秩-零化度定理是一條維度的守恆定律。當線性映射作用於向量空間時,沒有任何維度會無故消失:它們要麼在像中留存,要麼被核所吸收。這個定理使上述直觀精確化,並立即解釋了為何對方形線性映射而言,單射性和滿射性是等價的。
定理陳述
秩-零化度定理:設 V 是體 F 上的有限維向量空間,T:V→W 是線性映射,則
dim(V)=rank(T)+nullity(T).(1)
用文字表述:定義域的維度等於像的維度加上核的維度。
證明
設 k=nullity(T)=dim(ker(T)),選取 ker(T) 的一組基底 {u1,…,uk}。
步驟 1:將基底擴充為 V 的基底。 由於 ker(T) 是有限維空間 V 的子空間,可以將 {u1,…,uk} 擴充為 V 的完整基底。將多出來的向量記為 v1,…,vr,從而
B={u1,…,uk,v1,…,vr}
是 V 的基底。則 dim(V)=k+r。
步驟 2:{T(v1),…,T(vr)} 張成 im(T)。 任取 w∈im(T),寫 w=T(x)(x∈V)。將 x 用基底 B 展開:
x=∑i=1kciui+∑j=1rdjvj.
對 T 施行並利用線性性。由於每個 ui∈ker(T),故 T(ui)=0:
w=T(x)=∑i=1kciT(ui)+∑j=1rdjT(vj)=∑j=1rdjT(vj).
故 w 是 T(v1),…,T(vr) 的線性組合,確認它們張成 im(T)。
步驟 3:{T(v1),…,T(vr)} 線性獨立。 設 ∑j=1rdjT(vj)=0,由線性性知 T(∑j=1rdjvj)=0,故 ∑jdjvj∈ker(T)。因此這個向量是 ker(T) 的基底的線性組合:
∑j=1rdjvj=∑i=1keiui
對某些純量 ei 成立。整理:∑jdjvj−∑ieiui=0。由於 B 是 V 的基底,所有係數均為零——特別地 d1=⋯=dr=0。
步驟 4:結論。 {T(v1),…,T(vr)} 是 im(T) 的基底,故 rank(T)=r。因此:
dim(V)=k+r=nullity(T)+rank(T).□
幾何詮釋
非正式地說,V 分成兩個部分:k 維的核(T 將其完全壓縮為零)和 r 維的補(T 將其同構地映射到 im(T))。總維度守恆:k+r=dim(V)。維度既不被創造,也不被消滅——它們只是被重新導向。
對方陣的推論
現設 T:Fn→Fn 是矩陣 A∈Mn,n(F)(方陣)所對應的線性映射。代入 (1):
n=rank(T)+nullity(T).
定義域和陪域的維度相同,均為 n,核和像的維度之和恰好等於 n。這個嚴格的「預算」產生如下等價性:
定理:對於 T:Fn→Fn(等價地,對 n×n 矩陣 A),以下命題等價:
- T 是**單射(injective)**的(ker(T)={0},即 nullity(T)=0)。
- T 是**滿射(surjective)**的(im(T)=Fn,即 rank(T)=n)。
- T 是**雙射(bijective)**的(因而有逆映射 T−1)。
- rank(A)=n(A 的所有 n 個直行——等價地,所有 n 個橫列——線性獨立)。
原因:若零化度為 0,則秩必為 n(由 (1)),故 T 同時是單射和滿射的。秩等於 n 而零化度不為 0 是不可能的,反之亦然——兩個量共享固定的 n 維「預算」。
這是一個純粹的維度計算現象:在無限維空間中,單射性和滿射性可以各自失敗;但在有限維空間中,對方形映射而言,它們是不可分割的。
具體範例
設 A 是 4×6 矩陣,rank(A)=3。定義域是 F6,故 dim=6。由 (1):
nullity(A)=6−rank(A)=6−3=3.
核是三維的:在 F6 中有三個線性獨立的向量被 A 映射到零。像是 F4 內的三維子空間——A 不可能是滿射的(因為 3<4)。
摘要
- 秩-零化度定理:對任意以有限維空間 V 為定義域的線性映射 T:V→W,有 dim(V)=rank(T)+nullity(T)。
- 證明思路:將 ker(T) 的基底擴充為 V 的基底;多出來的向量映射為 im(T) 的基底。
- 幾何詮釋:定義域在核(維度被壓縮為零)與其補(維度同構地映射到像)之間劃分。
- 對方形映射 T:Fn→Fn:單射性、滿射性和雙射性(可逆性)等價——它們同時耗盡相同的 n 維預算。