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数学 / dimension-vector-space

维数(向量空间)

向量空间的维数是其基中向量的个数,衡量它在给定域上的独立线性方向数量。

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向量空间的维数是它在所定义的域(数学)上的一个基(线性代数)中向量的个数。有限维空间的维数是非负整数,无限维空间的维数则是无限基数。维数衡量的是独立线性方向的数量,而不是向量的总数。它是线性代数中的一个基本不变量,记作 dim⁡V\dim V;需要明确标量域 FF 时,则记作 dim⁡FV\dim_F V。(linear.axler.net)

定义及其与基的选择无关性

基是一组满足两个条件的向量:线性无关,并且张成整个空间。线性无关是指,基向量的有限线性组合只有在所有系数均为零时才等于零。张成整个空间是指,空间中的每个向量都能表示为这样的线性组合。这两个条件共同保证了表示的唯一性。若 BB 是一个基,则

dim⁡FV=∣B∣.\dim_F V=|B|.

对于有限维空间,这表示基向量的个数;在更一般的情形下,竖线表示集合的基数。(github.com)

这一定义不依赖于所选的基。在有限维情形下,关键的比较定理指出,线性无关组中的向量个数不能超过张成组中的向量个数。对两个基分别从两个方向应用这一定理,就能证明它们的向量个数相同。因此,不同基的向量及其排列顺序可以不同,但维数不会改变。(webspace.ship.edu)

在 nn 维空间中,每个线性无关组至多包含 nn 个向量,而每个张成组至少包含 nn 个向量。恰好包含 nn 个向量的线性无关组必然是一个基;恰好包含 nn 个向量的张成组也必然是一个基。利用这些判据,往往不必分别检验定义中的两个条件,就能确定一组向量是否为基。(linear.axler.net)

坐标与示例

坐标空间 FnF^n 的维数为 nn。它的标准基由向量 e1,…,ene_1,\ldots,e_n 组成,其中 eje_j 的第 jj 个分量为 11,其余分量均为零。更一般地,有序基 v1,…,vnv_1,\ldots,v_n 使每个向量都有唯一的表达式

v=a1v1+⋯+anvn.v=a_1v_1+\cdots+a_nv_n.

映射 v↦(a1,…,an)v\mapsto(a_1,\ldots,a_n) 给出了该空间与 FnF^n 之间的线性同构。因此,同一域上的有限维向量空间同构,当且仅当它们的维数相等。维数可以对这些空间的线性结构进行分类,但不能对额外的结构进行分类,例如指定的内积。(github.com)

零空间 {0}\{0\} 的维数为零:它的基是空集,而不是只含零向量的集合。由次数不超过 mm 的多项式(包括零多项式)组成的空间 Pm(F)P_m(F) 的一个基为

1,x,x2,…,xm,1,x,x^2,\ldots,x^m,

其维数为 m+1m+1。过原点的直线维数为一,过原点的平面维数为二,即使它们嵌入在更大的坐标空间中也是如此。(linear.axler.net)

对标量域的依赖

维数是空间连同其标量域一起确定的。复数在 C\mathbb C 上构成一维空间,其一个基为 {1}\{1\}。同一个集合在实数域上则是二维空间,其一个基为 {1,i}\{1,i\},因为每个复数都能唯一地写成 a+bia+bi,其中 a,ba,b 为实数。(math.stanford.edu)

更一般地,一个复维数为 nn 的复向量空间,将标量乘法限制为仅使用实数后,其实维数为 2n2n。若 v1,…,vnv_1,\ldots,v_n 是一个复基,则

v1,iv1,…,vn,ivnv_1,iv_1,\ldots,v_n,iv_n

是一个实基。这种变化反映的是允许使用的系数发生了变化,而不是空间中的向量本身发生了变化。(math.stanford.edu)

子空间与维数公式

有限维空间 VV 的每个线性子空间 UU 都满足 dim⁡U≤dim⁡V\dim U\leq\dim V。UU 的一个基可以扩充为 VV 的一个基,因此维数相等就意味着 U=VU=V。对于子空间 U,WU,W,它们的和满足

dim⁡(U+W)=dim⁡U+dim⁡W−dim⁡(U∩W).\dim(U+W)=\dim U+\dim W-\dim(U\cap W).

减去交空间的维数,是为了扣除在两个子空间中被重复计算的方向。商向量空间 V/UV/U 的元素是模 UU 的陪集,其维数满足

dim⁡(V/U)=dim⁡V−dim⁡U.\dim(V/U)=\dim V-\dim U.

这里的这些减法公式适用于有限维空间。(linear.axler.net)

线性映射与计算

对于定义域为有限维空间的线性映射 T:V→WT:V\to W,秩—零化度定理指出

dim⁡V=dim⁡(ker⁡T)+dim⁡(im⁡T).\dim V=\dim(\ker T)+\dim(\operatorname{im}T).

核由被映射到零的向量组成;像由该映射能够取到的所有输出组成。它们的维数分别称为零化度和秩。(linear.axler.net)

对于 m×nm\times n 矩阵 AA,可以用高斯消元法计算这些量。矩阵的秩等于主元列的个数,而零化度等于 Ax=0Ax=0 中自由变量的个数。要求一组给定坐标向量的线性包的维数,可以将这些向量作为矩阵的列,再数出主元的个数。对于相容的线性方程组 Ax=bAx=b,其解集是核的一个平移,含有 n−rank⁡An-\operatorname{rank}A 个自由参数。(github.com)

无限维空间

不限制次数的多项式空间 F[x]F[x] 有一个可数无限基 {1,x,x2,…}\{1,x,x^2,\ldots\}。每个多项式仍然只用到有限个基向量。在通常的集合论基础下,选择公理保证每个向量空间都有基,并且同一空间的所有基都具有相同的基数。(stanford.edu)

这种代数意义上的基必须与涉及收敛无穷展开的基加以区分。在希尔伯特空间中,标准正交基的线性包取闭包后才得到整个空间,不一定仅靠有限线性组合就能张成整个空间。因此,希尔伯特空间可以具有可数的标准正交基,而它的代数维数(即哈梅尔维数)却是不可数的。(linear.axler.net)