Skip to content

04 向量空间与线性映射

1. 数域决定允许哪些标量

F 是可以进行加、减、乘、除(除数非零)的标量系统。课程主要使用 RC。同一个矩阵放在不同数域上,谱性质可能不同:实旋转矩阵在 R 上没有特征向量,在 C 上却可以对角化。

域的特征 char(F) 是使 1++1=0 的最小正整数;若不存在则为 0Q,R,C 的特征均为 0

2. 子空间、和与交

子集 WV 是子空间,当且仅当它对线性组合封闭。两个子空间的和为

U+W={u+w:uU,wW}.

有限维情形有维数公式

dim(U+W)+dim(UW)=dimU+dimW.

UW={0},写作 UW;这表示每个向量的分解是唯一的。

3. 线性映射的核与像

对线性映射 T:VW,定义

kerT={x:T(x)=0},rangeT={T(x):xV}.

秩-零化度定理是最重要的记账公式:

rankT+nullityT=dimV.

它说明定义域的自由度被分成两部分:被映射保留下来的方向,以及被压到零的方向。

4. 矩阵表示与换基

选定 V,W 的基后,线性映射 T:VW 由矩阵 A 表示。若定义域和陪域分别换基,表示矩阵变成

AP1AQ.

T:VV 且定义域、陪域同步换基,就得到相似变换 AP1AP。相似矩阵代表同一个线性算子,因此有相同的特征多项式、特征值与极小多项式。

任意秩为 rm×n 矩阵都可通过左右可逆变换化为

(Ir000).

等价地,存在满列秩 XFm×r 与满行秩 YFr×n 使 A=XY,称为满秩分解。

5. 逆映射与商空间

T 可逆等价于 T 同时单射和满射。有限维且 dimV=dimW 时,只检查其中一个即可。

商空间 V/U 把相差一个 U 中向量的元素视作同一类。若 UV,则

dim(V/U)=dimVdimU.

第一同构定理把核和像连起来:

V/kerTrangeT.

6. 低秩更新:Sherman–Morrison–Woodbury

若相关逆矩阵存在,则

(A+UVT)1=A1A1U(I+VTA1U)1VTA1.

U=u,V=v 时得到秩一版本

(A+uvT)1=A1A1uvTA11+vTA1u.

它的价值在于把一个 n×n 新逆问题,缩减为对较小矩阵 I+VTA1U 求逆。使用前必须检查分母或小矩阵可逆,而不是机械套公式。

7. 线性算子的应用视角

  • 微分算子把微分方程写成算子多项式。
  • 图的邻接矩阵把路径计数写成矩阵幂。
  • 低秩修正刻画“只改变少数方向”的模型更新。

共同方法是:先找到合适的空间和算子,再选择基把问题交给矩阵。

8. 不变子空间就是分块上三角结构

UVT 不变,即 T(U)U,先取 U 的基 u1,,ur,再扩充为 V 的基。在这组基下,T 的矩阵必有形式

[T]=(AB0C).

左下角为零,是因为 T(uj) 仍能由前 r 个基向量表示。A 描述 TU 上的限制,C 则描述 T 在商空间 V/U 上诱导的算子。特征多项式因此分解为

pT(t)=pA(t)pC(t).

Schur 分解、Jordan 分解和很多递归证明,本质上都在反复使用这一观察。

9. 第一同构定理的可计算例子

考虑 T:P2P1T(p)=p。有

kerT=span{1},rangeT=P1.

商空间中的元素不是一个多项式,而是相差常数的整类多项式:

[p]=p+span{1}.

映射 [p]p 良定义且可逆,因此

P2/span{1}P1.

维数关系 31=2 只是这一结构同构的数值影子。

10. Woodbury 公式从一个小恒等式推出

先验证

(I+XY)1=IX(I+YX)1Y,

方法是把右侧与 I+XY 相乘并化简。再写

A+UVT=A(I+A1UVT),

X=A1UY=VT,便得到 Woodbury 公式。这个推导同时说明了为何只需求逆较小的 I+VTA1U

三种变换应始终分清:左右分别换基得到矩阵等价 P1AQ,同一算子同步换基得到相似 P1AP,二次型换变量得到合同 PAP。它们保留的不变量依次是秩、谱结构和惯性。

11. 自检

  • [ ] 能证明维数公式并判断一个和是否为直和。
  • [ ] 能由核与像解释秩-零化度定理。
  • [ ] 能区分矩阵等价与矩阵相似。
  • [ ] 套 Woodbury 公式前会检查所有维数和可逆条件。
  • [ ] 能由不变子空间写出分块上三角表示。
  • [ ] 能用导数算子解释第一同构定理。

下一章:二次型与正定矩阵