Przestrzenie wektorowe

Podobne dokumenty
Przestrzenie liniowe

R n = {(x 1, x 2,..., x n ): x i R, i {1,2,...,n} },

Zadania z algebry liniowej - sem. I Przestrzenie liniowe, bazy, rząd macierzy

14. Przestrzenie liniowe

Równania liniowe. Rozdział Przekształcenia liniowe. Niech X oraz Y będą dwiema niepustymi przestrzeniami wektorowymi nad ciałem

Analiza funkcjonalna 1.

1 Zbiory i działania na zbiorach.

Układy równań liniowych

B jest liniowo niezależny V = lin (B) 1. Układ pusty jest bazą przestrzeni trywialnej {θ}. a i v i = i I. b i v i, (a i b i ) v i = θ.

Matematyka z el. statystyki, # 1 /Geodezja i kartografia I/

Podstawowe struktury algebraiczne

Wykład 4 Udowodnimy teraz, że jeśli U, W są podprzetrzeniami skończenie wymiarowej przestrzeni V to zachodzi wzór: dim(u + W ) = dim U + dim W dim(u

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Zadania egzaminacyjne

1 Elementy logiki i teorii mnogości

Wielomiany podstawowe wiadomości

Algebra liniowa z geometrią

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

. : a 1,..., a n F. . a n Wówczas (F n, F, +, ) jest przestrzenią liniową, gdzie + oraz są działaniami zdefiniowanymi wzorami:

1.1 Definicja. 1.2 Przykład. 1.3 Definicja. Niech G oznacza dowolny, niepusty zbiór.

Informacja o przestrzeniach Hilberta

1 Przestrzeń liniowa. α 1 x α k x k = 0

1 Rząd macierzy. 2 Liniowa niezależność. Algebra liniowa. V. Rząd macierzy. Baza podprzestrzeni wektorowej

Liczby zespolone. Magdalena Nowak. 23 marca Uniwersytet Śląski

Wykład 5. Ker(f) = {v V ; f(v) = 0}

Rozdział 2. Liczby zespolone

9 Przekształcenia liniowe

Kombinacje liniowe wektorów.

3 Przestrzenie liniowe

Układy liniowo niezależne

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

Lista. Algebra z Geometrią Analityczną. Zadanie 1 Przypomnij definicję grupy, które z podanych struktur są grupami:

cx cx 1,cx 2,cx 3,...,cx n. Przykład 4, 5

Kryptografia - zastosowanie krzywych eliptycznych

Zadania z Algebry liniowej 4 Semestr letni 2009

Przekształcenia liniowe

13 Układy równań liniowych

1. Liczby zespolone i

Układy równań i nierówności liniowych

Zestaw zadań 5: Sumy i sumy proste podprzestrzeni. Baza i wymiar. Rzędy macierzy. Struktura zbioru rozwiązań układu równań.

1. Liczby zespolone. Jacek Jędrzejewski 2011/2012

Rozwiązania, seria 5.

Algebra liniowa. 1. Macierze.

Przestrzeń unitarna. Jacek Kłopotowski. 23 października Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej SGH

Funkcje analityczne. Wykład 3. Funkcje holomorficzne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017) z = x + iy A

Funkcje wymierne. Funkcja homograficzna. Równania i nierówności wymierne.

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Przestrzeń liniowa. Algebra. Aleksander Denisiuk

Pokazać, że wyżej zdefiniowana struktura algebraiczna jest przestrzenią wektorową nad ciałem

Wielomiany podstawowe wiadomości

DB Algebra liniowa 1 semestr letni 2018

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

Wektory i wartości własne

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Rozdział 2. Liczby zespolone

1 Macierze i wyznaczniki

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Zadania z Algebry liniowej 3 semestr zimowy 2008/2009

Funkcje analityczne. Wykład 2. Płaszczyzna zespolona. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2017/2018)

Przestrzeń liniowa i przekształcenie liniowe

Wykład 12 i 13 Macierz w postaci kanonicznej Jordana , 0 A 2

Zestaw zadań 14: Wektory i wartości własne. ) =

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

ALGEBRA LINIOWA Z GEOMETRIĄ, LISTA ZADAŃ NR 8

Przestrzenie liniowe

Treść wykładu. Układy równań i ich macierze. Rząd macierzy. Twierdzenie Kroneckera-Capellego.

Kurs wyrównawczy - teoria funkcji holomorficznych

Algebra z Geometrią Analityczną. { x + 2y = 5 x y = 9. 4x + 5y 3z = 9, 2x + 4y 3z = 1. { 2x + 3y + z = 5 4x + 5y 3z = 9 7 1,

1 Działania na zbiorach

Rozdział 5. Macierze. a 11 a a 1m a 21 a a 2m... a n1 a n2... a nm

Własności wyznacznika

Układy równań i równania wyższych rzędów

Lista nr 1 - Liczby zespolone

Wyk lad 7 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Wektory i wartości własne

Ciała i wielomiany 1. przez 1, i nazywamy jedynką, zaś element odwrotny do a 0 względem działania oznaczamy przez a 1, i nazywamy odwrotnością a);

Praca domowa - seria 6

Jak łatwo zauważyć, zbiór form symetrycznych (podobnie antysymetrycznych) stanowi podprzestrzeń przestrzeni L(V, V, K). Oznaczamy ją Sym(V ).

Lista. Algebra z Geometrią Analityczną. Zadanie 1 Zapisz za pomocą spójników logicznych i kwantyfikatorów: x jest większe niż 6 lub mniejsze niż 4

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ. 1. Ciała

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ BAZY PRZESTRZENI WEKTOROWYCH

Algebra Liniowa 2 (INF, TIN), MAP1152 Lista zadań

Wyk lad 9 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

2.7 Przestrzenie unormowane skończenie wymiarowe

Wyk lad 11 1 Wektory i wartości w lasne

macierze jednostkowe (identyczności) macierze diagonalne, które na przekątnej mają same

Lista. Przestrzenie liniowe. Zadanie 1 Sprawdź, czy (V, +, ) jest przestrzenią liniową nadr :

Informatyka Stosowana. a b c d a a b c d b b d a c c c a d b d d c b a

Matematyka dyskretna dla informatyków

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

Rozwiązywanie zależności rekurencyjnych metodą równania charakterystycznego

Funkcja kwadratowa. f(x) = ax 2 + bx + c,

Zbiory wypukłe i stożki

Wykład 16. P 2 (x 2, y 2 ) P 1 (x 1, y 1 ) OX. Odległość tych punktów wyraża się wzorem: P 1 P 2 = (x 1 x 2 ) 2 + (y 1 y 2 ) 2

Skończone rozszerzenia ciał

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

ALGEBRA Tematyka LITERATURA

Wyk lad 6 Podprzestrzenie przestrzeni liniowych

Transkrypt:

Rozdział 4 Przestrzenie wektorowe Rozważania dotyczące przestrzeni wektorowych rozpoczniemy od kilku prostych przykładów. Przykład 4.1. W przestrzeni R 3 = {(x, y, z) : x, y, z R} wprowadzamy dwa działania: dodawanie (x 1, y 1, z 1 ) + (x 2, y 2, z 2 ) := (x 1 + x 2, y 1 + y 2, z 1 + z 2 ) oraz mnożenie przez liczbę rzeczywistą: α (x 1, y 1, z 1 ) := (αx 1, αy 1, αz 1 ). Łatwo sprawdzić, że struktura algebraiczna (R 3, +) jest grupą abelową, a działania + oraz spełniają następujące warunki: a) dla α, β R oraz (x, y, z) R 3 : (α + β) (x, y, z) = α (x, y, z) + β (x, y, z) ; b) dla α R oraz (x 1, y 1, z 1 ), (x 2, y 2, z 2 ) R 3 : α [(x 1, y 1, z 1 ) + (x 2, y 2, z 2 )] = α (x 1, y 1, z 1 ) + α (x 2, y 2, z 2 ) ; c) dla α, β R oraz (x, y, z) R 3 : α [β (x, y, z)] = (αβ) (x, y, z) ; d) dla (x, y, z) R 3 : 1 (x, y, z) = (x, y, z). 21

4.1. Przestrzeń wektorowa Przykład 4.2. W przestrzeni ciągów liczbowych C 0 = wprowadzamy dwa działania: dodawanie { } {a n } n=1 : lim a n = 0 n oraz mnożenia przez liczbę rzeczywistą {a n } n=1 + {b n} n=1 := {a n + b n } n=1 α {a n } n=1 := {αa n} n=1. Podobnie jak w poprzednim przykładzie, struktura algebraiczna (C 0, +) jest grupą abelową, a działania spełniają poniższe warunki: a) dla α, β R oraz {a n } n=1 C 0 : (α + β) {a n } n=1 = α {a n} n=1 + β {a n} n=1 ; b) dla α R oraz {a n } n=1, {b n} n=1 C 0 : α ({a n } n=1 + {b n} n=1 ) = α {a n} n=1 + α {b n} n=1 ; c) dla α, β R oraz {a n } n=1 C 0 : α (β {a n } n=1 ) = (αβ) {a n} n=1 ; d) dla {a n } n=1 C 0 : 1 {a n } n=1 = {a n} n=1. Zbiór z działaniami + i spełniającymi warunki a) d) z powyższych przykładów nazywać będziemy przestrzenią wektorową (liniową). 4.1. Przestrzeń wektorowa Niech X będzie dowolnym zbiorem. Definicja 4.1. Trójkę (X, +, ) nazywamy rzeczywistą przestrzenią wektorową, jeżeli struktura (X, +) jest grupą abelową, a działania + i spełniają następujące warunki: a) α (x + y) = (α x) + (α y) ; b) (α + β) x = (α x) + (β x) ; c) α (β x) = (αβ) x; d) 1 x = x, dla dowolnych x, y X oraz α, β R. Jeżeli warunek α, β R zastąpimy warunkiem α, β C, to trójkę (X, +, ) nazywamy zespoloną przestrzenią wektorową. Elementy przestrzeni wektorowej nazywamy wektorami. 22

4.2. Podprzestrzeń wektorowa Przykład 4.3. Każda z poniższych struktur jest rzeczywistą przestrzenią wektorową: a) przestrzeń R n z naturalnymi działaniami dodawania wektorów oraz mnożenia wektora przez liczbę: (x 1,..., x n ) + (y 1,..., y n ) := (x 1 + y 1,..., x n + y n ), α (x 1,..., x n ) := (αx 1,..., αx n ) ; b) zbiór C z naturalnymi działaniami dodawania liczb zespolonych oraz mnożenia liczby zespolonej przez liczbę rzeczywistą; c) zbiór F (R, R) = {f : R R : f funkcja} z naturalnymi działaniami dodawania funkcji oraz mnożenia funkcji przez liczbę. Przykład 4.4. Poniższe struktury nie są przestrzeniami wektorowymi: a) zbiór R n z działaniami zdefiniowanymi poniżej: (x 1,..., x n ) + (y 1,..., y n ) := (x 1 + y 1,..., x n + y n ), α (x 1,..., x n ) := (αx 1, 0,..., 0) ; b) zbiór {f : R R : f (0) = 1} z naturalnymi działaniami dodawania funkcji oraz mnożenia funkcji { przez liczbę; } c) zbiór C 1 = {a n } n=1 : lim a n = 1 z działaniami zdefiniowanymi w przykładzie n 4.2. 4.2. Podprzestrzeń wektorowa Niech (X, +, ) będzie rzeczywistą przestrzenią wektorową oraz niech Y X. Definicja 4.2. Jeżeli zbiór Y oraz działania + i przestrzeni X spełniają warunki: α, β R, x, y Y α x + β y Y ; 0 Y, to trójkę (Y, +, ) nazywamy podprzestrzenią wektorową przestrzeni (X, +, ). Łatwo pokazać, że każda podprzestrzeń wektorowa przestrzeni wektorowej jest przestrzenią wektorową. Przykład 4.5. Zbiór {z C : 2Rez 3Imz = 0} z naturalnymi działaniami dodawania oraz mnożenia liczby zespolonej przez liczbę rzeczywistą jest podprzestrzenią wektorową przestrzeni C. Przykład 4.6. Zbiór {f F (R, R) : x R : f (x) = f ( x)} z naturalnymi działaniami dodawania funkcji oraz mnożenia funkcji przez liczbę jest podprzestrzenią wektorową przestrzeni wektorowej F (R, R). Bezpośrednio z definicji wynika, że zbiór pusty tworzy przestrzeń wektorową, ale nie jest podprzestrzenią wektorową żadnej przestrzeni. Przykład 4.7. Niech (X, +, ) będzie niepustą przestrzenią wektorową. Wówczas ({0}, +, ) jest najmniejszą (w sensie liczby elementów) podprzestrzenią wektorową przestrzeni (X, +, ). 23

4.3. Liniowa niezależność wektorów 4.3. Liniowa niezależność wektorów Niech (X, +, ) będzie rzeczywistą lub zespoloną przestrzenią wektorową. Definicja 4.3. Wektory v 1,..., v n X są liniowo niezależne nad ciałem F, jeżeli dla dowolnych skalarów α 1,..., α n F zachodzi: α 1 v 1 +... + α n v n = 0 α 1 =... = α n = 0. (4.1) Wektory, które nie są liniowo niezależne są liniowo zależne. Wyrażenie α 1 v 1 +... + α n v n nazywamy kombinacją liniową wektorów v 1,..., v n. Liniowa zależność wektorów oznacza, że przynajmniej jeden z nich jest kombinacją liniową pozostałych. Zauważmy, że lewa strona implikacji (4.1) to równanie ze względu na nieznane liczby α 1,..., α n. Jeżeli jedynym rozwiązaniem tego równania jest rozwiązanie zerowe, tj. α 1 =... = α n = 0, to na podstawie powyższej definicji wektory v 1,..., v n są liniowo niezależne. Przykład 4.8. Aby sprawdzić liniową niezależność wektorów v 1 = (1, 0, 1), v 2 = ( 1, 1, 1), v 3 = (3, 1, 3) nad ciałem R, należy rozwiązać, wynikające z warunku (4.1), równanie α 1 (1, 0, 1) + α 2 ( 1, 1, 1) + α 3 (3, 1, 3) = (0, 0, 0) ze względu na niewiadome α 1, α 2, α 3 R. Równanie to prowadzi do układu równań α 1 α 2 + 3α 3 = 0 α 2 α 3 = 0, α 1 + α 2 3α 3 = 0 którego rozwiązaniem jest: α 1 = 2t, α 2 = α 3 = t (t R). Oznacza to, że warunek (4.1) nie jest spełniony; badane wektory są więc liniowo zależne. Faktycznie, z postaci rozwiązania wynika, że v 2 = 2v 1 v 3. Przykład 4.9. Sprawdzimy liniową niezależność wektorów v 1 = 1 + i oraz v 2 = 2 3i nad ciałem R. Mamy 0 = α 1 (1 + i) + α 2 (2 3i) = α 1 + 2α 2 + (α 1 3α 1 ) i, co prowadzi do układu równań { α1 + 2α 2 = 0 α 1 3α 1 = 0, którego jedynym rozwiązaniem jest α 1 = α 2 = 0. Oznacza to, że wektory 1 + i oraz 2 3i są liniowo niezależne nad R. 24

4.4. Baza i wymiar przestrzeni wektorowej Przykład 4.10. Sprawdzimy liniową niezależność wektorów rozważanych w poprzednim przykładzie, ale nad ciałem C. Mamy 0 = α 1 (1 + i) + α 2 (2 3i). Tym razem jednak skalary α 1, α 2 mogą przyjąć wartości zespolone. Przekształcając powyższe równanie do postaci α 1 = 2 3i 1 + i α 2, wnioskujemy, że posiado ono nieskończenie wiele rozwiązań. Oznacza to, że wektory 1 + i oraz 2 3i są liniowo zależne nad C. 4.4. Baza i wymiar przestrzeni wektorowej Niech v 1,..., v n będą ustalonymi wektorami przestrzeni wektorowej X. Jeżeli każdy element przestrzeni X można wyrazić jako kombinację liniową wektorów v 1,..., v n, tzn. dla dowolnego y X y = α 1 v 1 +... + α n v n, (4.2) dla pewnych skalarów α 1,..., α n, to mówimy, że wektory v 1,..., v n generują przestrzeń X. Każdy liniowo niezależny układ (ciąg istotna kolejność) wektorów przestrzeni wektorowej X generujący tę przestrzeń nazywamy bazą tej przestrzeni. Liczbę elementów bazy przestrzeni wektorowej X oznaczamy dim X i nazywamy wymiarem przestrzeni wektorowej ( 2 ). Przykład 4.11. Rozważmy przestrzeń liniową (R n, +, ) nad ciałem liczb rzeczywistych. Dla dowolnego wektora (x 1,..., x n ) R n mamy: (x 1,..., x n ) = (x 1, 0,..., 0) + (0, x 2, 0,..., 0) +... + (0,..., 0, x n ) = x 1 (1, 0,..., 0) + x 2 (0, 1, 0,..., 0) +... + x n (0,..., 0, 1), zatem wektory e 1 = (1, 0,..., 0), e 2 = (0, 1, 0,..., 0),..., e n = (0,..., 0, 1) generują przestrzeń R n ; ponieważ wektory te są również liniowo niezależne, więc stanowią one bazę przestrzeni R n jest to tzw. baza kanoniczna. Wniosek: dim R n = n. Przykład 4.12. Rozważmy przestrzeń liniową (C, +, ) nad ciałem liczb rzeczywistych. Z postaci kanonicznej liczby zespolonej wynika, że każda liczba zespolona jest kombinacją liniową wektorów 1, i; wektory te, w rozważanym przypadku (jaki to przypadek?), są liniowo niezależne, więc stanowią bazę przestrzeni C. Wniosek: dim R C =2. Przykład 4.13. Rozważmy przestrzeń liniową (C, +, ), tym razem nad ciałem liczb zespolonych. Niech z 0 0 będzie dowolną liczbą zespoloną. Wówczas dla dowolnej liczby zespolonej z C: z = α 0 z 0, gdzie α 0 = zz 1 0. 2 W sytuacji, gdy nie jest jasne nad jakim ciałem rozważamy daną przestrzeń liniową X, jej wymiar oznaczać będziemy dim F X wskazując, że jest to przestrzeń liniowa nad ciałem F. 25

4.4. Baza i wymiar przestrzeni wektorowej Oznacza to, że w rozważanym przypadku z 0 jest bazą przestrzeni C. Wniosek: dim C C =1. Ważnym wnioskiem wynikającym z dwóch ostatnich przykładów jest to, że wymiar przestrzeni wektorowej zależy od ciała, nad którym przestrzeń ta jest rozważana. Przykład 4.14. Niech Y = {(x, y, z) R 3 : x + y z = 0, x + y + z = 0}. Łatwo wykazać, że Y jest podprzestrzenią liniową przestrzeni R 3 ; wyznaczmy więc jej bazę. Rozwiązując układ równań wynikający z warunku określającego przynależność do przestrzeni Y, otrzymamy: x = t, y = t, z = 0 (t R). Dowolny element przestrzeni Y ma więc postać: (t, t, 0) = t (1, 1, 0). Oznacza to, że Y jest jednowymiarową podprzestrzenią przestrzeni R 3, której bazą jest wektor (1, 1, 0). Przykład 4.15. Niech Π n oznacza zbiór wielomianów rzeczywistych stopnia nie większego niż n. Łatwo sprawdzić, że struktura (Π n, +, ), gdzie + oraz to naturalne działania dodawania funkcji oraz mnożenia funkcji przez liczbę, jest przestrzenią wektorową nad R. Bazę tej przestrzeni tworzą jednomiany: 1, x, x 2,..., x n ; mamy więc: dim Π n = n + 1. Niech teraz, dla a R, Π n (a) = {w Π n : w (a) = 0}. Łatwo wykazać, że Π n (a) jest podprzestrzenią liniową przestrzeni Π n. Z twierdzenia Bézout wynika, że dowolny element w Π n (a) można zapisać w postaci w (x) = (x a) g (x), (4.3) dla pewnego g Π n 1. Ponieważ bazą Π n 1 są jednomiany 1, x, x 2,..., x n 1, zatem na podstawie (4.3), wielomian w jest kombinacją liniową wielomianów x a, x (x a), x 2 (x a),..., x n 1 (x a). Wielomiany te są liniowo niezależne (dlaczego?), zatem stanowią bazę przestrzeni Π n (a). Wniosek: dim Π n (a) = n. Ćwiczenie Wyznacz bazę przestrzeni Π n (a) w przypadku, gdy a C\R. Współczynniki α 1,..., α n występujące w równaniu (4.2) nazywamy współrzędnymi wektora y w bazie v 1,..., v n. Współrzędne te są wyznaczone w sposób jednoznaczny. Aby to wykazać, przypuśćmy, że wektor y określony równaniem (4.2) można również zapisać w postaci y = β 1 v 1 +... + β n v n. (4.4) Pokażemy, że wówczas α i = β i (i = 1,..., n). Z zależności (4.2) i (4.4) otrzymujemy 0 = α 1 v 1 +... + α n v n (β 1 v 1 +... + β n v n ) = (α 1 β 1 ) v 1 +... + (α n β n ) v n. 26

4.4. Baza i wymiar przestrzeni wektorowej Liniowa niezależność wektorów v 1,..., v n prowadzi do warunków α i β i = 0 (i = 1,..., n). Własności bazy przestrzeni wektorowej: (i) Każda nietrywialna przestrzeń wektorowa posiada bazę. (ii) Jeżeli wektory v 1,..., v n są bazą pewnej przestrzeni liniowej, to dla dowolnych niezerowych skalarów α 1,..., α n wektory α 1 v 1,..., α n v n również są bazę tej przestrzeni. (iii) Wszystkie bazy tej samej przestrzeni wektorowej są równoliczne, tj. składają się z takiej samej liczby elementów. (iv) Wektory v 1,..., v n n wymiarowej przestrzeni liniowej są jej bazą wtedy i tylko wtedy, gdy są wektorami liniowo niezależnymi. (v) Każdy układ wektorów liniowo niezależnych przestrzeni wektorowej X może być rozszerzony do bazy przestrzeni X. 27