秩-零化度定理(Rank-Nullity Theorem)

Basis
最後更新: 標籤: 線性代數

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 VV 是體 FF 上的有限維向量空間,T:VWT: V \to W 是線性映射,則

dim(V)=rank(T)+nullity(T).(1)\dim (V) = \operatorname{rank} (T) + \operatorname{nullity} (T). \tag{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

k=nullity(T)=dim(ker(T))k = \text{nullity}(T) = \dim(\ker(T)),選取 ker(T)\ker(T) 的一組基底 {u1,,uk}\{u_1, \ldots, u_k\}

步驟 1:將基底擴充為 VV 的基底。 由於 ker(T)\ker(T) 是有限維空間 VV 的子空間,可以將 {u1,,uk}\{u_1, \ldots, u_k\} 擴充為 VV 的完整基底。將多出來的向量記為 v1,,vrv_1, \ldots, v_r,從而

B={u1,,uk,v1,,vr}\mathcal{B} = \{u_1, \ldots, u_k, v_1, \ldots, v_r\}

VV 的基底。則 dim(V)=k+r\dim(V) = k + r

步驟 2:{T(v1),,T(vr)}\{T(v_1), \ldots, T(v_r)\} 張成 im(T)\text{im}(T) 任取 wim(T)w \in \text{im}(T),寫 w=T(x)w = T(x)xVx \in V)。將 xx 用基底 B\mathcal{B} 展開:

x=i=1kciui+j=1rdjvj.x = \sum_{i=1}^k c_i\, u_i + \sum_{j=1}^r d_j\, v_j.

TT 施行並利用線性性。由於每個 uiker(T)u_i \in \ker(T),故 T(ui)=0T(u_i) = \mathbf{0}

w=T(x)=i=1kciT(ui)+j=1rdjT(vj)=j=1rdjT(vj).w = T(x) = \sum_{i=1}^k c_i\, T(u_i) + \sum_{j=1}^r d_j\, T(v_j) = \sum_{j=1}^r d_j\, T(v_j).

wwT(v1),,T(vr)T(v_1), \ldots, T(v_r) 的線性組合,確認它們張成 im(T)\text{im}(T)

步驟 3:{T(v1),,T(vr)}\{T(v_1), \ldots, T(v_r)\} 線性獨立。j=1rdjT(vj)=0\sum_{j=1}^r d_j\, T(v_j) = \mathbf{0},由線性性知 T ⁣(j=1rdjvj)=0T\!\left(\sum_{j=1}^r d_j\, v_j\right) = \mathbf{0},故 jdjvjker(T)\sum_{j} d_j\, v_j \in \ker(T)。因此這個向量是 ker(T)\ker(T) 的基底的線性組合:

j=1rdjvj=i=1keiui\sum_{j=1}^r d_j\, v_j = \sum_{i=1}^k e_i\, u_i

對某些純量 eie_i 成立。整理:jdjvjieiui=0\sum_{j} d_j\, v_j - \sum_{i} e_i\, u_i = \mathbf{0}。由於 B\mathcal{B}VV 的基底,所有係數均為零——特別地 d1==dr=0d_1 = \cdots = d_r = 0

步驟 4:結論。 {T(v1),,T(vr)}\{T(v_1), \ldots, T(v_r)\}im(T)\text{im}(T) 的基底,故 rank(T)=r\text{rank}(T) = r。因此:

dim(V)=k+r=nullity(T)+rank(T).\dim(V) = k + r = \text{nullity}(T) + \text{rank}(T). \qquad \square

幾何詮釋

非正式地說,VV 分成兩個部分:kk 維的核(TT 將其完全壓縮為零)和 rr 維的補(TT 將其同構地映射到 im(T)\text{im}(T))。總維度守恆:k+r=dim(V)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:FnFnT: F^n \to F^n 是矩陣 AMn,n(F)A \in M_{n,n}(F)方陣)所對應的線性映射。代入 (1):

n=rank(T)+nullity(T).n = \text{rank}(T) + \text{nullity}(T).

定義域和陪域的維度相同,均為 nn,核和像的維度之和恰好等於 nn。這個嚴格的「預算」產生如下等價性:

定理:對於 T:FnFnT: F^n \to F^n(等價地,對 n×nn \times n 矩陣 AA),以下命題等價:

  1. TT 是**單射(injective)**的(ker(T)={0}\ker(T) = \{\mathbf{0}\},即 nullity(T)=0\text{nullity}(T) = 0)。
  2. TT 是**滿射(surjective)**的(im(T)=Fn\text{im}(T) = F^n,即 rank(T)=n\text{rank}(T) = n)。
  3. TT 是**雙射(bijective)**的(因而有逆映射 T1T^{-1})。
  4. rank(A)=n\text{rank}(A) = nAA 的所有 nn 個直行——等價地,所有 nn 個橫列——線性獨立)。

原因:若零化度為 00,則秩必為 nn(由 (1)),故 TT 同時是單射和滿射的。秩等於 nn 而零化度不為 00 是不可能的,反之亦然——兩個量共享固定的 nn 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

AA4×64 \times 6 矩陣,rank(A)=3\text{rank}(A) = 3。定義域是 F6F^6,故 dim=6\dim = 6。由 (1):

nullity(A)=6rank(A)=63=3.\text{nullity}(A) = 6 - \text{rank}(A) = 6 - 3 = 3.

核是三維的:在 F6F^6 中有三個線性獨立的向量被 AA 映射到零。像是 F4F^4 內的三維子空間——AA 不可能是滿射的(因為 3<43 < 4)。

摘要

  • 秩-零化度定理:對任意以有限維空間 VV 為定義域的線性映射 T:VWT: V \to W,有 dim(V)=rank(T)+nullity(T)\dim(V) = \text{rank}(T) + \text{nullity}(T)
  • 證明思路:將 ker(T)\ker(T) 的基底擴充為 VV 的基底;多出來的向量映射為 im(T)\text{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:FnFnT: F^n \to F^n:單射性、滿射性和雙射性(可逆性)等價——它們同時耗盡相同的 nn 維預算。