維度與秩

Basis
最後更新: 標籤: 線性代數

當你為子空間選擇一個基底時,有很多選項——大多數空間有無限多個有效的基底。但不管你選哪個基底,你總會數到相同數量的向量。這個不變量就是維度(dimension),它是向量空間最基本的數值性質。秩的整個理論以及秩-零化度定理都建立在這個單一事實之上。

有限維空間

向量空間 VV有限維的,如果存在一個有限的向量集合張成 VV。所有的 FnF^n、所有的矩陣空間 Mm,n(F)M_{m,n}(F) 以及有限維空間的每個子空間都是有限維的。沒有有限張成集的空間——例如 FF 上所有多項式的空間——則是無限維的(infinite-dimensional)

本文完全聚焦於有限維空間。

所有基底大小相同

線性子空間介紹了基底,並不加證明地說明一個空間的所有基底大小相等。以下是其成立的原因。

引理(替換):若 {v1,,vn}\{v_1, \ldots, v_n\} 張成 VV,且 {u1,,um}\{u_1, \ldots, u_m\}VV 中線性獨立,則 mnm \le n

證明草圖:你可以每次用獨立集中的一個向量替換張成集中的一個向量,同時在每一步保持張成集不變。最多 nn 次替換後,張成集便已用盡。由於 uiu_i 是線性獨立的,在填滿所有 nn 個替換位置之前,沒有任何 uiu_i 會被「提前用完」——因此 mnm \le n\square

定理:有限維向量空間 VV 的任意兩個基底具有相同數量的元素。

證明:設 B={b1,,bn}\mathcal{B} = \{b_1, \ldots, b_n\}C={c1,,cm}\mathcal{C} = \{c_1, \ldots, c_m\}VV 的兩個基底。由於 B\mathcal{B} 張成 VVC\mathcal{C} 線性獨立,引理給出 mnm \le n。由於 C\mathcal{C} 張成 VVB\mathcal{B} 線性獨立,同樣的論證給出 nmn \le m。因此 m=nm = n\square

維度的定義

由於每個基底大小相同,以下定義是良好定義的:

有限維向量空間 VV維度記作 dimV\dim V(或 dimFV\dim_F V 以強調體),定義為 VV 的任意基底中的向量數量。

按慣例,平凡空間有 dim{0}=0\dim\{\mathbf{0}\} = 0,以空集作為其基底。

常見空間的維度

空間標準基底維度
FnF^n標準單位向量 e1,,ene_1, \ldots, e_nnn
Mm,n(F)M_{m,n}(F)矩陣 EijE_{ij}(一個 11,其餘為 00mnmn
F[x]dF[x]_{\le d}(次數 d\le d 的多項式)1,x,x2,,xd1, x, x^2, \ldots, x^dd+1d+1
{0}\{\mathbf{0}\}\emptyset00

維度告訴你描述空間中每個元素需要多少個獨立參數:FnF^n 中的元素需要 nn 個坐標,次數 d\le d 的多項式需要 d+1d+1 個係數,依此類推。

維度與子空間

WW 是有限維空間 VV 的子空間,則 WW 也是有限維的,並且:

  1. dimWdimV\dim W \le \dim V
  2. dimW=dimV\dim W = \dim V 若且唯若 W=VW = V

第 2 點提供了一個有用的捷徑:要證明子空間 WW 等於整個 VV,只需在 WW 內找到 dimV\dim V 個線性獨立向量就足夠了。如果 WW 包含一個大小合適的線性獨立集,它必定就是整個 VV

擴充與縮減基底

由替換引理可得出兩個實用事實:

  • VV 中任何線性獨立集都可以擴充為 VV 的一個基底(每次添加一個向量)。
  • VV 的任何張成集都可以縮減為 VV 的一個基底(每次移除一個冗餘向量)。

兩者合在一起說明:基底既是最小張成集,又是 VV 內的最大線性獨立集。

秩作為維度

矩陣 AA秩(rank),在列空間與行空間中已介紹,恰好是一個維度:

rank(A)=dim(row(A))=dim(col(A)).\text{rank}(A) = \dim(\text{row}(A)) = \dim(\text{col}(A)).

AA 的**零化度(nullity)**是其核的維度——齊次方程組 Ax=0Ax = \mathbf{0} 的解集:

nullity(A)=dim(ker(A)).\operatorname{nullity}(A) = \dim(\ker(A)).

對於 m×nm \times n 矩陣 AA,這兩個量由秩-零化度定理相聯繫:

rank(A)+nullity(A)=n.(1)\operatorname{rank}(A) + \operatorname{nullity}(A) = n. \tag{1}

AA 的每一直行要麼是樞軸行(pivot column,對秩貢獻 11),要麼是自由行(free column,對零化度貢獻 11)。這 nn 直行在兩者之間劃分,每行不重複計算也不遺漏。

摘要

  • 向量空間是有限維的,如果它有一個有限的張成集。
  • 有限維空間的所有基底具有相同數量的元素——這由替換引理從兩個方向應用得出。
  • 維度 dimV\dim V 是這個共同的基底大小:dimFn=n\dim F^n = ndimMm,n(F)=mn\dim M_{m,n}(F) = mndim{0}=0\dim\{\mathbf{0}\} = 0
  • 對於子空間 WVW \subseteq VdimWdimV\dim W \le \dim V,等號成立若且唯若 W=VW = V
  • VV 中任何線性獨立集都可以擴充為一個基底;VV 的任何張成集都可以縮減為一個基底。
  • 零化度都是維度:rank(A)=dim(col(A))=dim(row(A))\text{rank}(A) = \dim(\text{col}(A)) = \dim(\text{row}(A)) 以及 nullity(A)=dim(ker(A))\text{nullity}(A) = \dim(\ker(A)),且 rank(A)+nullity(A)=n\text{rank}(A) + \text{nullity}(A) = n