из нулевого вектора.
Примеры
1. Найти размерность и какой-нибудь базис суммы и пересечения подпространств, порождённых векторами .
Решение. Вычислим вначале размерность подпространств. С этой целью установим, являются ли линейно независимыми векторы, порождающие данные подпространства. Для подпространства , порождённого векторами
, равенство нулю линейной комбинации
, эквивалентное системе уравнений
, достигается лишь при условии
. Следовательно, векторы
линейно
независимы и размерность подпространства равна 2:
. Для подпространства
, порождённого векторами
, проводя аналогичный анализ, получим
.
Вычислим теперь размерность пересечения подпространств и
. По определению векторы, составляющие пересечение, принадлежат одновременно обоим подпространствам. Произвольный вектор
подпространства
является линейной комбинацией базисных векторов
:
. Аналогично для подпространства
имеем
, тогда условие принадлежности пересечению есть
или
.
Это условие представляет собой систему уравнений относительно коэффициентов
. Составим матрицу системы и упростим её с помощью элементарных преобразований:
Как видно ранг системы равен 3. Значит ФСР состоит из одного линейно независимого вектора. Найдём его, решив систему уравнений, соответствующих последней матрице, получим ,
откуда .
Полагая свободное неизвестное , для остальных имеем
. Итак, пересечение подпространств
имеет один базисный вектор
.
Размерность пересечения . Следовательно, в соответствии с равенством
размерность суммы подпространств . В качестве базиса суммы подпространств можно взять, например, векторы
, дополненные вектором
. В линейной независимости векторов
убедиться нетрудно.
Задачи
3.39. Найти размерность и какой-нибудь базис подпространства, порожденного векторами ,
,
,
,
.
3.40. Найти размерность и какой-либо базис линейной оболочки векторов ,
,
,
,
.
3.41. Является ли подпространством в указанном пространстве множество
а) векторов, выходящих из начала координат и заканчивающихся на фиксированной прямой, в пространстве R2;
б) бесконечно малых числовых последовательностей в пространстве сходящихся последовательностей;
в) сходящихся к числу последовательностей в пространстве сходящихся последовательностей;
г) диагональных матриц в пространстве квадратных матриц того же порядка;
д) невырожденных матриц в пространстве симметричных матриц того же порядка;
е) дифференцируемых на интервале функций в пространстве функций, непрерывных на отрезке
.
3.42. Почему не является подпространством в указанном пространстве множество
а) векторов, каждый из которых лежит на одной из координатных плоскостей, в пространстве R3;
б) векторов из пространства Rn, координаты которых удовлетворяют уравнению ;
в) расходящихся числовых последовательностей в пространстве ограниченных последовательностей;
г) вырожденных матриц в пространстве квадратных матриц того же порядка;
д) монотонно возрастающих и ограниченных на множестве функций в пространстве функций, ограниченных на том же множестве.
3.43. Найти размерность и какой-либо базис подпространства решений однородной системы:
а) ; б)
;
в) .
3.44. Доказать, что данное множество является подпространством в Rn, найти его размерность и какой-либо базис:
а) все n-мерные векторы, координаты которых удовлетворяют уравнению ;
б) все n-мерные векторы, у которых первая координата равна нулю;
в) все n-мерные векторы, у которых первая и последняя координаты равны между собой;
г) все n-мерные векторы, у которых координаты с четными номерами равны нулю;
д) все n-мерные векторы, у которых координаты с нечетными номерами равны между собой.
3.45. Найти размерность суммы и пересечения подпространств, порожденных векторами ,
и
,
. Является ли эта сумма прямой суммой?
3.46. Найти размерность суммы и пересечения линейных оболочек векторов ,
,
и
,
,
. Является ли их cумма прямой?
3.47. Найти базис суммы и пересечения двух подпространств, порожденных соответственно векторами и
, если
а) ,
,
,
,
,
;
б) ,
,
,
,
,
.
3.48. Найти базис суммы и пересечения линейных оболочек
и
, если
а) ,
,
,
;
б) ,
,
,
,
,
.
Является ли прямой сумма этих подпространств?