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 V 是有限維的,如果存在一個有限的向量集合張成 V。所有的 Fn、所有的矩陣空間 Mm,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 F 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} 張成 V,且 {u1,…,um} 在 V 中線性獨立,則 m≤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 n 次替換後,張成集便已用盡。由於 ui 是線性獨立的,在填滿所有 n 個替換位置之前,沒有任何 ui 會被「提前用完」——因此 m≤n。□
定理:有限維向量空間 V 的任意兩個基底具有相同數量的元素。
證明:設 B={b1,…,bn} 和 C={c1,…,cm} 是 V 的兩個基底。由於 B 張成 V 且 C 線性獨立,引理給出 m≤n。由於 C 張成 V 且 B 線性獨立,同樣的論證給出 n≤m。因此 m=n。□
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 V 的維度記作 dimV(或 dimFV 以強調體),定義為 V 的任意基底中的向量數量。
按慣例,平凡空間有 dim{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 |
|---|
| Fn | 標準單位向量 e1,…,en | n |
| Mm,n(F) | 矩陣 Eij(一個 1,其餘為 0) | mn |
| F[x]≤d(次數 ≤d 的多項式) | 1,x,x2,…,xd | d+1 |
| {0} | ∅ | 0 |
維度告訴你描述空間中每個元素需要多少個獨立參數:Fn 中的元素需要 n 個坐標,次數 ≤d 的多項式需要 d+1 個係數,依此類推。
維度與子空間
設 W 是有限維空間 V 的子空間,則 W 也是有限維的,並且:
- dimW≤dimV。
- dimW=dimV 若且唯若 W=V。
第 2 點提供了一個有用的捷徑:要證明子空間 W 等於整個 V,只需在 W 內找到 dimV 個線性獨立向量就足夠了。如果 W 包含一個大小合適的線性獨立集,它必定就是整個 V。
擴充與縮減基底
由替換引理可得出兩個實用事實:
- V 中任何線性獨立集都可以擴充為 V 的一個基底(每次添加一個向量)。
- V 的任何張成集都可以縮減為 V 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 V 內的最大線性獨立集。
秩作為維度
矩陣 A 的秩(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)).
A 的**零化度(nullity)**是其核的維度——齊次方程組 Ax=0 的解集:
nullity(A)=dim(ker(A)).
對於 m×n 矩陣 A,這兩個量由秩-零化度定理相聯繫:
rank(A)+nullity(A)=n.(1)
A 的每一直行要麼是樞軸行(pivot column,對秩貢獻 1),要麼是自由行(free column,對零化度貢獻 1)。這 n 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 是這個共同的基底大小:dimFn=n、dimMm,n(F)=mn、dim{0}=0。
- 對於子空間 W⊆V:dimW≤dimV,等號成立若且唯若 W=V。
- V 中任何線性獨立集都可以擴充為一個基底;V 的任何張成集都可以縮減為一個基底。
- 秩和零化度都是維度:rank(A)=dim(col(A))=dim(row(A)) 以及 nullity(A)=dim(ker(A)),且 rank(A)+nullity(A)=n。