Поняття, приклади і найпростіші властивості векторного простору
У різних розділах математики лінійні операції виконуються не тільки над векторами, а й над різними іншими об’єктами: матрицями, функціями, многочленами, тощо. Можливість підходити до цих об’єктів із загальної точки зору дає поняття векторного (лінійного) простору.
Нехай
– непорожня множина елементів будь-якої природи, які будемо позначати
і нехай
– числова множина дійсних або комплексних чисел, елементи якої будемо позначати
. Визначимо в множині
операцію додавання елементів:
і операцію множення елемента на число:
.
Означення. Множина
називається лінійним (векторним) простором, якщо в
визначені алгебраїчна операція додавання і операція множення на числа з фіксованої числової множини
, причому виконані наступні умови (аксіоми векторного простору):
1.
комутативність додавання ;
2.
–асоціативність додавання;
3.
:
- існування нульового елемента ;
4.
:
- існування протилежного елемента;
5.
– асоціативність множення на число ;
6.
- дистрибутивність відносно додавання чисел ;
7.
- дистрибутивність відносно додавання елементів;
8.
.
Елементи лінійного простору називаються векторами, елемент
називаєтьсянульовим вектором (нуль-вектором).
Приклади лінійних просторів:
1) Множина
дійсних чисел із звичайними операціями додавання і множення є дійсним векторним простором. Множина
комплексних чисел відносно операцій додавання комплексних чисел і множення комплексних чисел на дійсні числа є дійсний векторний простір
.
2)
-вимірний арифметичний простір
є векторним простором.
3) Сукупність
всіх матриць розмірності
з дійсними елементами утворює дійсний векторний простір відносно операцій додавання матриць і множення матриць на число.
4) Множина всіх геометричних векторів звичайного тривимірного простору з початком в точці
відносно операцій додавання векторів і множення векторів на число утворює дійсний векторний простір
.
Множина всіх векторів деякої площини і деякої прямої відносно операцій додавання векторів і множення векторів на число також є дійсними векторними просторами. Позначимо їх відповідно
і
.
5) Сукупність всіх многочленів від змінної
з дійсними коефіцієнтами відносно операцій додавання многочленів і множення многочленів на число утворює дійсний векторний простір.
6) Сукупність всіх неперервних функцій дійсної змінної, які визначені на деякому відрізку
, утворює дійсний векторний простір відносно операцій додавання функцій і множення функцій на число. Роль нуль-вектора відіграє функція, яка тотожно дорівнює нулю.
З означення безпосередньо випливають наступні
Найпростіші властивості лінійного простору:
1) Єдиність нульового вектора. В векторному просторі
існує єдиний нульовий вектор, тобто такий, що
:
. (аксіома 3)
2) Єдиність протилежного елемента. В векторному просторі
для будь-якого вектора
існує єдиний вектор
такий, що
. (аксіома 4)
3) Для будь-якого вектора
.
4) Для будь-якого числа
і Î
.
5) Якщо добуток
Î, то або
, або
.
6) Для будь-якого вектора
елемент
є протилежним до
.