線性子空間(Linear Subspace)

Basis
最後更新: 標籤: 線性代數

不是向量空間的每個子集本身都是向量空間。一個隨機的子集可能不包含零向量,或者在你將其中兩個元素相加時「逃出」子集。**線性子空間(linear subspace)**是保持向量空間結構的子集——它們在線性代數中自然地到處出現:作為核、作為像、作為齊次方程組的解集。

定義

VV 是體 FF 上的向量空間。VV 的一個非空子集 WVW \subseteq VVV線性子空間(也簡稱子空間),如果它滿足以下三個條件:

  1. 0W\mathbf{0} \in W  (零向量屬於 WW
  2. u,vW    u+vWu, v \in W \implies u + v \in W  (在加法下封閉)
  3. uW, cF    cuWu \in W,\ c \in F \implies cu \in W  (在純量乘法下封閉)

當這些成立時,WW 本身就是一個向量空間,使用與 VV 相同的運算。所有向量空間公理——結合性、分配律等——都從 VV 中自動繼承,因為 WW 的元素和運算只是將 VV 的元素和運算限制在 WW 上。上面的三個條件是你唯一需要驗證的。

子空間判準

條件 2 和 3 合在一起說明 WW 在所有線性組合下封閉。這引出一個簡潔的檢驗:

子空間判準:非空子集 WVW \subseteq VVV 的子空間,當且唯當

u,vW 且 c,dF    cu+dvW.u, v \in W \text{ 且 } c, d \in F \implies cu + dv \in W.

(在所有線性組合下封閉。)

這個條件也暗示 0W\mathbf{0} \in W 而無需另行驗證:由於 WW 非空,存在某個 uWu \in W;取 c=0c = 00u=0W0 \cdot u = \mathbf{0} \in W。所以你只需驗證 WW 非空且在線性組合下封閉。

例子

平凡子空間

W={0}W = \{\mathbf{0}\} 是任意向量空間的最小子空間。它只包含零向量,顯然滿足三個條件。

整個空間

W=VW = V 本身平凡地是一個子空間——它是最大的。

R3\mathbb{R}^3 中過原點的直線和平面

  • R3\mathbb{R}^3 中任何過原點的直線——對固定非零 vv 形如 {tv:tR}\{t\,v : t \in \mathbb{R}\} 的集合——是一維子空間。
  • R3\mathbb{R}^3 中任何過原點的平面——對線性獨立的 u,vu, v 形如 {su+tv:s,tR}\{s\,u + t\,v : s, t \in \mathbb{R}\} 的集合——是二維子空間。

注意「過原點」的要求:不過原點的直線或平面不是子空間(它不包含 0\mathbf{0})。

齊次方程組的解集

AMm,n(F)A \in M_{m,n}(F),則齊次方程組 Ax=0Ax = \mathbf{0} 的解集是 FnF^n 的子空間。驗證:A0=0A\mathbf{0} = \mathbf{0}(零是一個解);若 Ax=0Ax = \mathbf{0}Ay=0Ay = \mathbf{0},則 A(x+y)=0A(x+y) = \mathbf{0};若 Ax=0Ax = \mathbf{0},則 A(cx)=c(Ax)=0A(cx) = c(Ax) = \mathbf{0}。這個子空間是 AA,在中展開。

反例

R2\mathbb{R}^2 中不過原點的直線,比如 {(x,y):y=x+1}\{(x, y) : y = x + 1\},不是子空間:它不包含 (0,0)(0, 0),而且 2(1,2)=(2,4)2 \cdot (1, 2) = (2, 4) 不在 y=x+1y = x + 1 上。封閉性條件不成立。

張成與基底

線性張成,任意子集 SVS \subseteq V 的張成自動是一個子空間——包含 SS 的最小子空間。這從任意一組向量提供了豐富的子空間來源。

子空間的基底

子空間 WW基底是一個子集 BW\mathcal{B} \subseteq W,它:

  1. 線性獨立(如線性相依中定義的)。
  2. 張成span(B)=W\text{span}(\mathcal{B}) = W

基底是「最小張成集」,同時也是 WW 內的「最大獨立集」。WW 的任意基底的元素數目永遠相同——這個共同的數目是 WW維度,記作 dimW\dim W

摘要

  • 子空間 WVW \subseteq V 是在加法和純量乘法下封閉的非空子集;等價地,在所有線性組合 cu+dvcu + dv 下封閉。
  • 非空且在線性組合下封閉自動確保 0W\mathbf{0} \in W 和所有向量空間公理。
  • 關鍵例子:{0}\{\mathbf{0}\}VV 本身、過原點的直線/平面,以及齊次方程組的解集。
  • 不包含 0\mathbf{0} 的子集(如平移後的仿射子空間)不是子空間。
  • 任意集合 SS張成線性張成)是包含 SS 的最小子空間。
  • WW基底是線性獨立的張成集;其大小是 dimW\dim W